28-08-2020, 10:09 AM
http://kishindustry.com/
كاربرد گازطبيعي در موتورهاي ديزل داراي ابعاد مكانيكي است، با اين حال، كاركردن بر روي آلاينده هاي سيستم گازطبيعي در حيطه تخصص مهندسي شيمي قرار مي گيرد.مقاله زير خلاصه ي رساله دكتراي ناصر سلامي است كه در يك پروژه بين المللي با مشاركت دانشگاه صنعتي شريف، دانشگاه كالگري كانادا، دانشگاه آلبرتاي كانادا و چند شركت صنعتي ديگر كانادايي نگاشته شده است. در اين مقاله به فعاليت هاي علمي در زمينه مبدل هاي كاتاليستي سيستم گازطبيعي و همچنين مواد افزودني سوخت توسط مؤلف انجام گرديده، اشاره شده است
در تيم تحقيقاتي اين پروژه، گروهي مسئوليت موتور و سيستم گازسوز و گروهي ديگر مسئوليت مطالعه و فعاليت روي مبدل كاتاليستي را برعهده داشتند. مبدل كاتاليستي براي بيش از سه دهه در دنيا روي خودروهاي بنزيني مورد استفاده قرار گرفته است. به خصوص تجربه هاي زيادي در اين مقوله براي خودروهاي بنزيني وجود دارد. گرچه مرزهاي دانش دائما در حال توسعه است و تجربه هاي جديدي در زمينه هاي گوناگون مرتبط با مبدل هاي كاتاليستي طرح مي شود و به كار مي روند، ولي مبدل كاتاليستي سيستم گازطبيعي داراي ساختار ويژه اي مي باشد. در خروجي موتورهاي گازسوز، اعم از سيستم سوخت دو گانه اي (Dual Fuel) و سيستم اختصاصي (Dedicated)، متان به عنوان عمده ترين هيدروكربن نسوخته خروجي وجود دارد. در خانواده هيدروكربن ها، مقاوم ترين هيدروكربن در مقابل اكسيداسيون متان است اگر چه در حال حاضر، در برخي از استانداردهاي زيست محيطي، متان به عنوان عامل آلاينده محسوب نمي شود،اين ديدگاه همه گير نيست و مطالعاتي روي تبديل بهينه متان در خروجي موتورها انجام مي گيرد. ما اولين گروهي بوديم كه در اين زمينه در مقوله سوخت دوگانه كار كرديم و بخشي از فناوري هايي را كه پيش از اين در صنايع شيميايي مورد استفاده قرار گرفته بود، براي اولين بار در اين زمينه مورد ارزيابي قرار داديم. از جمله بهره گيري از ايجاد شرايط گذراي برنامه ريزي شده براي افزايش عملكرد رآكتورها در برخي از موارد به اثبات رسيده است.
مشكل اساسي در سيستم سوخت دوگانه اين است كه دماي خروجي موتور براي تبديل متان در اغلب مبدل هاي كاتاليستي كافي نيست. شايد از منظر تئوري و با آزمايش روي متان خالص در آزمايشگاه اين تبديل دشوار نباشد، ولي ماهيت خروجي موتور سوخت دوگانه با حضور ساير تركيبات پيچيده ناشي از احتراق از جمله انواع راديكال هاي آزاد و مولكول هاي گوناگون، مانع تبديل مناسب متان مي شود. از طرفي معمولا عمر مبدل هاي كاتاليستي كه در اين زمينه مورد استفاده قرار مي گيرند، چندان طولاني نيست. طي آزمايش هاي متعدد روي اين سيستم تلاش كرديم تا به كمك ايجاد شرايط ناپايدار، دماي خروجي موتور سوخت دوگانه را به صورت كنترل شده و بدون تغيير در موتور، در ساختار مبدل كاتاليستي افزايش دهيم. اين تجربه جديد بعدها به صورت پتنت در آمد.باتوجه با دانسيته پايين گازطبيعي، حتي در فشارهاي بالا، نياز به حجم ذخيره سازي بيشتري وجود دارد. به عنوان مثال، ارزش حرارتي حجمي گازوئيل پنج برابر بيش از گازطبيعي در فشار 200 بار است. به همين دليل، حجم مورد نياز براي موتور گازسوز براي مسافت معادل پيمايش حدود پنج برابر خواهد بود.در حال حاضر شركت هاي متعددي در اين زمينه در ايران و جهان مشغول فعاليت هستند.
• طرح ساختاري مبدل هاي كاتاليستي
مبدل كاتاليستي سيستم گازطبيعي از نظر اصولي تفاوتي با ساير مبدل هاي موجود در بازار ندارد.به عبارت ديگر، معمولا از قالب هاي متفاوت و متداول سراميكي و فلزي بدين منظور استفاده مي شود. نوع اجزاي فعال كه در ساختار سيستم كاتاليستي اين مبدل تعبيه شده ويژه اجزايي است كه در خروجي موتورهاي گازسوز يافت مي شود. برمبناي نوع موتور مورد نظر، ويژگي هايي به طور اجتناب ناپذير تحميل خواهد شد.از جمله حدود دماي اگزوز، ميزان دبي خروجي از اگزوز (كه معمولا روي زمان اقامت اجزا در مبدل كاتاليستي اثر خواهد گذاشت)، نوع اجزاي موجود در اين سيستم و غلظت اين اجزا از جمله پارامترهايي هستند كه تابع نوع و مشخصات موتور است.در مقوله موتورهاي گازسوز، بسياري از كليات اساسي مشترك هستند.ولي اگر قرار باشد مبدل كاتاليستي براي يك موتور خاص طراحي شود، لازم است پس از شناسايي دقيق موتور، مبدل كاتاليستي مناسب براي آن طراحي شود. از جمله حجم مبدل كاتاليستي به صورت بسيار قابل توجهي به موتور و ميزان خروجي موتور بستگي دارد.مثلا موتوري با حجم دو تا سه ليتر با موتوري كه چند برا بر آن حجم دارد از نظر ميزان و غلظت گازهاي خروجي و مشخصات مبدل كاتاليستي با هم تفاوت دارند.مهم ترين بخش در هر مبدل كاتاليستي، اجزاي فعال كاتاليستي آن است كه بايد بتواند در زمان اقامت محدود اجزاي آلاينده در مبدل ، تبديلات مطلوب را انجام دهد.از سوي ديگر ثبات عملكرد مبدل كاتاليستي در فواصلي مثل 80 هزار كيلومتر يا بيشتر (براي يك وسيله سواري شخصي) يا 150 هزار كيلومتر(براي يك كاميون حمل و نقل بين شهري)، از جمله ضروريات غيرقابل انكار محسوب مي شوند كه در استانداردهاي جهاني كم و بيش مورد توافق است.
در كشور ما سيستم گاز طبيعي اختصاصي مورد توجه بيشتري قرار گرفته است. به اين مفهوم كه گازطبيعي به عنوان تنها سوخت در چرخه اتو (Otto Cycle) و طي احتراق به كمك شمع توليد توان خروجي موتور را ميسر مي سازد.بدين ترتيب موتور را مي توان از ابتدا بر مبناي استفاده از گازطبيعي طراحي كرد يا نظير آنچه در ناوگان اتوبوسراني شركت واحد ملاحظه مي شود، با نصب شمع و اعمال تغييرات لازم از جمله تبديل مكانيزم احتراق از چرخه ديزل به سيكل اتو موتور آماده مصرف گاز طبيعي مي شود. در اين نوع طراحي ، موتور به مصرف گازطبيعي وابسته خواهد شد. در طرح هاي جديد در كشور، براي خودروهاي سواري هم از همين سيستم اختصاصي، البته با حفظ قابليت مصرف بنزين استفاده مي شود.از جمله دلائلي كه براي توسعه نيافتن سيستم سوخت دوگانه در ايران ذكر مي شود، كيفيت نامناسب گازوئيل، به ويژه از جهت ميزان گوگرد است.مزيت ويژه موتور سوخت دوگانه امكان عملكرد با سوخت گازوئيل تنها در مناطق دور از ايستگاه هاي گاز، عمليات بر مبناي چرخه كارآمد ديزل وعملكرد مناسب در بارگذاري كامل و هزينه به مراتب پايين تر موتورهاي مستعمل ديزل است. متأسفانه، توجه سزاواري به اين روش در كشور ما نشده است.
• مواد افزودني سوخت
از جمله ديگر فعاليت ها، مشاركت در يكي از پروژه هايي است كه در سازمان بهينه سازي مصرف سوخت كشور تعريف شده و در حال اجرا است. در اين پروژه ، تلاش به منظور كاهش ميزان مصرف سوخت بر مبناي حداقل تغييرات، يعني استفاده از مواد افزودني در ساختار سوخت مي باشد. درصورت موفقيت، به عنوان روش حل كوتاه مدت يا ميان مدت مي توان با صرف هزينه ناچيز ميزان مصرف سوخت ناوگان كل كشور را در حد سه تا پنج درصد كاهش داد. با درنظر گرفتن ميزان چشمگير مصرف روزانه سوخت در كشور كه بالغ بر چند ده ميليون ليتر است، اين ميزان صرفه جويي به عدد قابل ملاحظه اي تبديل خواهد شد. از طرفي، تغييرات اساسي در ناوگان خودروهاي كشور مستلزم صرف هزينه سنگين و وقت فراوان است. شايد در شرايط كنوني، به كارگيري اين افزودني ها يكي از انتخاب هاي قابل تأمل باشد . لازم به ذكر است كه به طور معمول دو تلقي از لفظ مواد افزودني وجود دارد.يكي افزودني (Additive) كه در مقادير بسيار ناچيز در حدود p.p.m مورد استفاده قرار مي گيرد و ديگر عامل اختلاط (Blending Agent) كه در حد چند درصد به سوخت افزوده مي شود. در اين پروژه گروه اول از مواد افزودني موردنظر است، حال آنكه از گروه دوم مي توان به MTBE اشاره كرد كه به عنوان جايگزين تترا اتيل سرب براي بهبود عدد اكتان مورد استفاده قرار مي گيرد. ماهيت عملكرد اين مواد افزودني بهبود عملكرد احتراق به صورت مستقيم يعني با دخالت در واكنش هاي احتراقي يا با ايجاد تغييرات در عواملي است كه قادرند از طريق تغيير در خواص فيزيكي منجر به افزايش راندمان احتراق شوند. در اين مرحله، شناسايي كارآيي مواد افزودني گوناگوني موردنظر است كه در سطوح ملي و جهاني و از طريق فراخوان شناسايي شده اند. چون پيش از اين انگيزه اي در سطح ملي براي سرمايه گذاري در اين زمينه وجود نداشته است، توقع گرفتن پاسخ از داخل كشور كمتر است و عمده پيشنهادها از طريق شركت هاي توانمند بين المللي دريافت شده اند.بي ترديد درصورت رسيدن به نتايج مثبت، امكان برنامه ريزي براي توليد داخلي در آينده وجود دارد.برنامه بر اساس اجراي آزمايش هاي كنترلي تدوين شده است كه بتوان ضمن كاهش مصرف ، از عملكرد صحيح موتور با سوخت حاوي ماده افزودني از جهات مختلف، از جمله توان خروجي، جنبه هاي زيست محيطي،عدم تأثير سوء در دراز مدت و موارد مشابه اطمينان حاصل نمود.
• سخن آخر
سخن آخر، لزوم مشاركت بخش هاي گوناگون صنعت با دانشگاه براي رسيدن به موفقيت است. صنعت و دانشگاه نمي توانند به صورت منفرد داعيه موفقيت داشته باشند. وظيفه دانشگاه نه تنها مشاركت در توسعه علمي و صنعتي است، بلكه تربيت نيروهاي كارآمدي است كه بتوانند در عرصه صنعت كوشا باشند. اين مهم تنها با حضور فعال دانشجويان مستعد در پروژه هاي واقعي صنعتي مقدور است، تجربه اي كه دنياي صنعتي به خوبي طعم شيرين ثمرات آن را چشيده است. نكته ديگر آنكه سپردن بودجه هاي صنعتي به دست سازمان ها و شركت هايي كه فاقد انگيزه لازم براي صرف مناسب آن هستند به تضييع اين بودجه ها خواهد انجاميد و بالاخره بايد توجه داشت كه صرف همكاري دانشگاه با صنعت، بدون حضور مستمر متخصصان صنعت در بطن پروژه هاي پژوهشي ثمري نخواهد داشت. مشاركت كارشناسان زبده صنعت،منجر به هدايت پروژه ها در مرحله اجرا به سوي نيازهاي اساسي صنعت خواهد گرديد
كاربرد گازطبيعي در موتورهاي ديزل داراي ابعاد مكانيكي است، با اين حال، كاركردن بر روي آلاينده هاي سيستم گازطبيعي در حيطه تخصص مهندسي شيمي قرار مي گيرد.مقاله زير خلاصه ي رساله دكتراي ناصر سلامي است كه در يك پروژه بين المللي با مشاركت دانشگاه صنعتي شريف، دانشگاه كالگري كانادا، دانشگاه آلبرتاي كانادا و چند شركت صنعتي ديگر كانادايي نگاشته شده است. در اين مقاله به فعاليت هاي علمي در زمينه مبدل هاي كاتاليستي سيستم گازطبيعي و همچنين مواد افزودني سوخت توسط مؤلف انجام گرديده، اشاره شده است
در تيم تحقيقاتي اين پروژه، گروهي مسئوليت موتور و سيستم گازسوز و گروهي ديگر مسئوليت مطالعه و فعاليت روي مبدل كاتاليستي را برعهده داشتند. مبدل كاتاليستي براي بيش از سه دهه در دنيا روي خودروهاي بنزيني مورد استفاده قرار گرفته است. به خصوص تجربه هاي زيادي در اين مقوله براي خودروهاي بنزيني وجود دارد. گرچه مرزهاي دانش دائما در حال توسعه است و تجربه هاي جديدي در زمينه هاي گوناگون مرتبط با مبدل هاي كاتاليستي طرح مي شود و به كار مي روند، ولي مبدل كاتاليستي سيستم گازطبيعي داراي ساختار ويژه اي مي باشد. در خروجي موتورهاي گازسوز، اعم از سيستم سوخت دو گانه اي (Dual Fuel) و سيستم اختصاصي (Dedicated)، متان به عنوان عمده ترين هيدروكربن نسوخته خروجي وجود دارد. در خانواده هيدروكربن ها، مقاوم ترين هيدروكربن در مقابل اكسيداسيون متان است اگر چه در حال حاضر، در برخي از استانداردهاي زيست محيطي، متان به عنوان عامل آلاينده محسوب نمي شود،اين ديدگاه همه گير نيست و مطالعاتي روي تبديل بهينه متان در خروجي موتورها انجام مي گيرد. ما اولين گروهي بوديم كه در اين زمينه در مقوله سوخت دوگانه كار كرديم و بخشي از فناوري هايي را كه پيش از اين در صنايع شيميايي مورد استفاده قرار گرفته بود، براي اولين بار در اين زمينه مورد ارزيابي قرار داديم. از جمله بهره گيري از ايجاد شرايط گذراي برنامه ريزي شده براي افزايش عملكرد رآكتورها در برخي از موارد به اثبات رسيده است.
مشكل اساسي در سيستم سوخت دوگانه اين است كه دماي خروجي موتور براي تبديل متان در اغلب مبدل هاي كاتاليستي كافي نيست. شايد از منظر تئوري و با آزمايش روي متان خالص در آزمايشگاه اين تبديل دشوار نباشد، ولي ماهيت خروجي موتور سوخت دوگانه با حضور ساير تركيبات پيچيده ناشي از احتراق از جمله انواع راديكال هاي آزاد و مولكول هاي گوناگون، مانع تبديل مناسب متان مي شود. از طرفي معمولا عمر مبدل هاي كاتاليستي كه در اين زمينه مورد استفاده قرار مي گيرند، چندان طولاني نيست. طي آزمايش هاي متعدد روي اين سيستم تلاش كرديم تا به كمك ايجاد شرايط ناپايدار، دماي خروجي موتور سوخت دوگانه را به صورت كنترل شده و بدون تغيير در موتور، در ساختار مبدل كاتاليستي افزايش دهيم. اين تجربه جديد بعدها به صورت پتنت در آمد.باتوجه با دانسيته پايين گازطبيعي، حتي در فشارهاي بالا، نياز به حجم ذخيره سازي بيشتري وجود دارد. به عنوان مثال، ارزش حرارتي حجمي گازوئيل پنج برابر بيش از گازطبيعي در فشار 200 بار است. به همين دليل، حجم مورد نياز براي موتور گازسوز براي مسافت معادل پيمايش حدود پنج برابر خواهد بود.در حال حاضر شركت هاي متعددي در اين زمينه در ايران و جهان مشغول فعاليت هستند.
• طرح ساختاري مبدل هاي كاتاليستي
مبدل كاتاليستي سيستم گازطبيعي از نظر اصولي تفاوتي با ساير مبدل هاي موجود در بازار ندارد.به عبارت ديگر، معمولا از قالب هاي متفاوت و متداول سراميكي و فلزي بدين منظور استفاده مي شود. نوع اجزاي فعال كه در ساختار سيستم كاتاليستي اين مبدل تعبيه شده ويژه اجزايي است كه در خروجي موتورهاي گازسوز يافت مي شود. برمبناي نوع موتور مورد نظر، ويژگي هايي به طور اجتناب ناپذير تحميل خواهد شد.از جمله حدود دماي اگزوز، ميزان دبي خروجي از اگزوز (كه معمولا روي زمان اقامت اجزا در مبدل كاتاليستي اثر خواهد گذاشت)، نوع اجزاي موجود در اين سيستم و غلظت اين اجزا از جمله پارامترهايي هستند كه تابع نوع و مشخصات موتور است.در مقوله موتورهاي گازسوز، بسياري از كليات اساسي مشترك هستند.ولي اگر قرار باشد مبدل كاتاليستي براي يك موتور خاص طراحي شود، لازم است پس از شناسايي دقيق موتور، مبدل كاتاليستي مناسب براي آن طراحي شود. از جمله حجم مبدل كاتاليستي به صورت بسيار قابل توجهي به موتور و ميزان خروجي موتور بستگي دارد.مثلا موتوري با حجم دو تا سه ليتر با موتوري كه چند برا بر آن حجم دارد از نظر ميزان و غلظت گازهاي خروجي و مشخصات مبدل كاتاليستي با هم تفاوت دارند.مهم ترين بخش در هر مبدل كاتاليستي، اجزاي فعال كاتاليستي آن است كه بايد بتواند در زمان اقامت محدود اجزاي آلاينده در مبدل ، تبديلات مطلوب را انجام دهد.از سوي ديگر ثبات عملكرد مبدل كاتاليستي در فواصلي مثل 80 هزار كيلومتر يا بيشتر (براي يك وسيله سواري شخصي) يا 150 هزار كيلومتر(براي يك كاميون حمل و نقل بين شهري)، از جمله ضروريات غيرقابل انكار محسوب مي شوند كه در استانداردهاي جهاني كم و بيش مورد توافق است.
در كشور ما سيستم گاز طبيعي اختصاصي مورد توجه بيشتري قرار گرفته است. به اين مفهوم كه گازطبيعي به عنوان تنها سوخت در چرخه اتو (Otto Cycle) و طي احتراق به كمك شمع توليد توان خروجي موتور را ميسر مي سازد.بدين ترتيب موتور را مي توان از ابتدا بر مبناي استفاده از گازطبيعي طراحي كرد يا نظير آنچه در ناوگان اتوبوسراني شركت واحد ملاحظه مي شود، با نصب شمع و اعمال تغييرات لازم از جمله تبديل مكانيزم احتراق از چرخه ديزل به سيكل اتو موتور آماده مصرف گاز طبيعي مي شود. در اين نوع طراحي ، موتور به مصرف گازطبيعي وابسته خواهد شد. در طرح هاي جديد در كشور، براي خودروهاي سواري هم از همين سيستم اختصاصي، البته با حفظ قابليت مصرف بنزين استفاده مي شود.از جمله دلائلي كه براي توسعه نيافتن سيستم سوخت دوگانه در ايران ذكر مي شود، كيفيت نامناسب گازوئيل، به ويژه از جهت ميزان گوگرد است.مزيت ويژه موتور سوخت دوگانه امكان عملكرد با سوخت گازوئيل تنها در مناطق دور از ايستگاه هاي گاز، عمليات بر مبناي چرخه كارآمد ديزل وعملكرد مناسب در بارگذاري كامل و هزينه به مراتب پايين تر موتورهاي مستعمل ديزل است. متأسفانه، توجه سزاواري به اين روش در كشور ما نشده است.
• مواد افزودني سوخت
از جمله ديگر فعاليت ها، مشاركت در يكي از پروژه هايي است كه در سازمان بهينه سازي مصرف سوخت كشور تعريف شده و در حال اجرا است. در اين پروژه ، تلاش به منظور كاهش ميزان مصرف سوخت بر مبناي حداقل تغييرات، يعني استفاده از مواد افزودني در ساختار سوخت مي باشد. درصورت موفقيت، به عنوان روش حل كوتاه مدت يا ميان مدت مي توان با صرف هزينه ناچيز ميزان مصرف سوخت ناوگان كل كشور را در حد سه تا پنج درصد كاهش داد. با درنظر گرفتن ميزان چشمگير مصرف روزانه سوخت در كشور كه بالغ بر چند ده ميليون ليتر است، اين ميزان صرفه جويي به عدد قابل ملاحظه اي تبديل خواهد شد. از طرفي، تغييرات اساسي در ناوگان خودروهاي كشور مستلزم صرف هزينه سنگين و وقت فراوان است. شايد در شرايط كنوني، به كارگيري اين افزودني ها يكي از انتخاب هاي قابل تأمل باشد . لازم به ذكر است كه به طور معمول دو تلقي از لفظ مواد افزودني وجود دارد.يكي افزودني (Additive) كه در مقادير بسيار ناچيز در حدود p.p.m مورد استفاده قرار مي گيرد و ديگر عامل اختلاط (Blending Agent) كه در حد چند درصد به سوخت افزوده مي شود. در اين پروژه گروه اول از مواد افزودني موردنظر است، حال آنكه از گروه دوم مي توان به MTBE اشاره كرد كه به عنوان جايگزين تترا اتيل سرب براي بهبود عدد اكتان مورد استفاده قرار مي گيرد. ماهيت عملكرد اين مواد افزودني بهبود عملكرد احتراق به صورت مستقيم يعني با دخالت در واكنش هاي احتراقي يا با ايجاد تغييرات در عواملي است كه قادرند از طريق تغيير در خواص فيزيكي منجر به افزايش راندمان احتراق شوند. در اين مرحله، شناسايي كارآيي مواد افزودني گوناگوني موردنظر است كه در سطوح ملي و جهاني و از طريق فراخوان شناسايي شده اند. چون پيش از اين انگيزه اي در سطح ملي براي سرمايه گذاري در اين زمينه وجود نداشته است، توقع گرفتن پاسخ از داخل كشور كمتر است و عمده پيشنهادها از طريق شركت هاي توانمند بين المللي دريافت شده اند.بي ترديد درصورت رسيدن به نتايج مثبت، امكان برنامه ريزي براي توليد داخلي در آينده وجود دارد.برنامه بر اساس اجراي آزمايش هاي كنترلي تدوين شده است كه بتوان ضمن كاهش مصرف ، از عملكرد صحيح موتور با سوخت حاوي ماده افزودني از جهات مختلف، از جمله توان خروجي، جنبه هاي زيست محيطي،عدم تأثير سوء در دراز مدت و موارد مشابه اطمينان حاصل نمود.
• سخن آخر
سخن آخر، لزوم مشاركت بخش هاي گوناگون صنعت با دانشگاه براي رسيدن به موفقيت است. صنعت و دانشگاه نمي توانند به صورت منفرد داعيه موفقيت داشته باشند. وظيفه دانشگاه نه تنها مشاركت در توسعه علمي و صنعتي است، بلكه تربيت نيروهاي كارآمدي است كه بتوانند در عرصه صنعت كوشا باشند. اين مهم تنها با حضور فعال دانشجويان مستعد در پروژه هاي واقعي صنعتي مقدور است، تجربه اي كه دنياي صنعتي به خوبي طعم شيرين ثمرات آن را چشيده است. نكته ديگر آنكه سپردن بودجه هاي صنعتي به دست سازمان ها و شركت هايي كه فاقد انگيزه لازم براي صرف مناسب آن هستند به تضييع اين بودجه ها خواهد انجاميد و بالاخره بايد توجه داشت كه صرف همكاري دانشگاه با صنعت، بدون حضور مستمر متخصصان صنعت در بطن پروژه هاي پژوهشي ثمري نخواهد داشت. مشاركت كارشناسان زبده صنعت،منجر به هدايت پروژه ها در مرحله اجرا به سوي نيازهاي اساسي صنعت خواهد گرديد