نكاتي در باب سوخت و احتراق

مقدمه

هنوز هم واكنشي كه در آن سوخت با اكسيژن تركيب مي شود و گرما آزاد مي كند، مهمترين فرايند توليد انرژي در جهان است.

گرما دستمايه كار مهندس است. و احتراق فرايندي است كه مهندس هر روز با آن سرو كار دارد. با گرانتر شدن سوختها و تقاضاي صنايع براي توان و بخار بيشتر ، مهندس بايد درباره چگونگي احتراق سوختها ، و كسب بيشترين گرما از احتراق سوخت ، بدون آلوده تر كردن محيط ، دانش بيشتري كسب كند.

الف- خواص شيميايي ماده

ماده:

ماده نام معمول كليه اجسام مادي، گازي ، مايع، يا جامدي است كه زمين و اتمسفر اطراف آن را تشكيل مي دهند.

تركيب مده:

هر ماده از اجسام ساده اي به نام عنصر يا تركيبي از عنصر ها تشكيل مي شود. مثلا با تركيب دو جسم ساده ، آهن و كربن، فولاد بدست مي آوريم. آب تركيبي از دو گاز هيدروژن و اكسيژن است.

92 عنصر وجود دارد ، از هيدروژن كه سبكترين عنصرهاست تا اورانيم كه سنگينترين است .

عناصر به ندرت به حالت خالص اند و معمولا با ديگر عناصر به نسبتهاي مختلف تركيب مي شوند و انواع بيشماري از اجسام مادي را در جهان اطرافمان تشكيل مي دهند.

اتم :

اتم كوچكترين ذره ماده است كه مي تواند در تغييري شيميايي شركت كند. اتم از ذرات كوچكتري به نام الكترون تشكيل شده است، و تعداد الكترونها در اتم وزن آن را تعيين مي كند.

هيدروژن سبكترين عنصر است و يك الكترون در چرخش به دور پروتون دارد. در صورتيكه اورانيم 92 الكترون در چرخش دارد.

وزن اتمي:

اين اصطلاح به وزن نسبي اتم اشاره مي كند. براي راحتي، اكسيژن را معمولا به منزله مقياس وزن اتمي برابر 16 در نظر مي گيرند، و وزن ديگر اتمها با اكسيژن مقايسه مي شود.

با اين مقياس ، وزن اتمي هيدروژن 1.008 يا اندكي بيشتر از يك به دست مي آيد.

مولكول :

مولكول كوچكترين ذره ماده است كه به تنهايي مي تواند موجود باشد مولكول از دو يا چند اتم يكسان يا متفاوت تشكيل مي شود، مثلا يك مولكول اكسيژن مركب از دو اتم اكسيژن و يك مولكول دي اكسيد كربن مركب از دو اتم اكسيژن و يك اتم كربن است.

وزن مولكولي:

وزن مولكولي يا وزن هر مولكول با جمع كردن وزن اتمي اتمهاي آن مولكول محاسبه مي شود. بنابراين وزن اتمي اكسيژن 16 است و مولكول اكسيژن كه شامل دو اتم است وزن مولكولي 32=2×16 دارد.

تركيب شيميايي:

تركيب اتمهاي دو يا چند عنصر مختلف و تشكيل ماده ديگري است كه غالبا خواص فيزيكي كاملا متفاوتي دارد. مثلا دو اتم هيدروژن با يك اتم اكسيژن تركيب مي شود و به شكل يك مولكول آب در مي آيد.

در هر تركيب شيميايي مفروض اتمها هميشه با نسبتهاي يكسان تركيب مي شوند. تركيبشان يك تغيير شيميايي است و براي تجزيه اين تركيب به فرايندي شيميايي نياز است.

مخلوط مكانيكي :

مخلوط مكانيكي، مخلوط كردن فيزيكي دو جسم با يكديگر است به شرطي كه هيچ تغيير شيميايي صورت نگيرد مخلوط مكانيكي ممكن است به وسيله فرايندهاي فيزيكي يا مكانيكي مانند سرند كردن يا شستن دوباره به قسمتهاي تركيبي تجزيه شود مثلا مي توانيم شكر و نمك را مخلوط كنيم با شستشوي شكر آنها تجزيه مي شوند اين كار فرايندي كاملا مكانيكي خواهد بود.

تشخيص تركيب يك جسم مخلوط :

ذكر نام كامل عناصر در تمامي مواقعي كه به آنها نياز است كار بسيار دشواري است بنابراين بجاي آن از نماد گذاري استفاده مي كنيم معمولا نماد اولين حرف يا حروف از نام عنصر يا معادل لاتين آن است بنابراين براي كربن حرف C براي اكسيژن حرف O و براي آهن حرف Fe را از نام لاتين Ferrum مي نويسيم.

اگر از يك عنصر بيشتر از يك اتم داشته باشيم تعداد را به صورت زير نويس كوچكي بعد از حرف و زير آن مي نويسيم بنابراينO₂ به معني دو اتم اكسيژن است . به همين طريق هر تركيبي از عناصر را مي توان خيلي ساده به وسيله اين نمادها نشان داد.

متداولترين عناصر موجود در سوخت :

جدول زير وزنهاي اتمي را به همراه نمادها نشان مي دهد در محاسباتي كه از وزن اتمي استفاده مي شود غالبا اعشارها حذف مي شوند، چون بسيار كوچك اند و در جواب عملا اختلافي ايجاد نمي كنند

هوا:

هوايي كه تنفس مي كنيم 21 در صد حجمي اكسيژن و 79 در صد حجمي نيتروژن است.

نيتروژن عنصر غير فعال است و با مواد ديگر به كندي واكنش انجام مي دهد. اما اكسيژن بدين گونه نيست. اكسيژن هوا هميشه نقره را تيره، پوشش مسي را به رنگ سبز، و آهن و فولاد را زنگ زده ميكند. كليه اين فرايندهاي اكسايش نام دارند، كه تركيب مواد با اكسيژن است.

همه اين فرايندها گرما آزاد مي كنند، اما گرما كندتر از آن آزاد مي شود كه سبب آتش سوزي شود.

ب- نحو ي احتراق

احتراق: احتراق اكسايش سريع است، به اندازه اي سريع كه گرماي واكنش قسمت نسوخته سوخت را روشن نگه مي دارد و شعله يا سوختن را پيوسته برقرار نگه مي دارد. چشم ما به ما مي گويد كه چوب ، زغال سنگ و بنزين مي سوزند. اما به بيان دقيق ، هيچ چيزي نمي سوزد، مگر به صورت گاز باشد، وقتي زغال سنگ ، چوب يا بنزين را مي سوزانيم ، در حقيقت گاز حاصل از اين جامدها يا مايعات را مي سوزانيم.

با توجه به شمع مي توان اين گفته را اثبات كرد. موم جامد نمي سوزد موم مذاب اطراف فتيله نيز نمي سوزد. اما بخار حاصل از اين موم مذاب ،هنگامي كه از فتيله بالا مي رود و به شعله مي رسد مي سوزد و گرماي بيشتري توليد مي كند، تا لايه بعدي موم را ذوب و تبخير كند.

بنابراين شمع مي سوزد زيرا فتيله موم مذاب را مي مكد، آن را تبخير مي كند، و چنانكه گفته شد، بخار موم برا اثر گرما شعله ور مي شود.

سوختن گاز :

گاز مي بايست قابل احتراق باشد، و به نسبت مناسبي با هوا مخلوط شود. مخلوط بايد به دماي اشتعال برسد و در آن دما نگه داشته شود. ساده ترين گاز قابل احتراق، عنصر هيدروژن است. شيميدانها مي گويند كه اتم هيدروژن با يك اتم اكسيژن تركيب مي شود و H₂O به دست مي آيد كه آب معمولي است.

زماني كه آب در دماي بالا به وسيله احتراق توليد مي شود، نخست بخاري نامرئي است كه ممكن است بعد از چگالش ، آب مايع شود. در نتيجه سوختن هر پوند هيدروژن و تبديل آن به آب ، Btu 62000 انرژي گرمايي آزاد مي شود.

براي سوختن يك پوند هيدروژن هشت پوند اكسيژن مصرف مي شود تا نه پوند آب توليد شود مقدار زيادي نيتروژن كه در طول عمليات با اكسيژن همراه است آزاد مي شود و وارد واكنش شيميايي نمي شود.

گاز طبيعي عمدتا متان است. اين فرمول شيميايي بدين معني است كه يك مولكول گاز طبيعي يك اتم كربن و چهار اتم هيدروژن دارد زمانيكه يك مولكول گاز طبيعي مي سوزد هيدروژن مثل قبل به آب و كربن يعني دي اكسيدكربن تبديل مي شود.

سوختن هيدروكربن :

سوختهاي هيدروكربني بسياري با نسبتهاي گوناگون كربن و هيدروژن وجود دارند با هر نسبتي هيدروژن سرانجام به آب تبديل مي شود.

كربن معمولا بعد از سوختن به دي اكسيد كربن تبديل مي شود. اما گاهي اوقات كامل نمي سوزد به منواكسيد كربن تبديل مي شود حتي اگر يك گاز قابل احتراق سرد با مقدار صحيحي اكسيِژن براي احتراق مخلوط شودتا زماني كه دماي مقداري از مخلوط به دماي اشتعال نرسد، هيچ اتفاقي نمي افتد در صورت رسيدن دما به مقداري معين سوختن شروع مي شود و گرماي ناشي از سوختن گاز ذرات بعدي مخلوط را مشتعل مي كند به گونه اي كه آتش به سرعت منتشر مي شود.

اگر مخلوطي هواي بيش از اندازه يا كمتر از مقدار لازم داشته باشد به سختي مشتعل مي شود يك شعله دائم و پيوسته مستلزم تغذيه پيوسته سوخت است مانند مشعل گازي پروانه اي و مشعل بونسن . مشعل پروانه اي شعله زرد و مشعل بونسن شعله آبي رنگ دارد.

شعله هاي زرد و آبي :

اگر هيدروژن خالص مي سوخت شعله ها هر دو آبي كم رنگ مي بود. چون هيدروژن شامل كربن نيست نمي تواند شعله زرد رنگ توليد كند اما گاز شهري و طبيعي مقدار زيادي اتم كربن در مولكولهاي هيدروكربن دارند در اينجا اگر هيدروژن بتواند به اندازه جز كوچكي از ثانيه پيش از كربن بسوزد ذرات كربن مانند ابري از مولكولهاي انفرادي رها مي شوند كه قبل از اينكه بسوزند براي لحظه اي ملتهب مي شوند . ميليونها ذره ملتهب كه نو ر سفيد دارند تشكيل شعله زرد مي دهند.

اصطلاح كراكينگ :

مولكول هيدروكربن در نتيجه گرما به ذرات كربن و هيدروژن تقسيم مي شود گاز هيدروژن نخست با شعله كم رنگ مي سوزد ولي شعله با وجود ميليونها ذره كربن ملتهب به رنگ زرد كم رنگ ديده مي شود.

سطحي كه در آن ذرات فوق به دي اكسيد كربن تبديل مي شوند لبه بالاي شعله است بالاي اين نقطه گرما ي بيشتري توليد نمي شود ولي البته گرماي آزاد شده پيشين در زير شعله به شكل محصولات احتراق قابل رويت بالا مي آيد چنانچه قاشق سردي را دقيقا بالاي شعله پروانه اي نگه داريم هيچ گونه دوده اي روي آن نخواهد نشست چون كل كربن سوخته است همان قاشق را به داخل شعله فرو ببريد سريعا با دوده پوشيده مي شود در اينجا قاشق مخلوط را قبل از اينكه كل كربن سوزانده شود تا زير نقطه اشتعال سرد مي كند به طوريكه كربن سوخته نشده روي قاشق مي نشيند.

دوده و دود :

هر جا شعله زردي به سطوح نسبتا سرد برخورد كند قبل از اينكه همه كربن بسوزد شعله به زير دما ي اشتعال آمده سرد خواهد شد . كربن نسوخته بصورت دوده روي سطوح گرمايي رسوب مي كند يا از طريق دود كش به صورت دود بيرون مي رود در هر حالت اتلاف و آلودگي ايجاد مي شود.

براي جلوگيري از اين پديده از احتراق كامل قبل از رسيدن شعله هاي زرد به لوله هاي درون ديگ مطمئن شويد راههاي اساسي براي انجام اين كار عبارتند از كاهش ارتفاع كوره ، حجم كوره يا دماي آن يا اطمينان از مخلوط شدن كامل تر به طوري كه مواد قابل احتراق زودتر بسوزند.

رفتار شعله در كوره ديگ :

در يك قسمت كوره مخلوط براي سوختن ممكن است بسيار سنگين باشد در نواحي ديگر كوره ممكن است تقريبا فقط هوا وجود داشته باشد و گاز قابل احتراق وجود نداشته باشد مخلوط ممكن است بسيار سبك باشد به گونه اي كه بد بسوزد يا اصلا نسوزد بنابراين حتي در صورت درست بودن مقدار ميانگين هوا ممكن است احتراق بد صورت گيرد چون بعضي از قسمتهاي مخلوط بسيار سنگين و بعضي بسيار سبك اند.

در واقع هيدروكربنهاي زغال سنگ، نفت و گاز ممكن است يك رشته واكنش انجام دهند د ر هر صورت بايد به خاطر داشته باشيم كه هيدروژن سرانجام به آب و كربن (اگر كامل بسوزد) به دي اكسيدكربن تبديل مي شوند. اما اگر كربن به طور كامل نسوزد ممكن است كه گاز Co توليد كند ، كه باز هم قابل سوختن است و چنانچه نسوخته به دودكش راه يابد اتلاف بزرگي است.

ج- سوختهاي در دسترس

مواد اصلي تشكيل دهنده سوختهاي مورد استفاد ه در ديگها :

مود اصلي تشكيل دهنده كليه سوختهاي مورد استفاده براي ديگها ، كربن ، هيدروژن، اكسيژن ، نيتروژن ، گوگرد و در مورد زغال سنگ عناصر غير قابل احتراق به صورت خاكستر است .

دقيقترين روش پيدا كردن ارزش گرمايي سوخت :

ارزش گرمايي سوخت را مي توان به طور دقيق به سوزاندن مقدار معيني سوخت با اكسيژن خالص در دستگاهي به نام گرما سنج پيدا كرد.

در گرما سنج گرماي حاصل از احتراق در آب جذب مي شود و ارزش گرمايي با توجه به افزايش دماي آب تعيين مي شود ارزش گرمايي سوخت جامد يا مايع را معمولا بر حسب Btu/Ib و ارزش گرمايي سوخت گازي را با ³ Btu/ft ، در دما و فشار استاندارد مي دهند.

Btu :

Btu مخفف يكاي گرمايي بريتانيا است مقدار گرماي كه دماي يك پوند آب را به اندازه يك درجه فارنهايت بالا ببرد يك Btu است مقدار گرماي لازم كه دماي يك پوند آب را يك درجه بالا مي برد در دماههاي مختلف ممكن است كمي بيشتر يا كمتر باشد ولي تغيير بسيار جزئي است .

مواد اصلي مورد استفاده به عنوان سوخت :

مواد اصلي جامدهايي مثل چوب و زغال ، مايعاتي مثل مواد سوختي مشتق از نفت و گازهايي مانند گاز طبيعي ، گاز مولد ، گاز كوره بلند و گاز زغال سنگ است.

د- ‌ذغال سنگ، سوخت نفتي و گاز

طبقه بندي زغال :

طبقه بندي ذغال به روشهاي متعددي صورت مي گيرد كه بر مقدار كربن نسبت بين كربن ثابت و مواد فرار ، كك شو و كك نشو بودن ، و مشخصات فيزيكي ديگر مبتني است.

با وجود اين اختلاف زياد در تركيب و ظاهر فيزيكي زغالها كه از معادن گوناگون ذغال و حتي از مقاطع مختلف يك لايه زغال ناشي مي شود پيدا كردن يك سيستم طبقه بندي مناسب و رضايت بخش براي تمام ذغالها را دشوار مي كند.

معمولا سه نوع اصلي زغال وجود دارد : آنتراسيت ، بيتومينوس ( قيري ) و ليگنيت ولي هيچ گونه مرز آشكاري بين آنها وجود ندارد زغالهاي ديگري به نامهاي نيمه آنتراسيت ، نيمه بيتومينوس و ساب بيتو مينوس نيز داريم .

آنتراسيت كهنترين ذغال از لحاظ زمين شناختي است ذغالي است سخت و اصولا تركيبي است از كربن با مقدار كمي مواد فرار و عملا رطوبت ندارد اگر از آنتراسيت به سوي جوانترين ذغال سنگ يعني ليگنيت برويم مقدار كربن كاهش پيدا مي كند و مواد فرار و رطوبت افزايش مي يابند .

منظور از كربن ثابت كربن در حالت آزاد است كه با عنصري ديگر تركيب نشده است. منظور از مواد فرار مواد تشكيل دهنده قابل احتراق زغال سنگ است كه وقتي زغال گرم مي شود به صورت بخار متصاعد مي شود.

مقدار تقريبي ارزش گرمايي انواع مختلف زغالها :

به علت تنوع وسيعي كه در تركيب وجود دارد، غير ممكن است از ارقام قطعي و معيني براي هر نوع زغال به دست آورد.

معمولا ، ارزش گرمايي زغال لينگنيت 7000 تا 8000 Btu/lb ، و براي زغال بيتومينوس مرغوب تا حدود Btu/lb 15000 تغيير مي كند.

گرد ذغال :

اين نوع ذغال قبل از تزريق به كوره به صورت پودر ساخته مي شود . تزريق به وسيله دمش شديد هوا به داخل كوره صورت مي گيرد و بسيار شبيه به گاز مي سوزد.

ميانگين تركيب و مقدار ارزش گرمايي چوب :

ارزش گرمايي چوب و مقدار رطوبتش بستگي دارد ممكن است رطوبت د رچوبهاي تازه تا 50 در صد برسد حتي در چوبهاي خشك 15 تا 25 در صد و در چوبهاي خشك شده كوره اي تا 8 درصد رطوبت وجود دارد .

ميانگين تركيب و ارزش گرمايي سوخت نفتي :

سوخت نفتي ممكن است نفت خامي باشد كه مستقيما از چاه آمده است ولي معمولا مواد سنگيني است كه پس از تقطير نفت خام و جدا كردن نفتهاي سبكتر مثل گازوئيل و نفتالين باقي مي ماند نفت اصولا تركيبي از هيدروكربنها است و مقدار كمي رطوبت ، گوگرد اكسيژن و نيتروژن دارد.

تركيب و ارزش گرمايي گاز طبيعي :

گاز طبيعي اصولا تركيبي از هيدروكربنها همچون متان و اتان با مقدار كمي دي اكسيد كربن اكسيژن نيتروژن و گاهي اوقات سولفيد هيدروژن است .

ميانگين ارزش گرمايي اين گاز در حدود 1000 بيتيو و فوت مكعب

در فشار 7/14 psi و 60 درجه فارنهايت است.

عناصر قابل احتراق موجود در سوختها:

كربن ، هيدروژن و گوگرد

عناصر غير قابل احتراق موجود در سوختها :

نيتروژن و عناصري كه تركيبات آنها رطوبت و خاكستر را تشكيل مي دهد

سوختن گوگرد و تاثير آن و فلزات :

گوگرد چون با آب چگالش يافته تركيب مي شود و اسيد سولفوريك و اسيد سولفور و (H₂SO₄ - H₂SO₃) تشكيل مي دهد و سبب خوردگي شديد آهن و فولاد مي شود.

محصولات احتراق كامل كربن ، هيدروژن و گوگرد :

اگر اك كافي باشد كربن به دي اكسيدكربن ، هيدروژن به بخار آب و گوگرد به گاز دي اكسيدسولفور تبديل مي شود

محصولات احتراق غير كامل كربن، هيدروژن و گوگرد :

اگر اكسيژن براي احتراق كامل كافي نباشد و قسمتي از هيدروژن و گوگرد به آب و دي اكسيدكربن تبديل خواهد شد بقيه بدون تغيير باقي مي ماند.

كربن به منواكسيد كربن تبديل مي شود اكسيدكربن گازي قابل احتراق و همچنين بسيار مضر و سمي است .

هواي اضافي لازم براي سوختن كامل :

مقدار هواي لازم براي سوختن كامل هر سوخت را مي توان بر اساس تركيب سوخت به طور نظري محاسبه كرد، اما، بايد عملا هواي بيشتري به داخل كوره وارد كنيم تا از رسيدن اكسيژن به كليه عناصر قابل احتراق سوخت براي احتراق كامل مطمئن شويم.

مقدار مجاز ورود هواي اضافي به كوره ديگ :

1- تزريق دستي زغال سنگ؟ ج. تحت شرايط خوب 50 درصد تحت شرايط بد تا 100 درصد و بيشتر

2- تزريق زغال سنگ به وسيله منقل مكانيك ؟ ج. 50-20 در صد

3- سوخت نفت گاز يا پودري؟ ج. 30-10 در صد

منبع : انجمن علمي مهندسي مكانيك دانشگاه شهركرد