بررسی فرایند احتراق

احتراق

بیشتر مصرف سوخت ما سوخت فسیلی است که منشا هیدروکربنی دارد. هیدروکربن‎ها بیش از ۹۰% انرژی مصرفی روزانه را از پروپان گرفته تا ذغال سنگ تولید می‎کنند. تمرکز ما بیشتر روی گاز طبیعی، نفت سبک، نفت سنگین و ذغال سنگ است.

تفاوت اصلی این سوخت‎ها در نسبت هیدروژن به کربن و سایر مواد موجود در آن است. با وجود این حقیقت که هیدرو کربن‎ها (چه گازی و چه جامد) به یک شکل سوخته و با اکسیژن ترکیب می‎شوند، انرژی را به صورت حرارت آزاد می‎کنند. اگر به رقم آنالیز کلی سوخت دقت کنید می‎فهمید که با افزایش مقدار کربن، سوخت سنگین‎تر و با افزایش هیدروژن سبک‎تر می‎شود. فاکتورهای دیگری هم دخیل است ولی ابتدا به خود احتراق می‎پردازیم.

برای تولید آتش چه عواملی باید وجود داشته باشد؟

برای تولید آتش باید سه عامل سوخت، اکسیژن و گرما گرد آید. ممکن است قطعات بزرگ چوب را گرد آورده و روی هم انبار کنید ولی هر قدر کبریت بزنید نمی‏‎توانید آن را شعله ور کنید زیرا عامل گرما را فراهم نکرده‎اید. برای این کار باید تکه‎های کوچک‎تر و سبک‎تر را روشن کرد تا پس از ایجاد گرما قطعات بزرگ تر هم آتش بگیرند.

اگر قطعات چوب را از هم دور کنید نهایتا آتش خاموش خواهد شد. از اینجا می‎توان درس مهمی درباره رابطه سوخت و حرارت در آتش گرفت. با سوختن سوخت حرارت تولید شده ومقداری از آن صرف روشن ماندن شعله و مقداری نیز برای روشن کردن بقیه سوخت می شود. اگر آتش متلاشی شود تمام حرارت آن به مواد سرد منتقل شده و خاموش می‎شود.

فرایند احتراق سوخت

نقش دما در احتراق بویلر

دمای آتش درون بویلر در رینج ۱۲۰۰-۳۲۰۰ درجه فارنهایت است که معمولا بیش از مقدار مورد نیاز برای روشن نگه داشتن و سوزاندن بقیه سوخت است. همه کوره‎های جدید دارای دیواره های آبی هستند که بیشتر حرارت تشعشعی آتش را دریافت می کنند.

اصطلاح فرایند احتراق چیست؟

سوختن سوخت با عنوان (فرایند احتراق) معروف است.

چه صفت‎هایی به منظور توضیح نتایج احتراق گفته می‎شود؟

•  ناقص
• جزیی
• کامل

احتراق جزئی یعنی چه؟

احتراق جزیی به این معنی است که کل سوخت مشتعل نشده و مقداری از آن ، کم یا زیاد باقی می‎ماند.

احتراق ناقص یعنی چه؟

در احتراق ناقص سوخت به صورت مطلوب مشتعل نشده و تولید دوده می‎کند.

احتراق کامل یعنی چه؟

احتراق کامل بهترین نوع اشتعال است و در آن تمام سوخت به صورت مطلوب مشتعل می‏‎گردد که تقریبا دسترسی به آن دور از تصور است. در احتراق کامل، تمام سوخت می‎سوزد اما همیشه مقداری هوای اضافی باقی می‎ماند.

ترکیبات هر سوخت

هر سوختی دارای نسبت هوا – سوخت منحصر به فردی است و آن جرم هوایی است که برای سوزاندن ۱  ۱B سوخت مورد نیاز است. این کمیت کاملا وابسته به نسبت کربن به هیدروژن سوخت، مقدار هیدروکربن سوخت و مقدار کم تر به هوای مورد نیاز به ترکیب شدن با سایر اجزای موجود در سوخت است.

به یاد داشته باشید که این نسبت جرمی است نه حجمی اما می‎توان آن را به نسبت حجمی تبدیل نمود. این نسبت توسط آنالیز کلی سوخت تعیین می‎شود.

نقش نیتروژن در فرایند احتراق

تمام هوای مورد نیاز برای سوخت مصرف نمی‎شود بلکه فقط اکسیژن در احتراق کاربرد دارد. حتما می‎دانید که فقط ۲۱% هوای جو را اکسیژن تشکیل می‎دهد.

پس ۷۹% بقیه چیست؟ همه آن نیتروژن است که گاز بی اثر خوانده می‎شود. زیرا کار خاصی بجز حضور در جو انجام نمی دهد. وقتی حرف آلوده کردن هوا توسط بویلر به میان می‎آید می‎فهمید که کاملا هم بی اثر نیست. این ۷۹% نیتروژن می‎تواند با جذب مقدار زیادی از حرارت تولیدی آتش، سرعت ترکیب اکسیژن را با سوخت محدود کند. یعنی در فرایند احتراق یک تعدیل کننده یا در حقیقت یک کند کننده است و از احتراق سریع و نا مطلوب جلوگیری می‎کند.

نبود نیتروژن در شاتل فضایی باعث مرگ چند فضا نورد شد

شاید رویداد روز های اول برنامه پرواز فضایی را به یاد بیاورید که سه فضا نورد داخل کپسول در یک آزمایش روی زمین تا حد مرگ سوختند. درآن زمان داخل کپسول‎ها از اکسیژن خالص استفاده می‎کردند. یک جرقه الکتریکی کافی بود تا تمام وسایل بدون وجود نیتروژن که احتراق را کنترل کند شروع به اشتعال نماید. تجهیزاتی مانند شاتل فضایی می‎توانند سوخت را با اکسیژن خالص بسوزانند اما این عملیات  از طرف مصرف کل سوخت و تاثیر کند کنندگی نیتروژن در محدودیت است. قرار دادن درست مخازن اکسیژن مشعل برش به صورت رو به پایین در داخل واحد بسیار مهم است زیرا می‎توانند انفجار شدید و سریعی را در واحد به وجود آورند.

شیمی احتراق

عنوان این بخش باید (شیمی احتراق) نام گذاری گردد. با بردن نام شیمی، اپراتورها شکه شده و به دنبال راه فرار خواهند گشت زیرا از آن گریزان هستند. من این احساس را درک می‎کنم اما اپراتور برای این که با روشی درست بهره برداری کند، باید بداند چه اتفاقی داخل آتش رخ می‎دهد؟ من قصد دارم تمام این مطالب را به صورت ساده و قابل درک به شما انتقال دهم.

هر سوخت فسیلی دارای سه جزء است که با اکسیژن هوا ترکیب شده و گرما آزاد می‎کند. در واقع چهار واکنش وجود دارد که شما باید بدانید (ترکیب مواد برخی تولید مواد متفاوت یک واکنش است). بیایید با یک مورد آسان شروع کنیم. هیدروژن سوخت با اکسیژن ترکیب و آب (H_۲O) به وجود می‎آید. البته به دلیل وجود گرمای زیاد آب تبخیر شده و ما آن را نمی‎بینیم . تا کنون کسی باقیماندن هیدروژن را پس از عملیات احتراق ندیده زیرا همیشه اکسیژن را گرفته و تبدیل به آب می شود. اما اگر احتراق کامل نباشد هیدروژن با اتم های کربن ترکیب شده که در بعضی موارد چیزی غیر از هیدروکربن سوخت است.

در احتراق کامل چه فعل و انفعالاتی رخ می‎دهد؟

در احتراق کامل کربن با اکسیژن هوا ترکیب و کربن دی اکسید (CO_۲) تولید می‎کند. در واقع بدن انسان هیدروکربن را به آب و دی اکسید کربن تبدیل می‎کند. این کار به طور آرام و در دمای خیلی پایین‎تر از آنچه در کوره اتفاق می‎افتد انجام می‎گیرد. چون کربن جزو اصلی سوخت است، دی اکسید کربن فراوانی در بویلر تولید می‎شود. ماده تولید شده دیگر آب است. حال به نکته جالبی برخورد می‎کنیم و آب و دی اکسید کربن تولید می‎کنیم که هر دو از رایج‎ترین مواد مصرفی ما هستند پس در این بین چه مشکلی بین بویلر ومحیط زیست وجود دارد؟ اصولا احتراق در بویلر طبیعی است و CO_۲ و H_۲O و SO_۲ و گرمای حاصل از فرایند است.

بررسی فرمول شیمیایی احتراق

اکنون می‎توانیم فرمول‎های شیمیایی احتراق را ارایه کنیم. اعدادی که زیر حروف شیمیایی نوشته می‎شوند بیانگر تعداد اتم‎ها هستند و اعدادی که کنار حروف نوشته می‎شوند تعداد مولکول‏‎ها را مشخص می‎کنند. بسیاری از گازها (اکسیژن یکی از آن‎ها است) دو اتمی هستند یعنی هر مولکول آن دارای دو اتم است. تمام سوخت‎ها از اتم‎های کربن و هیدروژن با نسبت‎های مختلف تشکیل شده‎اند. به عبارت دیگر ترکیب و مقدار این اتم ها است سوخت گاز، نفت یا سوخت جامد مثل ذغال سنگ است.

در ذیل لیست معادلات شیمیایی اصلی احتراق آورده شده است.

• (به ازای سوختن هر پوند کربن) C+O2=14.096 BTU
• (به ازای سوختن هر پوند هیدروژن) ۲H_۲+O_۲=۲H_۲O+61.031 BTU
• (به ازای سوختن هر پوند گوگرد) S+O_۲=SO_۲+۳.۸۹۴ BTU
• (به ازای سوختن هر پوند کربن) ۲C+O_۲=۲CO+3.960 BTU

برای مثال:

C کربن تک اتمی، CO مولکول ۲ اتمی، CO_۲ ملکول سه اتمی، H_۲ مولکول ۲ اتمی، H_۲O مولکول ۳ اتمی، O_۲ مولکول ۲ اتمی، S  اتم گوگرد، SO_۲ مولکول ۳ اتمی می‎باشد. قوانین معادلات نسبتا ساده است. تعداد اتم ها باید در هر ۲ طرف معادله یکسان باشد، می‏‎بینید که هیچ چیز در احتراق از بین نمی‎رود. این همان قانون بقای جرم در ترمودینامیک است. شاید بگویید وقتی چوب را می‎سوزانیم در نهایت ناپدید می‎شود ولی حقیقت این است که اجزای آن پس از ترکیب با اکسیژن به گاز تبدیل شده و وارد جو می‎گردد.

تاثیر کربن بر احتراق

توجه داشته باشید که یک مولکول اکسیژن می‎تواند فقط یک مولکول CO_۲ یا دو مولکول CO  تولید کند. قانون طبیعی دیگری نیز هست که می‎گوید تمام مولکول‎ها در هر فشاری و دمای خاصی فضای یکسانی را اشغال می‎کنند.

از آنجایی که با تولید CO تعداد مولکول‎های دود را ۲ برابر می‎کنیم، حجم گاز افزایش یافته و موجب افت فشار بیشتر در بویلر و محدود شدن تخلیه دود می‎شود. چون سرعت خروج دود کاهش یافته، هوای کم تری می‎تواند وارد شود که این امر باعث افزایش تولید CO می‎گردد. این کار تا زمانی ادامه می‎یابد که گرمای ورودی به اندازه ای کاهش یابد که تعادلی بین افت فشار ناشی از افزایش CO و کاهش تولید CO ناشی از افزایش هوای ورودی برقرار می گردد. فقط در نرخ احتراق ثابت، سوخت را افزایش یا هوا را کاهش داده و به نشانگر دبی بخار نگاه کنید. با شروع تشکیل CO خواهید دید که دبی بخار افت خواهد  کرد.

سوخت‎های طبیعی

بررسی گاز

نفت کوره و گاز طبیعی به سوی فرایند آماده سازی می‎روند. گاز طبیعی معمولا پس از استخراج از زمین برای دفع ترکیبات گوگرد و دی اکسید کربن وارد دستگاه تصفیه گاز (کوره بلند) می‎شود.

برای تمام مقاصد عملی، گاز از طریق خطوط لوله از لوییزیانا به تگزاس و همه مصرف کنندگان سواحل شرقی منتقل می‎شود. این گاز کاملا عاری از گوگرد است. در غیر این صورت گوگرد با روغن کمپرسور ها واکنش نشان داده و آن را اسیدی می کند. وقتی گاز به ایستگاه شمال شرقی رسید گوگرد به صورت مرکاپتان (ترکیبات شیمیایی که گاز را بو دار می کند) به گاز افزوده می شود تا وجود نشتی قابل شناسایی باشد.

بررسی نفت کوره

نفت کوره با هر نمره ای (۱ تا ۶) از نفت خام استحصال می‎شود. نفت خام پس از استخراج به پالایشگاه منتقل و انواع سوخت ها و مواد دیگر از آن به دست می آید. یکی از مشتقات اصلی نفت خام، بنزین است. تقاضا برای بنزین آن قدر زیاد است که برخی محصولات دیگر مجددا پالایش می‎شوند تا از آنها نیز بنزین تولید گردد. فرآیند اصلی جداسازی مشتقات مختلف از نفت خام تقطیر است که طی آن نفت به قدری گرم می‎شود که اجزای سبک تر مثل نفتا، بنزین و غیره تبخیر می‎شوند.

نفت کوره سبک نیز از فرایند تقطیر تولید می شود. اجزای سنگین تر نفت خام بیش تر حرارت داده شده و در معرض کاتالیزور ها قرار می گیرند تا با شکستن هیدرو کربورهای سنگین به انواع سبک تر قابل استفاده می شوند . این همان چیزی است که وقتی سوخت در معرض حرارت قرار می گیرد اتفاق می افتد یعنی تقطیر شده و می شکند تا به هیدروکربن های بسیار ساده تبدیل و با اکسیژن واکنش نشان داده و بسوزد. این بحث وجود دارد که فقط گاز ها می سوزند و گرمای آن بقیه سوخت را نیز تبخیر می کند تا بسوزد.

بیایید قسمت اصلی گاز طبیعی را که همان متان CH_۴ است بسوزانیم. برای این کار به مقداری مولکول اکسیژن نیازمندیم. یک مولکول O_۲ با کربن ترکیب و CO_۲ می دهد و بقیه پس از ترکیب، چهار اتم هیدروژن و دو مولکول آب تولید می کند:

CH_۴+۲O_۲ à CO_۲+۲H_۲O

۱۶     ۳۲       ۲۸    ۲۰