احتراق، سوخت و مشعل

احتراق سوخت در واقع اکسیدشدن سوخت در حضور اکسیژن است. اما این اکسیدشدن زمانی احتراق است که همراه با نور و حرارت باشد. بعبارت دیگر هر نوع اکسیداسیون مواد که نور و حرارت به همراه داشته باشد احتراق نامیده می‎شود. بنابراین اکسید شدن فلزاتی مثل آهن در حضور اکسیژن (زنگ‎زدن آهن) احتراق نیست.

فرآیند احتراق یک فرآیند شیمیایی شامل کربن، هیدروژن و اکسیژن است. البته گوگرد نیز در اثر سوختن منبع انرژی گرمایی است اما وجود آن در سوخت تأثیرات سوئی را بهمراه خواهد داشت.

سوخت‎ها می‎توانند به صورت جامد، مایع و یا گاز باشند. از آنجاییکه سوخت‎های ذغال سنگی و دیگ‎های چوب‎سوز در کشورمان کاربرد ندارند در این نوشته صرفاً به توضیح سوخت‎های مایع و گاز می‎پردازیم.

همانطور که می‎دانیم برای تشکیل شعله به مثلث آتش (سوخت، هوا، حرارت) احتیاج است. اجماع این سه عنصر (مثلث آتش) سبب احتراق در دیگ بخار شده و چنانچه هر یک از میان برود شعله خاموش می‎شود. اجماع این سه عنصر در بویلرها توسط مشعل صورت می‎گیرد.

تشکیل احتراق

مشعل به کمک یک جرقه‎زن و دمنده، حرارت و هوای مورد نیاز را تأمین کرده و با توجه به نوع سوخت (مایع یا گاز) به کمک پمپ گازوئیل و یا شیر برقی گاز، سوخت نیز وارد می‎شود. بدین ترتیب شعله تشکیل شده و احتراق مواد سوختی صورت می‎گیرد. اما برای اینکه این احتراق به شکل صحیح انجام گیرد سه شرط ضروری وجود دارد که در ادامه به توضیح آنها می‎پردازیم.

احتراق، سوخت و مشعل

تناسب میان سوخت و اکسیژن

احتراق کامل سوخت حاصل تنظیم دقیق نسبت سوخت و هوا است. هرچه این نسبت با دقت بیشتری تنظیم شود راندمان بالاتر رفته و در نتیجه به سوخت کمتری احتیاج است. در مشعل‎های کوچک، تنظیم هوا دستی است و در مشعل‎های بزرگ به کمک دمپر اتوماتیک هوای مورد نیاز احتراق تأمین می‎شود.

البته با توجه به آنکه دمای هوای دیگ‎خانه و رطوبت آن در طول سال متغیر است در مشعل‎های بزرگ نیاز است که در هر فصل دمپرها مورد تنظیم مجدد قرار گیرد. امروزه مشعل‎های مدرن مجهز به یک PLC هستند که بصورت اتوماتیک نسبت بین سوخت و هوا را در تمام طول شبانه روز و تمام فصول تنظیم می‎کنند.

اختلاط کامل سوخت و اکسیژن

برای آنکه راندمان احتراق بالا نگه داشته شود باید هر ذره سوخت در اطراف خود به اندازه کافی اکسیژن داشته باشد. به همین منظور در سوخت‎های مایع به کمک یک پمپ جابجایی مستقیم (دنده‎ای) فشار قوی و تزریق سوخت توسط نازل‎های مخصوص سوخت مایع به صورت پودر در می‎آید (اتمیزه می‎شود).

بهترین اندازه ذرات سوخت مایع بین ۲۰-۴۰ میکرون است. بدین ترتیب اختلاط سوخت و هوا بهبود پیدا کرده و راندمان احتراق بهبود می‎یابد. در سوخت‎های جامد (ذغال سنگ) نیز برای اختلاط مناسب سوخت و هوا از روش ساییدن ذغال‎سنگ استفاده می‎شود.

اگر شرایط فوق در تناسب و اختلاط کامل صورت نگیرد سبب کاهش و یا افزایش طول شعله از میزان مورد نیاز می‎شود. هوای کم نیز سبب احتراق ناقص شده و بخشی از سوخت محترق نشده و در نتیجه انرژی سوخت به‎طور کامل آزاد نمی‎شود بدین ترتیب گاز مونواکسید کربن به جای دی‎اکسید کربن از اگزوز خارج شده و علاوه بر آنکه هزینه‎های انرژی را افزایش می‎دهد؛ هوا را نیز آلوده می‎کند.

حفظ دمای اشتعال

دمای محیط نیروی لازم برای برخورد مولکولهای اکسیژن و کربن و شکسته‎شدن پیوند را ندارد. برای آنکه سوخت بتواند بدون احتیاج به گرمای خارجی به اشتعال خود دوام بخشد باید دمای اشتعال حفظ شود.

مواد سوختی

نفت خامی که از زمین استخراج می‎شود، مایع سیاه رنگی است که پترولیوم خوانده می‎شود. این مایع شامل هیدروکربن‎های آلیفاتیک یا بعبارتی هیدروکربن‎هایی است که فقط شامل هیدروژن و کربن هستند. اتم‎های کربن در زنجیره‎هایی با طول‎های مختلف به یکدیگر پیوند خورده‎اند.

امروزه می‎دانیم که مولکول‎های هیدروکربن با طول‎های مختلف دارای خواص و رفتار متفاوت هستند. برای مثال زنجیره‎ای با فقط یک اتم کربن CH_۴ سبک‎ترین زنجیره هیدروکربنی به نام متان را می‎سازد. متان گازی چنان سبک است که مانند هیدروژن شناور می‎شود. با طویل‎تر شدن زنجیره، مولکول نیز سنگین‎تر می‎شود.

چهار زنجیره نخست متان CH_۴، اتان C_۲H_۶، پروپان C_۳H_۸ و بوتان C_۴H_۱۰، حالت گازی دارند و نقطه جوش آنها به ترتیب ۱۰۷-، ۶۷-، ۴۳- و ۱۸- درجه سانتی‎گراد است. زنجیره‎های بالاتر از C_۱۸H_۳۲، تماماً در دمای اتاق مایع هستند و زنجیره‎های بالاتر از C_۱۹، در دمای اتاق جامدند.

تمام تفاوت‎های میان سوخت‎ها و روغن‎های هیدروکربنی مختلف از درجه جوش آنها ناشی می‎شود. زنجیره های موجود در C_۶ ، C_۵ و C_۷ بسیار سبک بوده و براحتی تبخیر می‎شوند. به این هیدروکربن‎های مایع نفتاس گفته می‎شود. این مایعات بعنوان حلال استفاده می‎شوند. از آنها برای ساختن حلال رنگ و سایر محصولات سریع خشک شونده نیز استفاده می‎شود.

شیمی احتراق

همانظور که گفتیم در شرایطی که احتراق در حضور اکسیژن کافی انجام پذیرد، تمام کربن موجود در این سوخت‎ها، به دی‎اکسیدکربن تبدیل شده و می‎گوییم واکنش احتراق بصورت کامل انجام گرفته است. در غیر اینصورت قسمتی یا تمام کربن موجود در سوخت به مونواکسید تبدیل شده و می‎گوییم واکنش سوختن با کمبود اکسیژن همراه بوده و بصورت ناقص انجام شده است

در فرآیند احتراق کربن سوخت با اکسیژن ترکیب شده و دی‎اکسید کربن آزاد می‎کند. هیدروژن نیز با اکسیژن ترکیب شده و آب تولید می‎کند. بنابراین در پایان فرآیند احتراق گرما آزاد شده و بخشی از انرژی آزاد شده آب را بخار می‎کند و بخار آب که از محصولات احتراق است تشکیل می‎شود.

این بخار باید تا پایان آخرین پاس و خروج از بویلر بخار باقی بماند و دمای اگزوز باید همواره بالاتر از نقطه شبنم نگهداشته شود تا کندانس تشکیل نشود؛ در غیر اینصورت پدیده خوردگی نقطه شبنم اسیدی بوجود می‎آید. این اتفاق به خصوص در بویلرهای مجهز به اکونومایزر دارای اهمیت بیشتری است زیرا اکونومایزر دمای گازهای خروجی را کاهش داده  و خطر کندانس شدن را بالا می‎برد.

این نوع خوردگی شامل کندانس‎های بخار اسیدی است که عمده آن اسید سولفوریک است که بر سطح ماده حمله می‎کند. این اسید در دمای پایین‎تر از نقطه شبنم کندانس می‎شود.

ارزش حرارتی سوخت

ارزش حرارتی یک سوخت برابر میزان گرمای آزاد شده از آن در اثر احتراق بر واحد جرم (سوخت مایع) و بر واحد حجم (سوخت گاز) آن سوخت اعلام می‎شود. اندازه‎گیری ارزش حرارتی سوخت‎ها توسط بمب کالری‎ متر اندازه‎گیری می‎شود که در آن محصولات احتراق پس از احتراق تا دمای معمولی و شرایط اتمسفریک سرد می‎شود.

بخار آب ایجاد شده در محصولات احتراق نیز کندانس شده و کل حرارت بدست آمده اندازه‎گیری می‎شود. در طی این فرآیند حرارت نهان تبخیر آب نیز در نظر گرفته می‎شود. نتایج ارزش حرارتی بدست آمده از این قبیل تست‎ها بعنوان ارزش حرارتی ناخالص محسوب می‎گردد. لذا مقدار ارزش حرارتی خالص با کسر مقدار آب بدست می‎آید. در اروپا به این دو ارزش حرارتی، ارزش حرارتی بالا و ارزش حرارتی پایین اطلاق می‎شود.

هوای مورد نیاز احتراق

برای احتراق یک مول متان به دو مول اکسیژن و برای احتراق یک مول پروپان به پنج مول اکسیژن نیاز است. در هوا اکسیژن و ازت با هم بحالت ترکیب نیستند و در احتراق براحتی از هم جدا شده و اکسیژن با سوخت ترکیب می‎شود و ازت به همان حالت اولیه باقی می‎ماند.

تجربه نشان می‎دهد که با مصرف مقداری از هوا که دقیقاً شامل همان مقدار اکسیژن باشد که لازم داریم احتراق کامل بدست نخواهد آمد؛ زیرا برای ترکیب اکسیژن با عناصر سوخت باید مولکول‎های اکسیژن با اتم سوخت در تماس واقعی فیزیکی باشند، اما علاوه بر ملکول‎های اکسیژن موجود، مولکول‎های ازت نیز در محیط موجودند که به احتراق کمک نمی‎کنند و سبب می‎شوند که مولکول‎های اکسیژن  نتوانند به خوبی با اتم‎های سوخت تماس بگیرند.

بنابراین عمل احتراق کامل زمانی صورت می‎گیرد که مقدار هوایی بیشتر از هوای تئوری مصرف کنیم. اما باید به این نکته نیز دقت نمود که اگر هوای اضافه بیش از نیاز به کوره رسانده شود هوای باقیمانده پس از احتراق در عبور از کوره مقداری حرارت جذب کرده و با خود به دودکش می‎برد.

دمای هوای احتراق می‎تواند شدیداً بازدهی دیگ بخار را تحت تأثیر قرار دهد و باید به آن توجه ویژه‎ای داشت. بنابراین هوای اضافه یکی از دلایل افزایش دمای اگزوز است که به غلط بعضاً به تصور آنکه رسوب روی محیط حرارتی دیگ بخار سبب افزایش دمای اگزوز شده به آن توجه کافی نمی‎شود.

شعله

تشکیل شعله در مشعل دارای فاکتورهایی که از آن جمله می‎توان به سرعت شعله، شکل شعله، پایداری شعله، بالاپریدگی شعله، پس‎زدگی شعله، نوک زردی شعله و… اشاره نمود.