آلودگی هوا و راهکار فیلتر و مبدل های کاتالیستی وسایل نقلیه (۲)

در یادداشت قبلی که در لینک زیر اشاره شده است؛ به تعاریف آلودگی هوا، ذرات معلق و منابع ایجاد آن ها پرداخته شد.

آلودگی هوا و راهکار فیلتر و مبدل های کاتالیستی وسایل نقلیه (۱)

عمده آلودگی های ناشی از وسایل نقلیه شامل احتراق ناقص و ناخالصی های موجود در سوخت می باشد. گرچه در حالت بهینه می بایست سیستم احتراق به نحوی طراحی گردد که اساسا آلاینده های بسیار کمی تولید و این میزان کم بدون آسیب چندانی وارد محیط شوند؛ لیکن با فناوری های فعلی مبتنی بر احتراق، حذف کامل آلاینده ها غیر ممکن است و پالایش گازهای خروجی برای کاهش آلاینده ها اهمیت زیادی دارد.

استفاده از مبدل های کاتالیستی و فیلتر روش بهینه برای کاهش آلاینده های خودرویی است که توضیحات فنی در ادامه ارائه می گردد.در تصویر زیر وضعیت کلان کاتالیست های خودرویی از حیث اندازه بازار و الگوی رشد نشان داده شده است.

بازار مبدل های کاتالیستی بر اساس برآوردهای مختلف حدود ۲۱ میلیارد دلار تخمین زده می شود. همچنین پیش بینی می شود که با توجه به سیاست های سخت گیرانه کشورهای مختلف در حوزه کنترل آلاینده های ناشی از وسایل نقلیه سبک و سنگین، وسعت بازار تا سال ۲۰۲۴ به ۳۰ میلیارد دلار افزایش یابد. در کنار فرصت های موجود برای توسعه بازار کاتالیست های خودرویی، می بایست تهدید خودروهای اکتریکی را نیز برای این صنعت در نظر گرفت.
بخش قابل توجهی از بازار کاتالیست های خودرویی در اختیار معدود تولیدکنندگان جهانی شامل BASF Interkat، Cummins، Cataler، Umicore، Tenneco و Johnson می باشد و کشورهای چین، هند، ژاپن و آلمان بیشترین مصرف را به خودشان اختصاص می دهند.

دسته بندی مبدل های کاتالیستی:
مبدل های کاتالیستی به دسته های مختلفی نظیر مبدل کاتالیستی سه منظوره (پایه سرامیکی و فلزی)، فیلترهای DPF، کاتالیست احیا انتخابی SCR و DOC تقسیم می گردند.

مبدل های کاتالیستی سه منظوره:
به طور کلی وظیفه پالایش گازهای آلاینده حاصل از احتراق موتورهای بنزینی را بر عهده دارند. دلیل استفاده از واژه سه منظوره، تصفیه گازهای آلاینده هیدروکربن های نسوخته، کربن منواکسید و اکسیدهای نیتروژن است. فرآیند تبدیل به واسطه فلزهای گران بهای PGM صورت می گیرد که بر روی پایه کاتالیستی تثبیت می گردد.
گازهای آلاینده اشاره شده به واسطه انجام واکنش بر روی سطح مبدل های کاتالیستی به بخار آب، کربن دی اکسید و نیتروژن تبدیل می گردند. فلزات گران بهای مورد استفاده ابتدا به صورت دوغاب (washcoat) تهیه و سپس لایه نشانی (coating) انجام می گردد. در ساخت انواع مبدل های کاتالیستی سه منظوره می توان از پایه سرامیکی یا فلزی استفاده نمود. پایه های فلزی در زمان کوتاه تری به حرارت مطلوب رسیده و از قضا بخش عمده آلاینده ها در لحظات سرد بودن کاتالیست رخ می دهد. لذا در مبدل های کاتالیستی فلزی این زمان به شدت کمتر است و میزان آلایندگی ها کمتر می گردد. از طرفی پایه کاتالیست های فلزی ضخامت کمتری نسبت به سرامیکی داشته و همین امر فضای باز برای عبور هوای حامل آلاینده ها را بیشتر می نماید. البته پایه فلزی معایبی همچون هزینه بالاتر و مقاومت حرارتی پایین تر نیز دارد.
به طور معمول در خودروهای سواری از پایه سرامیکی به واسطه هزینه پایین تر و ضربه پذیری کمتری که به پایه آن وارد می گردد و در موتور سیکلت از پایه فلزی به دلیل خواص فیزیکی نسبتا برتر و همچنین مقاومت مکانیکی بالاتر استفاده می شود. در تصویر زیر شماتیک فرآیند تولید نشان داده شده است.

فیلتر DPF
فیلتر های DPF یا همان diesel particulate filter در داخل اگزوز خودروهای دیزلی نصب می شود وظیفه پالایش ذرات معلق جامد موجود را بر عهده دارد. هر گونه فیلتر برای اینکه بتواند کارایی خود را حفظ کند، می بایست دائما پاکسازی شود که به آن عملیات احیا یا همان regeneration می گویند. در مرحله پاکسازی دوده جمع آوری شده در دمای بالا به خاکستر تبدیل می گردد و از اگزوز خارج می شود و یا فیلتر با شست و شو تمیز می گردد.

کاتالیست احیا انتخابی (SCR)
کاتالیست های SCR یا همان selective catalytic reduction به منظور تبدیل آلاینده NO_X استفاده می گردد. این کاتالیست از کاهش دهنده های گازی نظیر آمونیاک، آمونیاک محلول در آب و یا اوره برای افزودن به جریان خروجی استفاده می کند و گازهای آلاینده به آن جذب می شوند و بخار آب  به همراه گاز نیتروژن تولید می گردد. در صورت استفاده از اوره به عنوان احیا کننده در فرآیند، دی اکسید کربن تولید می شود.

 

• 

کاتالیست DOC
کاتالیست DOC یا همان diesel oxidation catalyst به منظور اکسید کردن آلاینده های گازی (هیدروکربن های نسوخته و کربن مونواکسید) به کار می رود و عملکرد آن مشابه کاتالیست سه منظوره خودرو می باشد. لازم به ذکر است که کاتالیست DOC می تواند حتی بخشی از گازهای آلاینده NO_X باقی مانده را نیز جذب نماید.

بر اساس توضیحات بالا می توان اینگونه جمع بندی نمود که ترکیب DPF، SCR و همچنین DOC می تواند تا حجم بسیار بالایی از ذرات معلق و آلاینده های گازی تولیدی در خودروهای سنگین و کامیونت را حذف نماید که عملکردی مشابه با کاتالیست های سه منظوره خودرویی دارد. نکته حائز اهمیت در عملکرد کاتالیست های اشاره شده، نبود گوگرد در سوخت می باشد. در واقع کاهش میزان گوگرد در سوخت های بنزین و دیزل، منجر به کاهش آلاینده دی اکسید گوگرد و ذرات معلق سولفاته می گردد. از طرفی گوگرد باعث سمیت کاتالیست شده و کاهش تاثیر سیستم کنترل نشر آلاینده های خودروهای دیزلی و بنزینی را به همراه دارد.
بر اساس تحقیقات انجام گرفته، تاثیرات گوگرد در سوخت استفاده شده در تولید ذرات معلق به مراتب بیش از آلاینده های گازی است. گوگرد موجود در سوخت حین طول احتراق اکسید می شود و دی اکسید گوگرد (SO2) تولید می نماید. مجددا مقداری از SO2 اکسید شده و سولفات (SO4) ایجاد می کند. آب و سولفات در کنار هسته کربن جمع می شوند و این امر میزان ذرات معلق را افزایش می دهد. بنابراین گوگرد سوخت تاثیر بسیار زیادی به ویژه بر روی ایجاد ذرات معلق می نماید.

استانداردهای مرتبط با آلایندگی های وسایل نقلیه
استاندارد اروپا: استاندارد اروپا خود نیز مشتمل بر ۲ دسته استاندارد مبتنی بر سوخت و آلاینده می باشد که در ادامه توضیحات آن ارائه می شود.
استاندارد اروپا برای سوخت:
علاوه بر مقدار گوگرد موجود در سوخت که یک شاخص مهم است، میزان زیاد آروماتیک ها و اولفین ها باعث افزایش آلایندگی هیدروکربنی می شوند. از این رو مقدار بیشینه ای برای هیدروکربن های آروماتیکی و اولفینی در نظر گرفته می شود.

استاندارد سوخت یورو ۴ اروپا که در سال ۲۰۰۵ تعریف گردید. (حداکثر ۳۵ درصد آروماتیک، ۱۸ درصد اولفین، یک درصد بنزن، ۲.۷ درصد اکسیژن، ۵۰ ppm گوگرد و به طور کامل بدون سرب.)

استاتدارد سوخت یورو ۵ اروپا که در سال ۲۰۰۹ تعریف گردید. (حداکثر دارای ۳۵ درصد آروماتیک، ۱۸ درصد اولفین، یک درصد بنزن، ۱۰ ppm گوگرد و به طور کامل بدون سرب.

استاندارد آلایندگی اروپا: میزان بیشینه مجاز برای انتشار گازهای آلاینده (هیدروکربن های نسوخته، اکسیدهای نیتروژن و مونواکسید کربن) و ذرات معلق را اشاره می نماید. به طور استاندارد ۵ مرحله یورو ۱ تا یورو ۵ برای آلاینده ها و ذرات معلق در نظر گرفته شده است. حدود مجاز در این استاندارد بر اساس میزان وزن آلودگی خروجی به تفکیک آلاینده ها (بر حسب گرم) بر مسافت طی شده (بر حسب کیلومتر) و بر اساس گروه خودرو و نوع سوخت بیان می شود.

استاندارد EOBD:
استاندارد European on-board diagnostics، روشی برای نظارت بر آلایندگی خودرو می باشد که به جای روش معاینه فنی نسل قبل اروپا (مشابه معاینه فنی فعلی در ایران) ابداع شده است و دارای یک تعریف ساده بدین شرح است:
در صورت وجود هر گونه عیبی در سیستم، اگر خودرو تحت آزمون چرخه رانندگی قرار گیرد و در این حالت میزان آلاینده ها از حد مجاز بیشتر شود، آن گاه باید چراغ عیب روشن شود.

مرکز مطالعات زنجیره ارزش معتقد است، در حال حاضر عمر مفید کاتالیست های خودرویی ۵۰ تا ۶۰ هزار کیلومتر است و عملا پس از ۸۰ هزار کیلومتر کاملا پر شده و کارایی ندارد و همین امر میزان آلایندگی را تا ۵ برابر افزایش می دهد. به طور متوسط میتوان میزان عمر مفید یک کاتالیست تا ۴ تا ۵ سال دانست و پس از آن نیازمند تعویض می باشد.
با توجه به وجود ۲۲ میلیون وسیله نقلیه و ضرورت تعویض کاتالیست های خودرویی پس از طی مسافت اشاره شده، می بایست بستری برای ارائه تسهیلات ارائه گردد. بی شک ارائه تسهیلات می تواند گامی مهم به منظور کاهش آلاینده ها و ذرات معلق باشد.
خوشبختانه در حال حاضر چندین شرکت به طور جدی در حوزه کاتالیست های خودرویی فعالیت دارند، لیکن در بخش فیلتر DPF همچنان کشورمان با مشکلاتی مواجه است. به نظر شرکت های کاتالیست ساز در صنعت نفت و گاز به واسطه فعالیت ها و زیرساخت های مختلف می توانند به صنعت کاتالیست های خودرویی به عنوان شاخه ای از توسعه کسب و کار خودشان در طی سال های آتی نگاه نمایند و از این طریق شاهد اقدامات موثر تری باشیم.
علاوه بر این نیز می بایست به توسعه و آپگریدینگ پالایشگاه های کشور نیز توجه ویژه ای نمود. دلیل این موضوع در کیفیت سوخت استفاده شده می باشد و همان طور که اشاره گردید، سوخت بی کیفیت، عمکرد کاتالیست های خودرویی را به میزان بسیار زیادی کاهش می دهد.

 

لینک PDF یادداشت