اثر هوای اضافی دراحتراق

احتراق
تعریف:
احتراق یک عمل ترکیب شیمیایی است که عناصر مختلف با اکسیژن انجام می دهند، گاه این احتراق محسوس و با شعله و دود همراه است و گاه بصورت نامحسوس، بهر حال در این فعل و انفعالات گرما تولید می شود که در حقیقت هدف اصلی ما از عمل احتراق ایجاد این حرارت است، این عمل در نیروگاه ها در کوره دیگ بخار انجام می شود و سعی می شود نحوه این احتراق بقسمی باش که حداکثر راندمان حرارتی بدست آید

با توجه به تجاربی که در طول سالیان متمادی بدست آمده و بکاربردن روشهای متفاوت در فهم چگونگی احتراق بهترین نتایج موقعی بدست می آید که این آزمایشات و تجربیات با اطلاعات درستی از تئوری اصول احتراق توام باشد. امروزه بدست آوردن حداکثر مقدار حرارت از سوخت بیش از گذشته مورد لوزم می باشد. و در نتیجه دیگ های بخار مدرن طوری طرح می شوند که بخوبی حرارت را جذب کنند تا راندمان دستگاه ها بالاتر رود.

از نظر فعل و انفعالات شیمیائی احتراق در کوره دیگ بخار یک موضوع پیچیده ای است که خارج از بحث این فصل می باشد، ولی در اینجا اطلاعاتی از اصول اولیه و تغییرات شیمیایی در نتیجه ترکیب اکسیژن یا عناصر قابل احتراق سوخت منجمله کربن، ئیدروژن، گوگرد که برای فهم احتراق سوخت ها لازم است ذرک می گردد.

تمام اجسام از موادی ساخته شده اند که بعنوان عناصر شیمیائی شناخته می شوند اگر این عناصر را به قسمتهای کوچکتری تقسیم نمائیم خاصیت خد را از دست نمی دهند و در صورت ادامه این عمل به یک ذره یا اتم آنها می رسیم، کربن آهن، اکسیژن، جیوه، گوگرد، طلا و مس نمونه هائی از عناصر شیمیائی هستند.

اگر چند تا از این عناصر شیمایئی مثل کربن، گوگرد و اکسیژن را با هم در یک ظرف مناسب قرار دهیم و ظرف را بشدت تکان دهیم، در نتیجه یک جسم ابر مانندی در ظرف بدست می آید ولی ذرات زرد رنگ گوگرد و سیاه رنگ ذغال هنوز می توانند بصورت ذرات مجزا تشخیص داده شوند، در صورتیکه ظرف را در محلی آرام قرار دهیم ذرات سولفور کربن از هم مجزا می شوند

و اکسیژن نیز بطور مجزا قرار می گیرد و دیده می شود که هر سه عنصر بحالت اولیه باقی می مانند. این نوع عمل را مخلوط کردن می گویند که چند عنصر اب هم مخلوط می شوند بدون اینکه تغییری در عناصر پیدا شود و دوباره می شود! این عناصر را براحتی از هم جدا کرد.

حالا فرض کنید که بلافاصله پس از مخلوط کردن کربن و گوگرد و اکسیژن مخلوط را آتش بزنیم شعله ای بوجود خواهد آمد و در نتیجه مقداری حرارت آزاد خواهد شد و یک واکنش شیمیائی رخ خواهد داد.

در بررسی نتایج این آزمایش متوجه خواهیم شد که اجسام جدیدی داریم که خواص عناصر اولیه را ندارد و این اجسام را ترکیبات شیمیایی گویند که اجسامی هستند دارای ۲ یا تعداد بیشتری عنصر شیمیایی که بطور شیمیایی با هم ترکیب شده اند، آب و نمک وگاز کربنیک مثالهائی از ترکیبات شیمیائی هستند.

کوچکترین مقدار یک عنصر یا یک ترکیب شیمیائی را که می تواند بطور جداگانه وجود داشته باشد و بعنوان یک واحد شیمیائی از جسم بکار رود مولکول می نامیم. هر مولکول بنوبه خود از اتمها تشکیل شده است، بزبان دیگر اتمها با هم ترکیب شده اند و مولکوها را بوجود آورده اند. اتم کوچکترین واحد یک عنصر است می تواند در یک ترکیب وارد یا از آن خارج شود.

مولکول گازهائی مثل اکسیژن، ازت و ئیدروژن هر کدام شامل دو اتم می باشند عمل شیمایی که قبلا ذکر شد ترتیبی است از اتمهای عناصر کربن و گودگرد و اکسیژن که با هم ترکیب شده و مولکولهای مختلفی بوجود می آورند.

مخلوط شیمایئی ممکن است از دو یا چند عنصر ساده تشکیل شده باشد و براحتی بتوان آنها را مجددا از هم جدا کرد، و یا می توان مخلوطی ز چند عنصر ساده و چند جسم مرکب بدست آورد.
چنانچه ترکیبات شیمیائی فوق که در کوره انجام می پذیرد از نظر تعداد ملکول گرم جسم قابل اشتعال و جرم ملکولی آن و حجم گاز قابل اشتعال مورد بررسی قرار گیرد.

با دانستن درصد ملکولی گازها و مواد قابل اشتعال درصد گازهای حاصل و سایر مشخصات از روی جدول بدست می اید مثلا گوگرد در واحد حجم مواد قابل اشتعال ۳/۰ مول باشد مقدار اکسیژن لازم و گاز انیدرید سولفورو حاصل نیز در این عدد ضریب خواهد شد.

برای اندازه گیری مقدار درصد SO2 از طریق زیر می توان کنترل نسبتا دقیقی برای آن بوجود آورد:
در دو طرف یک رینگ عایق الکتریسیته دو تکه رینگ غیرقابل عایق قرار می دهیم و از طریق یک پیل و امپر متر ماری مطابق شکل زیر تشکیل می دهیم و از طریق یک پیل و آمپر متر مدرای مطابق شکل زیر تشکیل می دهیم

هنگامه گاز SO2 موجود د رگازهای داغ همراه با بخار آب بصورت یک لایه نازک اسیدی روی رینگ غیرعایق قرار گیرد جریان الکتریسیته از مدار عبور کرده و آمپر متر مقدار این جریان را نشان می دهد هر چقدر درصد SO2 در نتیجه ضخامت لایه اسیدی بیشتر شده آمپر مترجریان بیشتری را نشان می دهد و می توان بر حسب درصد SO2 آمپر متر را درجه بندی نمود.

یادآوری:
می دانیم که وزن اتمی ئیدروژن راکه سبک ترین عناصر بشمار می آید برابر یک فرض شده است لذا می تان وزن اتمی سایر عناصر را نسبت به هیدروژن بدست آورد و با توجه باینکه در کی واکنش شیمیایی که یک ترکیب تازه ای را بوجود می آورد چنانچه نسبت های معینی از عناصر با م ترکیب شوند ملکولهای تازه ای با خاصیت جدید ایجاد می شوند، لکن در مطالعه احتراق فرض بر این است ه اتمهای هر عنصر دارای وزن اتمی یکسان می بشاند و وزن ملکول تشکیل دهنده آنها برابر مجموع وزن اتمهای آن باشد.

حال می توان برای هر مقدار سوخت درصد کربن را مشخص و سپس اکسیژن لازم را تعیین نمود، در نتیجه هوای لازم را مشخص نمود. هوائی که واقعا در احتراق لازمست مورد بحث ما می باشد. فرض کنید می خواهیم مقدار هوای لازم برای سوختن کامل یک گرم کربن را پیدا کنیم میدانیم که هوا دارای ۲۳% اکسیژن و ۷۷% نیتروژن و گازهای دیگر است لذا بعد از محاسبه وزن اکسیژن باید مقدار هوا با توجه به درصد اکسیژن حساب گردد می توان گفت مقدار اکسیژن لازم گرم است

لذا وزن هوای لازم :
گرم
خواهد شد. چنانچه اکسیژن از مقدرا لازم کمتر باشد نتیجه ایجاد اکسید و کربن خواهد بود.
مقدار هوای لازم جهت احتراق همیشه به ترکیب شیمیائی سوخت ودرصد عاصر تشکیل دهنده دارد مثلا برای محاسبه هوای احتراق اگر نفت ۸۵% کربن و ۱۲ درصد هیدروژن ۳% گوگرد داشته باشد برای احتراق ۱۲ کیلوئیدروژن ۹۶ کیلوگرم اکسیژن و برای ۸۵ کیلوگرم کربن تقریبا ۲۲۷ کیلواگکسیژن وبرای احتراق سه کیلوگرم گوگرد ۳ کیلو اکسیژن لازم است لذا معلوم می شود که ۱۰۰ کیلوگرم سوخت ۳۲۶ کیلو اکسیژن و در نتیجه کیلو هوا لازم است.

احتراق کامل
در احتراق کامل فرض می شود که مقدار معینی از عنصر با اکسیژن ترکیب می شود در عمل احتراق اکسیژن را از هوای محیط بدست می آورند که شامل ۲۳% اکسیژن و ۷۷% درصد ازت است اکسیژن و ازت با هم بحالت ترکیب نیستند و در احتراق براحتی از هم جدا شده و اکسیژن با سوخت ترکیب می شد و ازت بهمان حالت اولیه باقی می ماند.

تجربه نشان می دهد که با مصرف مقداری از هوا که دقیقا شامل همان مقدار اکسیژن باشد که لازم داریم احتراق کامل بدست نخواهد آمد زیرا برای ترکیب اکسیژن با عناصر سوخت باید مولکول های اکسیژن با اتم سوخت درتماس واقعی فیزیکی باشند، اما علاوه بر مولکول های اکسیژن موجود چهار برابر بر آن مولکولهای ازت نیز در محیط موجودند که باحتراق کمک نمی کنند و سبب می شوند

که مولکول های اکسیژن نتوانند بخوبی با اتم های سوخت تماس بگیرند، ضمنا همانطور که احتراق صورت می گیرد و عمل احتراق ادامه پیدا می کند از مقدار مولکول های آزاد اکسیژن کاسته شده و علاوه بر ازت مولکول های H2. SO2. CO2 نیز در محیط خواهیم داشت.

در این شرایط تماس مولکول های اکسیژن با بقیه اتم های عناصر سوخت مشکل تر می شود بنابراین در عمل احتراق کامل موقعی صورت می گیرد که مقدار هوائی بیشتر از مقدار هوای تئوری مصرف کنیم، بهترین شرایط عمل پیدا کردن تعادل بین اتلاف واحدهای حرارتی که توسط هوای اضافه بیرون برده می شود می باشد.

اثر هوای اضافی:
علاوه بر مقدار هوای مجاز که اجازده داده می شود داخل کوره دیگ بخار شود مقداری هوای اضافه از طریق بدنه دیگ که خوب آب بندی و محکم نشده داخل کوره دیگ می شود، چنانچه هوای اضافه حرارت را با خود بیرون برد مقدار هوای اضافه را باید هر چه ممکن است کمتر گرفت و بدنه دیگ بخار نیز باید محکم بوده و آب بندی باشد که اپراتور بتواند مقدار هوای ورود کوره را کنترل کند، شکل ۹۹ لزوم اختلاط مناسب اکسیژن و سوخت را شرح می دهد.

باید بخاطر داشتکه پس از احتراق، سوخت می تواند یک مقدار ماگزیمم حرارت آزاد کند که تمام هوای اضافه بعلاوه ازت موجود در هوای تئوری حرارت حاصله را جذب و درجه حرارت کوره را کاهش داده و حرارت را با خود به دودکش می برند، پس بیش از حد نمی توانیم هوای اضافه وارد کوره کنیم و مقدار هوای اضافه که در عمل باید به احتراق کمک کند حائز اهمیت است.

اگر هوای اضافه موجود نباشد مقدرای از سوخت بطور کامل محترق نمی شود. و از مقدار حرارت که باید بدست آید کاسته می شود و اگر هوای اضافه تربه کوره رسانده شود هوای باقیمانده پس از احتراق در عبور از کوره مقداری حرارت جذب کرده و با خود به دودکش می برد. دیاگرام اثر هوی اضافه و نیز درجه حرارت دود را روی اتلاف حرارتی محسوس در دود حاصله نشان می دهد.

مسئله اینست که در عمل چقدر هوای اضافه باید وراد دیگ بخار کرد؟ برای بدست آوردن جوب این مسئله باید دود حاصل را بوسیله دستگاه بنام orsat instrument تجزیه و تحلیل کرد. این دستگاه درصد حجمی اکسیژن آزاد (و هوای اضافه) کربن دی اکسید (انیدرید کربنیک) و اکسید کربن( کربن منواکسید) را در دود حاصله از احتراق نشان می دهد

و همزمان با اندازه گیری بااین دستگاه مقدار CO2 را از تابلودیگ بخار نیز می خوانند. در این موقع با توجه به اینکه CO یا ئیدروژن یا CH4 موجود نسبت مقدار CO2 باید بیشترین مقدار ممکن را داشته باشد. CH4 که در ترکیب ئیدروژن و کربن بدست می اید متان نامیده می شود.

تمام این گازها اگر در دود حاصله موجود باشند بوسیله دستگاه نشان داده می شوند و متناوبا باید مثادیر فوق را از دستگاه خواند تا بتوان مقدار CO2 را با فرستاندن مقدار صحیح هوا(مجموع تئوری و اضافه) برای مقدار معین سوخت به مقدار ماگزیمم رسانید.

لذا می توان چنین نتیجه گرفت که مقدار CO2 که از تابلو دیگر بخار خوانده می شود راهنمای دقیقی است که مقدار هوای اضافی را از روی آن تشخیص دهیم.

در سیستم های جدید بجای کنترل در صد گاز کربنیک مقدار درصد اکسیژن را اندازه گیری می نماید در عمل اگر مقدرا CO2 زیاد باشد مقدار هوای اضافی کم است در نتیجه مقدار زیادی کربن پس از سوختن به CO تبدیل می شود و انی عمل باعث اتلاف حرارتی در حدود یک چهارم حرارت قابل جذب موجود در کربنی است که هنگام سوختن به CO تبدیل می شود.

همچنین در اثر این عمل سرعت احتراق کم خواهد بود. و احتمالا مقداری از کربن منواکسید در مسیر دوئد سوخته و به کربن دی اکسید تبدیل می شود و سبب حرارت بیشتری می گردد از این احتراق ناقص باید جلوگیری کرد.

عوامل دیگر اتلاف حرارت عبارتند از:
۱- احتراق ناقص
۲- انتقال حرارت به دودکش توسط هوای اضافی

البته در احتراق کامل نفت، دودی تولید می شود که شامل CO2 و بخار و ازت است این ازت از هوای مصرفی باقیمانده و همچنین مقداری CO2 و CO3 بعلت سوختن گودگردی است که در نفت وجود دارد حاصل می شود.

مقدار بخار آب در دستگاه سنجش CO2 نشان داده نمی شود و بنابراین بخار آب روی درصد CO2 اثری ندارد، ئیدرژن سوخت برای احتراق احتیاج به هوا دارد و ازت این هوا که پس از احتراق باقی می ماند باعث رقیق شدن دود حاصله شده و باعث می شود که درصد O2 پائین بیاید، درصد تئوری CO2 معمولا برای سوختهای نفتی حدود ۸/۵ % است.

مقداری هوای اضافه نه تنها از نقطه نظر احتراق مهم است بلکه از نقطه نظر اثر آن در تشکیل اسید سولفوریک نیز مهم است. اگر هوای اضافه خیلی زیاد باشد. مقدار CO3 افزایش خواهد یافت که از O2 بدست می آید که به نوبه خود با آب ترکیب شده و اسید سولفوریک حاصل می شود.

این اسید در روی سطوح سرد دیگ بخار مخصوصا گرمکن ها نشست کرده و باعث خورندگی سریع آنها می شود. البته اگر درجه حرارت دود را بالاتر از نقطه شبنم نگه داریم از اثر اسید جلوگیری می شود ولی این مسئله سبب افزایش اتلاف حرارتی دود می گردد.

اگر مقدار درصد CO2 زیاد باشد در نتیجه مقدار کمی هوای اضافه در کوره وجود دارد و اکسیژن آزاد که تبواند با گوگرد ترکیب و SO2 و SO3 بدهد کم است و در نتیجه مقدار اسید سولفوریک نیز کم است.باید توجه داشت که مقادیر زیاد CO2 فقط در کوره های مدرن که تماما از لوله درست شده اند امکان پذیر است چون کوره تحت چنین شرایئطی خیلی داغ تر خواهد بود.

مقدرا هوای اضافه که مصرف می شود روی درجه حرارت سوپرهیت نیز اثر دارد در ج ائیکه سوپرهیت نصب شده است درجه حرارت سوپرهیت بعلت افزایش جریان گاز در اثر هوای اضافه بیشتر افزایش خواهد یافت با وجود انی در سوپرهیت تشعشعی هوای اضافه بیشتر، درجه حرارت سوپر هیت را پائین می اورد، چون درجه حرارت کوره پائین تر خواهد بود.

سیستم اندازه گیری CO2
میزان گاز کربنیک موجود در دود را می توان بدو طریق اندازه گیری نمود:
۱٫ جذب شیمیائی
۲٫ اندازه گیری ضریب هدایت حرارتی

در مورد جذب شیمیائی مقداری از دود را از داخل محلول ئیرواکسید پاسیم عبور می دهد واین محلول CO2 را در خود جذب می کند ولی عیب آن اینست که ئیدرژن موجود در سوخت روی رقم بدست آمده اثر می گذارد زیرا موقعی که ئیدرژن می سوزد آب تولید شده که این آب روی اندازه گیری CO2 نشان داده نمی شود حتی ازت موجود در هوائیکه برای سوزاندن ئیدرژن بکار می رود نیز تا اندازه ای اثر دارد زیرا CO2 را رقیق کرده و در نتیجه درصد کمتری را نشان می دهد

چگونگی ساختمان این دستگاه که به تابلوی دیگ بخار نصب می شود چنین است:
این دستگاه در زمانهای معین و بطور اتوماتیک از گاز های دود نمونه گیری می نماید بنابراین برای دقت عمل مرتبا باید ئیدرات پتاسیم را تعویض نمود، د رابتدا این مقدار دود توسط پمپ جیوه مکیده شده و از ئیدرات پتاسیم عبور می کند در نتیجه حجم آن کاهش پیدا کرده

و سپس از یک وسیله اندازه گیری حجم عبور می نماید و در آنجا حجم بقیه گازها معلوم شده و کاهش حجم روی صفحه مخصوص و مدرج بر حسب درصد CO نشان داده می شود، این دستگاه شامل قسمتهای زیر می باشد.

۱٫ یک پمپ جیوه که از طریق یک جعبه دنده توسط یک موتور الکتریکی حرکت می کند.
۲٫ دستگاه سنجش حجم که حجم گاز مورد نظر را اندازه گیری می نماید.
۳٫ اطاق جذب که شامل ئیدرات پتاسیم بوده و CO2 را از گاز جدا می کند.
۴٫ قسمت اندازه گیری حجم که مقدرا حم بقیه گازها را پس از جذب CO2 اندازه می گیرد این اندازه گیری توسط یک میله به ثبات منتقل می شود.

پیستون پمپ جیوه به آرامی پائین می آید و سبب می شود که سطح جیوه در دستگاه سنجش حجم، لوله توقف و سیلندر پمپ بالا برود. موقعی که پیستون به نقطه تحتانی حرکت خود میرسد متور الکتریکی توسط یک کلید جیوه ای قطع می شود، حالا دستگاه سنجش حجم پر از جیوه است، در این حال جیوه پمپ سبب حرکت پیستون بطرف بالا می شود

و با بالا رفتن پیستون سطح جیوه دستگاه سنجش حجم پائین می اید و سبب می شود که گاز مورد آزمایش بداخل دستگاه کشیده شود، ورود گاز از طریق یک شیر دو راهه جیوه ای صورت می گیرد.

با رسیدن پیستون به انتهای فوقانی حرکت خود، دستگاه سنجش حجم پر از گاز مورد آزمایش است و انتهای لوله داخلی لوله توقف بیرون از جیوه قرار می گیرد.

پمپ بهوسیله کلید جیوه ای دو مرتبه روشن می شود و پیستون مجددا بطرف پائین در داخل جیوه حرکت می کند، گاز نمونه داخل دستگاه سنجش حجم از طریق شیر دو راهه جیوه ای و شیر یکطرفه بداخل اطاق جذب رانده می شود و CO2 در ئیدرات پتاسیم جذب میوشد، گاز باقیمانده به لوله توقف کرده و از انجا به فصای جو، خالی میشود،

این عمل تا موقعی ادامه پیدا می کند که انتهای لوله داخلی بیرون از جیوه قرار گیرد. موقعی که مقدار صحیح گاز در دتسگاه سنجش حجم قرار دارد، بالا رفتن جیوه در لوله توقف انتهای لوله داخلی آنرا می پوشاند و از فرار کردن گاز بطرف جلو، پیشگیری می کمند حالا گاز به طرف دستگاه اندازه گیری حجم رانده می شود

و در اثر بالا رفتن حباب وارونه درصد CO2 روی صفحه مخصوص مشخص می شود، همچنین مقادیر قرائت شده درصد CO2 بطور الکتریکی روی تابلو کنترل انتقال می شود. دستگاه سنجش درصد CO2 از طریق سنجش ضریب هدایت بطور الکتریکی گرم می شوند.

یکی از سلولها پر از هوا می باشد و گازهای دود محل نمونه گیری بطور مداوم از سلول دیگر عبور می کنند، وجود CO2 در گازها اثر خنک کنندگی روی سیم پلاتین دارد که سبب تغییر مقاومت آن میشود. با مقایسه مقاومت این سیم با مقاومت سیمی که در سلول هوا قرار دارد اثر را می توان اندازه گرفت و آنرا بر حسب درصد CO2 روی صفحه مدرج دستگاه نشان داد.