احتراق، اشتعال و مشعل بویلر

موازنه معادله احتراق متان

مهندسان از روش موازنه معادلات برای تعیین مقدار انرژی سوخت بهره می‎گیرند. آیا به خاطر دارید در مقاله بررسی فرایند احتراق گفتیم سوختن و اشتعال یک پوند کربن ۱۴.۰۹۶BTU انرژی آزاد می‎کند؟

۰.۷۵ متان را کربن تشکیل می‎دهد پس هر پوند متان ۱۰.۵۷۲BTU انرژی آزاد می‎کند .(۱۴.۰۹۶*۰.۷۵) همین طور ۲۵% هیدروژن (^۴/_۱۶ *۶۱.۰۳۱)۱۵.۲۵۷BTU انرژی دارد. مجموع این۲ مقدار ، ۲۵.۸۲۹BTU/LB ، ارزش احتراقی متان است. می‎دانیم که این با باورهای شما چندان منطبق نیست. ما همیشه شنیده‎ایم که گاز طبیعی ۱۰۰۰BTU/FT^۳ انرژی آزاد می‎کند. علت آن سنجیدن کمیت بر حسب حجم (FT^۳) است.

برای محاسبه دقیق دود و انرژی حاصل از سوختن چه باید کرد؟

زمانی که مهندس می‎خواهد مقدار دقیق دود و انرژی حاصل از سوخت و مقدار نسبت به هوا سوخت را تعیین کند باید آنالیز کلی را انجام دهد. این آنالیز مقدار کربن، هیدروژن، گوگرد و ارزش حرارتی سوخت را مشخص می‎کند.

من هنوز علت این را که چرا تکه های بزرگ چوب به سرعت مشتعل نمی‎شوند، توضیح نداده‎ام. علاوه بر این اصل که تکه های بزرگ تمام گرمای کبریت را بدون این که گرم شوند می مکند، محدودیت قابلیت اشتعال پذیری نیز در این امر دخیل است.

علت روشن نشدن آتش

اگر مقدار کافی گرما به مخلوط سوخت و هوا اضافه شود مقداری از آن می‎سوزد. آنچه باید انجام دهیم این است که مخلوطی از سوخت و هوا تهیه کنیم که علاوه بر سوختن گرمای مورد نیاز ادامه فرآیند سوختن را نیز تامین کند.

جهت انجام فرایند سوختن دو اصل لازم است:

1. اول این که مخلوط سوخت و هوا باید در گستره اشتعال پذیری باشد
2. دوم سوخت شما باید آماده احتراق باشد.

کار سخت طراحان این واحد ها مطمئن شدن از برقراری این شرایط است.

گستره اشتعال پذیری چیست؟

تقریبا چیزی شبیه گستره انفجار پذیری است. به طوری که مخلوط سوخت و هوا طوری باشد که اشتعال ادامه یافته و نیاز به اعمال حرارت خارجی نباشد. هر بار که مشعل را روشن می‎کنیم، مخلوط انفجار پذیری از سوخت و هوا به وجود می‎آوریم. علت عدم انفجار این است که مخلوط به سرعت می‎سوزد. اگر نسوزد و انتقال مخلوط ادامه یابد داستان به کلی فرق خواهد کرد.

بررسی گستره اشتعال پذیری در عکس زیر

نمایی از گستره اشتعال پذیری سوخت در شکل پایین ارایه شده است.

انتهای سمت چپ گراف هوای خالص است و هیچ مخلوطی از سوخت وجود ندارد. انتهای سمت راست نیز سوخت خالص بدون هوا است. مقادیر سوخت و هوای مخلوط در طول گراف همان طور که توسط دو مثلث نشان داده شده تغییر می کند. خط نازک وسط این نوار نقطه استویکیومتریک است که در آن احتراق کامل انجام می شود. مخلوط طرف چپ این نقطه مخلوط رقیق گفته می شود زیرا مقدار سوخت از آنچه برای احتراق کامل لازم است کم تر می باشد. در قسمت سمت راست شرایط برعکس بوده  و سوخت بیشتر است. به خاطر داشته باشید که واحد مورد استفاده پوند هوا به پوند سوخت است نه حجم، سطح ها شور گستره اشتعال پذیری است و فقط در این محدوده، شعله خودنگه دارنده بود.

نسبت سوخت هوا (گستره اشتعال پذیری)

در هر دو انتهای این رینج که گستره انفجاری هم خوانده می شود، در حد اشتعال پذیری قرار دارد.

 LEL و UEL  یعنی چه؟

بخشی که با افزایش کم ترین مقدار هوا اشتعال پذیری آن از بین می‎رود حد انفجاری پایین (LEL) خوانده می‎شود. بخشی هم که در آن با افزایش سوخت احتراق منحل می‎شود، حد انفجاری بالا نام دارد.

(UEL) اگر قدری فکر کنید می بینید که وجود گستره اشتعال پذیری ضروری است. زمانی که فکر می‎کنید می‎بینید که مخلوط هوا و سوخت را در این گستره باریک برسانید، پایدار نگه داشتن اشتعال کوره چندان هم راحت نیست.

قرار دادن مخلوط در گستره اشتعال پذیری، تنها معیار در کوره بویلر نیست. تنها راه سوختن پایدار و مداوم شعله، شروع از UEL است. یعنی نقطه ای که اشتعال شروع می‎شود جایی است که مخلوط هوا و سوخت از قسمتی که سوخت بیشتر بر مخلوط حاکم است به گستره انفجاری عبور می‎کند. هنوز هم نگاه کردن از دریچه بازدید به داخل کوره پر از ذغال سنگ اتمیزه و هوا که مثل مه به نظر می‎رسید به خاطر دارم. می‎توانستم شعله درخشان جرقه زن را در مه ببینم ولی ذغال سنگ آتش نمی‎گرفت. من خیلی نگران از این بودم که هر لحظه ممکن است انفجاری رخ دهد.

علت احتراق بویلر نا فرجام چیست؟

احتراق بویلر نافرجام به علت عدم وجود سوخت بیش تر دقیقا در زمان عمل جرقه زدن پیش آمده است. معمولا این مشکل به خاطر خیلی بیشتر بودن مقدار سوخت در مخلوط و نرسیدن جرقه زدن به نقطه ای است که UEL در شرف شروع عملیات است. در سایر موارد، آتش روشن می‎شود و حرارت حاصل جرقه را به داخل مخلوط ورودی به کوره می‎راند تا این که آتش به نقطه‎ای می رسد که باز هم سوخت بیش تر شده و آن را خاموش می‎کند. سپس به خاطر این که کوره گرم است، هوا و سوخت مجددا مخلوط شده و به گستره اشتعال پذیری رسیده و روشن شده و آتش به طرف مشعل می‎رود. این وضعیت را ناپایداری می‎خوانیم.

اینجا محلی است که من به اپراتورهای بویلر می‎گویم نباید همیشه از مهندس تعمیرات تقلید کنند. این یک تمرین استاندارد برای مهندسان تعمیرات است تا به صورت دستی ورود سوخت به کوره را در زمان روشن کردن مشعلی که تنظیم کرده‎اند کنترل نمایند. این کار به خاطر این است که از مخلوط مطمئن نیستند و با دست شیر را کنترل و مشعل را سریع‎تر از سیستم ایمنی شعله قطع می‎کنند.

مزیت تعامل بین طراحان و تکنسین‎های واحد بویلر

یکی از عللی که توان و احتراق موجب توسعه تاسیسات بویلر و مشعل با کیفیت شد، تعامل بین طراحان و تکنسین‎های تعمیرات بود. آن ها هرگز در گفتن ایرادات تردید نکرده و در مواجهه با هر مشکلی که نمی توانستند حل کنند به طراحا نرجوع می‎کردند.

تجربیات “کن هسلتون” در طراحی بویلر

در دهه ۱۹۸۰ مدیر تعمیرات من مرد با شخصیتی به نام ELMER SELLS بود. ما با هم تعامل خوبی داشتیم چون هر دو غریبه بودیم. من در غرب ایالات نیویورک و او در غرب ویرجینیا بزرگ شده بودیم. ما در شرف آغاز به کار پروژه تبدیل سه بویلر نفت سوز به گاز سوز بودیم.

او با من تماس گرفت و از من خواست به مشکلی که پیش آمده رسیدگی کنم. من درست پس از وقت ناهار رسیده و دیدم که در مقابل بویلر بزرگ (دارای چهار مشعل با ظرفیت ۱۴۰۰۰۰PPH) نشسته است. او از من خواست تلاش خود را برای روشن کردن آخرین مشعل انجام دهم. همین که کنار مشعل مورد نظر رسیدم و دیدم که دریچه بازدید باز است کنار او نشسته و آن را استارت کردم.

جرقه زدن گازی – الکتریکی به خوبی عمل کرد اما تاخیر کوتاهی پس از این که آخرین شیر اصلی گاز را باز کردم وجود داشت. مشعل روشن شد، بویلر لرزید و شعله ای به طول حدود ۹ فوت از دریچه به بیرون هجوم آورد. انگشت خود را به سمت کلید خاموش بردم که در همین حین متوجه شدم بویلر به طور نرمال کار می کند. بعد به المر نگاه کردم که زانو زده بود. من متوجه اشتباهم شده و دوباره مشغول شدم. امروز همان مشعل‎ها به خوبی در حال کار هستند.

درسی که از این تجربه می‎گیریم:

این است که خامی اشتعال شکل دیگری از انفجار است و نباید سهل انگاری نمود.

تنظیم مشعل را به هر کسی نسپارید!!!!

در سال های اخیر با تاسیساتی مواجه شده ام که پیمان کار نصب تجهیزات نتوانسته شعله استانداردی به وجود آورد و با گفتن این که این فقط یک پف معمول در هنگام استارت مشعل است، محل را ترک نموده است. هرگز معنی پف را هیچ چیزی غیر از انفجار قبول نکنید. پف انفجار با تخریب محدود است. هر بار بروز چنین رویدادی باید یک هشدار برای شما باشد که نباید به سادگی از کنار آن بگذرید چون دیر یا زود عامل آن تقویت شده و انفجار مخربی حادث خواهد شد.

علت انفجارها و همچنین پف چیست؟

این نتیجه مستقیم تجمع مخلوط قابل اشتعال است. هیچ اشتباهی در این خصوص مرتکب نشوید. وقتی سوختی را می‎سوزانید در حال ایجاد مخلوط انفجاری هستند زیرا هیچ تفاوتی بین مخلوط سوخت و هوا و مخلوط انفجاری وجود ندارد. عاملی که می‎توانیم بویلر  را به طور ایمن روشن کنیم این است که مخلوط انفجاری را با همان سرعتی که تولید می‎کنیم بسوزانیم.

در غیر این صورت با انفجار مواجه خواهیم شد. وقتی چنین تجمع مخلوطی آتش بگیرد با سرعت بسیار زیادی سوخته و این انفجار، موجی با نیروی ۱۸-۷۰PSIG تولید خواهد کرد. انفجارهای کوچکی که آن را پف می‎گوییم تجمع کوچکی از مخلوط انفجاری است که توان تخریب جندانی ندارد.

پدیده پف چه زمانی اتفاق می‎‎افتد؟

همیشه اجتناب از همچین پیش آمد هایی ممکن نیست. این شرایط وقتی سیستم مشعل ایراد دارد(راهنمای تنظیم مشعل) یا به طور دقیق تنظیم نیست اتفاق خواهد افتاد. گرفته شدن اوریفیس مشعل‎ها با مواد، لغزش اتصالات، خرابی تنظیم کننده ها(رگلاتورها) و بسیاری اوقات هم مجموع چند اشکال کوچک می‎تواند از احتراق مطلوب جلوگیری کند.

اپراتورها باید در عملکرد خود بسیار دقیق باشند زیرا طبق آمار، ۳۴% انفجار های بویلر مربوط به خطای اپراتور و نگه داری است. سعی کنید تنظیمات را با آگاهی و به طور دقیق و کامل انجام دهید. در غیر این صورت تکنسین تعمیرات را خبر کنید.