بررسی اصول و قواعد احتراق

احتراق
1-1 اصول و قواعد کلی احتراق
واکنش های احتراق
احتراق به عنوان واکنش شیمیایی سریع اکسیژن در مقابل عناصر قابل اشتعالی از

سوخت تعریف می شود سه عنصر شیمیایی قابل اشتعال در زغال و نفت وجود      دارد که کربن هیدروژن و گوگرد می باشند.
 معادلات شیمیایی اصلی برای یک احتراق کامل به شرح زیر می باشد:
(4-1 الف)
هنگامی که اکسیژن کافی موجود نباشد کربن بطور کامل نسوخته و به شکل مونوکسید کربن باقی می ماند.
به منظور سوختن کامل یک سوخت چهار شرط اساسی زیر باید باشند.

1-    مقدار کافی اکسیژن برای سوخت باید فراهم شود.
2-    اکسیژن و سوخت نباید کاملاً با هم ترکیب شوند.
3-    ترکیب سوخت و اکسیژن هوا باید در حدود یا بالاتر از دمای افروزش نگه داشته شود.
4-     حجم کوره باید به اندازه ای باشد که به ترکیب حاصل فرصت احتراق داده و شرایط آن را فراهم سازد.
مشعل کوره باید به اندازه ای باشد که به ترکیب حاصل فرصت احتراق داده و شرایط آن را فراهم سازد.
 مشعل کوره اکسیژن هوا را فراهم کرده و بمنظور فرایند احتراق عمل ترکیب انجام می گیرد. از آنجائیکه ترکیب کامل اکسیژن هوا و سوخت درواقع غیرممکن است به این منظور اکسیژن زیادی باید فراهم شود تا فرآیند احتراق کاملی رخ دهد. فرآیند ترکیب و میزان اکسیژن اضافی فراهم شده مشخص کننده این است که آیا گازهای مفر حاوی هر دو حاصل از احتراق کامل و غیر کامل برابر خواهند بود. محصولات حاصل از احتراق ناقص شامل سوخت مشتعل شنده(نسوخته) = مونوکسیدکربن و مقدارکمی از سوخت تر کیب شده با اکسیژن می باشد اکثر محصولات حاصل از احتراق ناقص آلاینده های جوی می باشند.
 میزان گرمای سوخت( گرمای احتراق)
میزان گرمای سوخت از لحاظ مقدار یا میزان گرمای استاندارد احتراق آن برابر می باشد البته با اثری معکوس همچنین خاطر نشان کردیم که میزان گرمای مازوت ممکن است بطوردقیف تری از گرمای احتراق اجزای تشکیل دهنده بدست آید البته این امر در صورتی امکانپذیر است که ترکیب شیمیایی مشخص می شود( به  جدول (3.1)مراجعه کنید. راههای برآورد میزان گرما از طریق علم مربوط به نوع مازوت یا گرانی( ثقل) ویژه آن مشخص شدند. میزان گرمای گاز طبیعی تقریباً از طریق گرمای ترکیبات شیمیایی آن مشخص می شود.
 در بخش 1,3 نشان دادیم که چگونه میزان گرمای تقریبی زغال ممکن است بر مبنای درجه آن بدست آید. هنگامی که تحلیل نهایی مشخص می شود میزان گرما برای احتراق کامل ممکن است به طور دقیق از طریق معادله دولانگ- برتلوت] معادله (1.9) [ بدست می آید بویژه در مسائلی از جمله احتراق ناقص زغال مطلوب است که میزان گرمای زغال مستقیماً از گرمای احتراق اجزای تشکیل دهنده آن بدست می آید. گرمای احتراق برای اجزای تشکیل دهنده اصلی زغال در جدول 1.4 نشن داده شده است. اگرچه گرمای آزادشده در حین سوخت کربن و تبدل آن به منوکسیدکربن(CO ) در جدول 1.4 نشان داده شده  اما براحتی و به واسطه تفاوت میان گرمای احتراق کربن و مونوکسیدکربن درج شده در جدول 1.4 قابل تشخیص می باشد.
 در محاسبه و بررسی سوخت خوجود برای احتراق از طریق تجریه نهایی زغال بطورکلی فرضیه حاصل می شود که تمام کربن و گوگرد به شکل عنصری و بمنظور احتراق موجود می باشد. با وجود این تمامی اکسیژن و نیتروژنی که ازتجزیه نهایی گزارش شده با هیدروژن ترکیب می شوند. کل هیدروژن موجود برای احتراق کمتر از میزان مورد نیاز جهت ترکیب با اکسیژن و نیتروژن موجود درذغال گرازش شده که به ترتیب  و   می باشند با توجه به کلیه فرضیات و در صورتی که تمام کربن نسوخته و به مونوکسید کربن  تبدیل شود از گرمای احتراق درج شد و در جدول 4-1 برای معرفی معادله ای  جدید که به فرمول دولانگ – برتلود بسیار نزدیک می باشد می توان استفاده نمود.
 برای 1 گرم(g) زغال حاودی کربن  گرمای آزادشده و از طریق احتراق کربن در موقعیت استاندارد به شرح زیر می باشد.
 
به همین نحو برای گوگرد( هنگامی که   گوگرد w/o می باشد)
 
با وجود این چنانچه از هیدروژن   و اکسیژن   برخوردار باشیم هیدروژن موجود   می باشد بدینوسیله:
 
 
مقادیر  و  بواسطه وزن کربن، هیدروژن، اکسیژن و گوگرد درصدی می باشند.
 نسبت هوا به سوخت از لحاظ نظری
اکسیژن مربوط به منظور فرآینداحتراق بواسطه اکسیژن موجود در هوا برای مشعل فراهم می شود. با توجه به طرح کوره دیگ بخار، فراهم نمودن اکسیژن کافی برای احتراق کامل به انضمام اکسیژن اضافی بمنظور فرایند ناقص ترکیب جریانی عادی می باشد. برای هر سوخت مولهای هوای خشک که از لحاظ نظری برای احتراق کامل لازم می باشد از طریق مولهای اکسیژن مورد نیاز مشخص می شوند. برای سوختی که حاوی کربن، هیدروژن و گوگرد باشد ممکن است معادله شیمیایی متعادلی به شرح زیر ارائه شود:
                    
از آنجائیکه هوا حاوی   می باشد نسبت به مول های  به مولهای   می باشد بدینوسیله درصورتی که سوخت درهوا مصرف شده و بسوزد نسبت زیر بدست میآید.                               

مشخص است که برای هرمول از کربن و گوگرد موجود در سوخت، 76/4 مول هوا مورد نیاز می باشد وبرای هر کیلوگرم اتم از هیدروژن موجود درسوخت 38/2=2/76/4 مول از هوا مورد نیاز می باشد. از آنجائیکه وزن مولکولی هوا   می باشد، جرم هوای مورد نیاز برای هر گرم کربن،  به شرح ذیل می باشد.
 
به همین نحو 3/4 گرم هوا در ازای هر گرم ا گوگرئد و 4/34 گر هوا در ازای هر گرم ا هیدروژن موجود مورد نیاز می باشد
 بدینوسیله:                                     
 
هنگامی که   گرم هایی از هوای مورد نیاز برای حتراق کامل از 1 گرم سوخت را نشان می دهد رابطه فوق برقرار است( جرم هوا / جرم سوخت)
هنگامی که    گرم هایی از سوخت مورد نیاز برای احتراق کامل از 1 گرم سوخت را نشان می دهد رابطه فوق برقرار است( جرم هوا / جرم سوخت)
گسترده نسبت های هوا به سوخت برای ذغال از لحاظ نظری از 5/8 تا 5/12 می باشد نسبت نظری هوا به سوخت برای مایع با سوخت های گازی با استفاده از معادله(4.4) یا شکل دیگری که تعدادی از اتم های هرکدام از عناصر اشتعالی را در یک مول مایع یا گاز مورد استفاده قرار می دهد قابل محاسبه می باشد. به این معنی که....       
                                                                           
اتم های S,H,C هوای مورد نیاز در ازای هر مول از سوخت مصرف شده
( سوخته) باید همیشه بر مبنای تحلیل هر کدام از فرآیند های احتراق مشخص شود هوای اضافی بیشتر از کمترین میزان نظری بمنظور دسترسی به احتراق کامل باید فراهم شود. هوای اضافی بعنوان درصدی یا بواسطه کاربرد استعمال ضریب رقیق سازی بیان می شود.
 درصد هوای اضافی فراهم شده در حین عملیات به شرح زیر می باشد.
 
و این در حالی است که d ضریب رقیق سازی به شرح ذیل می باشد.
 
 درصد هوای اضافی برای سیستم های کوره دیگ بخار با بالاترین میزان سود و کارایی بین 15 و 30% اختلاف دارد.
 مثال 1.4
 یک سوخت مایع حاوی ترکیبات شیمیایی با 30% هوای اضافی می سوزد نسبت بکار رفته هوا به سوخت را مشخص کنید.
 راه حل: مبنای راه حل : 1 کیلوگرم مول از سوخت با درنظر گرفتن   و   می باشد.
بنابراین با توجه به معادله(6.4)رابطه زیر بر قرار است.


نسبت واقعی هوا به سوخت:
 شکل 4-1 نشان دهنده روندی محاسبه ای می باشد که بمنظور برقراری نسبت هوا به سوخت برای فرآیند احتراق مورد نظر توسط طرح و الگوساز مورد استفاده قرار می گیرد. نسبت واقعی بدست آمده پس از ساخت مشعل باید از طریق اندازه گیری های تجربی اجزای سازنده گازی گاز دودکش برآورد شود. بمنظور اجرای این اندازه گیری سه روش متفاوت وجود دارد.اما یکی از این روشها که به وفور مورد استفاده قرار می گیرد تجزیه گر ساده گاز ترابردی ارست می باشد. تجزیه گر گاز ارست بمنظو ر معین نمودن و تشخیص اجزای حجمی و مولی مونوکسید کربن، دی اکسید کربن، و اکسیژن در گاز مفر خشک مورد استفاده قرار می گیرد.
 در یک اندازه گیری ویژه و نمادین یک نمونه گاز دودکش 3 cm -100 از روی آب در موقعیت های فراگیر جمع آوری شده و از یک سری محلول های شیمیایی عبور داده می شود. معمولاً اینگونه فرض می شود که نمونه از بخار و 2 So آزاد می باشد زیرا هر بخار آبی در حین فرآیند جمع آوری تقطیر شده و 2 So نیز در کاز دودکش با آب موجود در محفظه جمع آوری فعل و انفعال انجام خواهد داد. از نمونه گاز دودکش برای دی اکسید کربن، مونوکسیدکربن، اکسیژن و نیتروژن تجزیه می شود. معمولاً شناسگر( معرف) های به کار رفته محلول KOH بمنظور جابجایی 2 CO محلول پایروگلول برای جابجایی 2 O و مخلوط کلریدکاپروس
(2 Cu Cl )برای جابجایی co می باشد آخرین گازی که جذب نشده باقی می ماند نیتروژن می باشد.
 برای سوخت مایع تجزیه های نهایی و تجزیه ارست بمنظور ارزیابی نسبت واقعی هوا به سوخت کافی می باشند. تجزیه زائدات باقیمانده به عنوان ارزیابی تجزیه میزان گرمای بالاتر از آنها محسوب می شود. نتایج این تجزیه در واحدهای انرژی هر واحد از  جرم زائد(KJ/kg ) گزارش می شوند. تجزیه زائدات بر این فرض می باشد که تمام کربن نسوخته و خاکستر در حفره خاکستر پایین کوره جمع می شود. همچنین این تجزیه زائدات بعنوان کسر جرمی ا زکربن زائد( کیلوگرم ها از کربن زائد شد ) یادرصدی از کربن اشتعالی که زائد شده است به حساب می آید در  صورتی که   بعنوان HHV ( میزان گرمای بالا) برای کربن خالص در نظر گرفته شده بنابراین  کسر جرمی از کربن زائد شده (kg کربن/ kg زائده) به شرح ذیل می باشد.
 
 نسبت واقعی هوا به سوخت در فرآیند احتراق از طریق اطلاعات زائد حاصل و اطلاعات تجزیه نهایی و تجزیه ارست قابل محاسبه می باشد از تجزیه زائد حاصل   جرمی از کربن سوخته شده در ازای هر واحد جرم زغال بدست می آید.
 

 در صورتی که هیچ نیتروژنی درسوخت وجود نداشته باشد مول های 2 N موجود در هوا در ازای هر مول از کربن سوخته از طریق اجزای جمعی در تجزیه ارست حاصل می شود.بدین ترتیب رابطه زیر برقرار است.
 
 و این در صورتی است که   اجزای جمعی   موجود در گاز دودکش می باشند با وجود این، کسر جرمی نیتروژن موجود در زغال  به خطای زیر در  منجر می شود.
 
بنابراین:
 اجزای جمعی   موجود درگاز دودکش از طریق تجزیه ارست بدست می آیند همچنین   از طریق تجزیه زائد و   از طریق تجزیه نهایی سوخت حاصل می شوند میزان  از طریق اطلاعات زائده و بواسطه محاسبات زیر بدست می آید.
 
و سرانجام  به قرار زیر است.
 
 این ترفند به منظور مقایسه نسبت نظری هوا به سوخت در مقابل نسبت واقعی هوا به سوخت قابل استفاده می باشد.
 4-3 تعادل های جرم و انرژی
تعادل در جرم کوره
محاسبه تعادل و توازن مواد برای یک کوره شامل همان نظریات اساسی درمورد کوره  های گازی، زغالی، و نفت سوز می باشد. تعادل مواد در یک فرآیند احتراق ساده، جرم سوخت و هوای فراهم شده و برای کوره( با رطوبت موجود درهوا) و جرم خاکستر و فرآورده های حاصل از احتراق د رکوره را تشکیل می دهد. شکل 4.3 نشان دهنده روابط درونداد و برونداد برای تعادل و توازن جرم می باشد.
 تجزیه نهایی زمان ضروری نمی بتش اما یک تجزیه بمنظور مشخص نمودن محتوایات کربن رطوبت و خاکستر لازم بوده و باید اجرا شود. در صورتی که هدف از این تعادل نشان دادن شرایط کارکرد واقعی باشد در آن صورت تجزیه
( مثل تجزیه ارست) گاز دودکشی لازم و ضروری است. علاوه بر آن زائده حاصل از کوره باید برای خاکستر، کربن نسوخته و مواد دیگر تجزیه شود. هوایی که وارد کوره می شود احتمالاً از میانگین ترکیبات جوی و محتویات رطوبت بوده و یا اینکه فشار و رطوبت موجود ممکن است ارزیابی شوند.
 تعادل هر ماده ای مستلزم مبنا و اساسی برای محاسبه می باشد. این مبنا ممکن است جرم واحد سوخت یا جرم سوخت بکاررفته در یک چرخه از عملکردی مشخص مثل دوره ای 24ساعته باشد متناوباً ممکن است ما 1 کیلوگرم مول از سوخت در صورتی که ترکیبات آن شناخته شده می باشند یا 1 کیلوگرم مول از ترکیب ویژه ای را( برای مثال کربن) استفاده کنیم.
 شکل 3.4 (الف) اجزای تشکیل دهنده اصلی برای تعادل جرم کوره/ دیگ بخار؛ (ب) مثالی از یک تعادل جرمی ویژه
ابتدا بگذارید تعادل جرمی رااز نقطه نظر یک طراح بررسی کنیم.
 مثال 2.4
کوره ای را تصور کنید که گازی طبیعی در آن، حاوی 0/607 متان و0/707 اتان، 150% از هوای مورد نیاز برای احتراق کامل می سوزد. در این شرایط ما باید پخش و توزیع جرم فرآورد ه های حاصل از احتراق را مشخص نمائیم.
 راه حل: اساس راه حل 1 گرم مول سوخت گازی می باشد. اگر سوخت گازی را بعنوان گاز کاملی فرض کنیم در آن صورت هر گرم مول از سوخت گازی حاوی 6/0 مول متان و 4/0 مول اتان خواهد بود. بنابراین معادله شیمیاییاصلی ما به شرح زیر خواهد بود.
 
14.4
توجه کنید که بمنظور ایجاد تعاادل و سنجش معادله شیمیایی فوق الذکر را بعنوان تعداد مولهای 2 CO دانسته و آن را از تعادل کربن مشخص می نمائیم.
و سپس تعداد مولهای , را ازتعادل هیدروژن تشخیص می دهیم.
 
سرانجام مولهای اکسیژن را،  ،که باید به منظور فراهم سازی  و   شکل گرفته اضافه شوند،مشخص می نماییم.
 
با معادله شیمیایی متعادل و دانستن وزنهای مولکولی ،می توانیم جرم بخارهای حاصل  را مشخص نماییم.
 
محاسبات جرم – تعادل برای یکی کوره زغال سوز تقریباً پیچیده است هنگامی که ما سعی در ایجاد تعادلی جرمی در یک کوره کارکرد داریم این پیچیدگی افزایش می یابد در این مورد اطلاعات زیر به مهندس مربوطه ارائه می شود.  تجزیه سوخت، تجزیه زائده های موجود درحفره خاکستر، و تجزیه گاز دودکش، فشار هوای واردشده کاربرد این اطلاعات در مثال ذیل نشان داده شده است.
 مثال 3.4
اطلاعات زیر از آزمایش انجام شده بر کوره ای زغال سوز بدست آمده.
اطلاعاتی در مورد زائده حاصل از حفره خالی و خاکستر
محتویات خاکستر        23/86%
محتویات کربن          77/13%
دمای میانگین               
میانگین گرمای خاس از 
23 تا 

تجزیه نهایی                    w/o
کربن                          12/66
هیدروژن موجود            60/3
نیتروژن                       40/1
آب ترکیب شده              21/6
گوگرد                         60/1
رطوبت آزاد                 48/4
خاکستر                     59/16
جمع کل   00/100
کل میزان گرما   
 کل وزن زغال سوخته  kg 450000
میانگین دمای زغال سوخته 
اطلاعاتی در مورد سوخت گازی