1 – أساسيات الاحتراق :
تعريف الاحتراق : الاحتراق هو تأكسد سريع للوقود أو بعبارة أخرى هو أتحاد كيمياوي سريع للأوكسجين مع عناصر محددة , وهذه العناصر المحددة , هي العناصر التي يتكون منها الوقود . والأحتراق يحدث سريعا ويتطلب أقل درجة حرارة ليبدأ التفاعل .
ومن أجل أحتراق فعال , العناصر المتفاعلة يجب أن تمزج مع الأوكسجين للوصول الى درجة حرارة مناسبة بوقت كافي للتفاعل . وهناك ثلاثة عوامل تؤثر على الأحتراق , هي
الاضطراب Turbulence , درجة الحرارة Temperature , الزمن Time .
قواعد الأحتراق : أن أغلب أنواع الوقود المناسبة , هي كاربون وهيدروجين , وأحيانا توجد في بعض أنواع الوقود ( الكبريت Sulfur ) وهو يساهم في أنتاج الحرارة , لكن ينتج نواتج غيرمرغوبه , مثل ثاني أوكسيد الكبريت ( Sulfur dioxide ) . أن الوقود الغازي الهايدروكاربوني ( مثلا الميثان Methane CH4) , ينتج عند الأحتراق ( ثاني أوكسيد الكاربون وبخار الماء ) . الأوكسجين متوفر من الهواء , والهواء هو خليط . ويشكل النتروجين النسبه الأكبر من خليط الهواء .
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + Heat ( 1 )
أما الوقود الكاربوني الصلب ( مثل الكاربون C ) , فأحتراقه ينتج Carbon dioxide
C + O2 = CO2 + Heat ( 2 )
As the following reaction formula indicates , partial or incomplete formula indicates partial or incomplete carbon combustion is accompanied , by the formation of carbon monoxide , a highly toxic gas :
2C + O2 = 2CO + Heat ( 3 )
If , on the other hand , excessive oxygen is supplied to the mixture , we say the mixture is weak and combustion is oxidative.
Besides carbon dioxide and water vapor, other compounds are produced during combustion in smaller amounts , such as sulphur oxides , nitric oxides , carbon monoxide and metallic oxides , which are dealt with further on .
2- حسابات الاحتراق :
2-1 / فكرة المول Concept of the mole :
كل عنصر يمتلك كتلة ذرية نوعية ( specific atomic mass ) , وكل مركب يمتلك كتلة مولية نوعية ( specific molecular mass ) .
Carbon has an atomic mass of 12 , Oxygen an atomic mass of 16 while dioxide CO2 has a molecular mass of 44 .
2-2 / تركيب الهواء :
الهواء الجوي يتكون من 78% نتروجين و 21 % أوكسجين و1% غازات أخرى , لذلك نسبة النتروجين الى الأوكسجين 3.76 .
في جميع التطبيقات العملية للأحتراق , الأوكسجين يجهز من مكونات الهواء الجوي , وكذلك النتروجين يمر ولا يتفاعل , لذلك يظهر النتروجين في طرفي معادلة الأحتراق بنفس النسبه , لا يتغير , لذلك تكون معادلة أحتراق الكاربون , كما يلي :
C + O2 + 3.76 N2 = CO2 + 3.76 N2 ( 4 )
لكن , أذا أردنا تعادل الكتله , نستخدم فكرة المول , لنصل الى :
12kg C + 32kg O2 + 105.3kg N2 = 44 kg CO2 + 105.3 kg N2
من هذه المعادلة , يمكن أن نحدد كمية الهواء المطلوبة لحرق كمية محددة من الوقود , لذلك , فأن نسبة الهواء الى الوقود ( air – fuel ratio ) :
m air / mfuel = 11.44 kg air / kg fuel ( 5 )
وهذه النسبه مهمة ( نسبه كيماوية ) ويطلق عليها stoichiometric , وتعني أن جميع الوقود يتفاعل كاملا مع جميع الأوكسجين .
2 -3 / متطلبات الهواء الزائد ( الفائض ) Excess air requirements
ظروف الاحتراق الستيكوميترك Stoichiometric , هي الحالة المثالية التي يصعب الوصول أليها عمليا , عندما يستهلك الأوكسجين والوقود , المتفاعلات الباقية تصبح
أكثر مخففه وتتطلب وقت أكثر للتجانس في ما بينها , ونتيجة ذلك تبقى كميه محددة من الأوكسجين والوقود غير متفاعلة وتغادر وسط الاحتراق .
لإيجاد حل لهذه المشكلة , نزيد قليلا كمية الهواء المجهزة للاحتراق عن القيمة النظرية , لذلك فأن الاحتراق الكامل سوف يتحقق , لكن بعض الأوكسجين الزائد يمر بالاحتراق ولا يتفاعل . أغلب عمليات الاحتراق فيها كميه من الهواء الزائد excess air والتي تدخل في حسابات الاحتراق , وتم تخمين هذه الكمية الزائدة ب 25% من الكمية النظرية theoretical لذلك تصبح كمية الهواء المستعملة للاحتراق هي 1.25 .
لذلك فأن نسبة الهواء الزائد ( الفائض ) , هي :
Excess air = (Actually air supplied-theoretical amount)/(theoretical amount ) ( 6 )
وإذا أردنا كتابة معادلة احتراق الكاربون :
C + 1.25 ( O2 + 3.76 N2 ) = CO2 + 0.25 O2 + 4.7 N2 ( 7 )
Converting this to kilogram – mole to obtain a mass balance gives the following :
12kg C + 40kg O2 + 131.6kg N2 = 44kg C + 8kg O2 + 131.6kg N2 (8)
The corresponding air – fuel ratio to give 25% air is then given by:
mair / mfuel = 14.3kg air / kg fuel .
For example , the stoichiometric burning of Propane ( C3H8 ) in Oxygen is :
C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O ( 9 )
For example , the stoichiometric burning of Propane ( C3H8 ) in air is :
C3H8 + 5O2 + 18.87N2 = 3CO2 + 4H2O + 18.87N2 ( 10 )
3 – القيمة الحرارية Calorific Value ( C V )
تعرف القيمة الحرارية للوقود الصلب والوقود السائل , بأنها الحرارة المتولدة بالكيلو جول من الاحتراق الكامل لواحد كيلوغرام من الوقود .
والقيمة الحرارية للوقود ’ نوعان , القيمة الحرارية العليا higher calorific value والقيمة الحرارية الواطئة lower calorific value . فالقيمة الحرارية العليا ( HCV ),
هي مجموع الحرارة المتحررة من مكونات الوقود , مثل الكاربون C والهيدروجين Hوالكبريت S , ومعادلتها :
C V = 33780 C + 144200 H2 + 9280 S ( 11 )
والقيمة الحرارية الواطئة ( LCV ) , أن الحرارة الكامنة نظرا لتشكل البخار من هيدروجين الوقود وأوكسجين الهواء , لذلك فأن الحرارة المسحوبة لتوليد البخار تقلل من كمية الحرارة المتولدة أصلا , والحرارة المتبقية هي القيمة الحرارية الواطئة .
ومعادلتها :
LCV = HCV - 9H2 × 2460 ( 12 )
2460 KJ is the Latent heat of one kg of steam formed .
4 – السيطرة على الاحتراق Combustion Control
لكي يكون الاحتراق مثالي , يجب أن تكون كمية الهواء الحقيقية أكثر من الكمية النظرية والتي تشترك بالتفاعل الكيماوي ( والكمية النظرية للهواء هي Stoichiometric air ). وهذه الزيادة في كمية الهواء نحتاجها لأكسدة جميع الوقود المتاح , ولكي نتفادا بقاء أي جسيمات من الوقود غير محترقة احتراق كامل , فالفرق بين كمية الهواء الحقيقية وكمية الهواء المثالية Stoichiometric هي كمية الهواء الزائدة excess air . وكقاعدة كميه الهواء الزائد تتراوح بين 5 % و 50% عن الستويكوميترك , وتعتمد على نوع الوقود ونوع الحارق Burner . أن عملية الاحتراق ( أكسدة الوقود ) عملية صعبة , لذلك نحتاج إلى هواء زائد الضروري لإكمال عملية الاحتراق التام , ولكن أيضا من الناحية الأخرى , فأن وجود كمية هواء زائد أكثر من المطلوب , سوف يؤدي إلى تذبذب كفاءة الاحتراق وكذلك إلى تخفف من غازات الاحتراق flue gases الناتجة والتي تؤدي إلى تقليل درجة الحرارة وتقليل كفاءة المرجل . الاحتراق يكون كامل وتام عند التحقق من أن أول أوكسيد الكاربون CO تكون وتم احتراقه .
5 – كفاءة الاحتراق :
كفاءة الأحتراق تعرف بأنها نسبة بين الطاقة الحرارية المتحققة والطاقة الموجودة بالوقود :
ɳcomb. = (energy supplied by combustion)/(primary energy used) ( 13 )
Primary energy is equal to the amount of fuel used for the calorific values .
The difference between the primary energy used and the energy supplied by combustion is equal to the thermal energy contained in the flue gases produced by combustion.
The efficiency of boiler ( ɳboiler ) can be calculated using the following formula :
ɳboiler = 100 - Ps ( 14 )
Ps – thermal output lost through the flue pipe .
6 – شروط الاحتراق المثالي :
1 – كمية الهواء المجهزة كافية لحرق الوقود كاملا ( نسبة الوقود إلى الهواء نسبة مضبوطة ) .
2 - الهواء والوقود يجب أن يمزجا بصورة كاملة , وذلك باستخدام تيار هواء مضطرب , لكي يحصل امتزاج كامل .
3 – الوقود يجب أن يبقى في الفرن Furnace وقت كافي إلى أن يحصل احتراق كاملا
4 – حرارة الفرن يجب أن تكون كافية لكي تصل إلى درجة الاتقاد لخليط الوقود والهواء .
7 – مجموعة الحارق والفرن Furnace and Burner system :
مجموعة الحارق يجب أن تضبط ويسيطر عليها , لكي نضمن أن التحول من الطاقة الكيماوية المتحررة من الوقود إلى الطاقة الحرارية تحصل بكفاءة عالية , وكذلك نضمن انتقال الحرارة إلى أنابيب المرجل انتقالا كاملا .
الحارق Burner :
الوقود يحترق داخل الحارق Burner , الحارق يستلم الوقود الذي يرذذ بواسطة البخار أو يرذذ ميكانيكا , وعملية الترذيذ عملية مهمة ولابد منها , لأنه لا يمكن للوقود أن يمتزج مع الهواء , بدون عملية ترذيذة .
وهناك طريقتين لترذيذ الوقود :
1 – تسخين الوقود بواسطة البخار , أو بعبارة أخرى مزج البخار مع الوقود , حيث يؤدي هذا المزج إلى تبخر الوقود , لكي تحدث عملية مزجة مع الهواء .
2 – ترذيذ الوقود ميكانيكيا , وهناك عدة أجهزة لترذيذ الوقود بهذه الطريقة .
وبصورة عامة , فأن ترذيذ الوقود Atomizing fuel يعني تجزئة الوقود إلى جسيمات صغيرة لكي تمتزج مع الهواء قبل الاحتراق .
ومن الجدير بالذكر , أن الوقود يسخن قبل أن يصل إلى الحارق Burner , لكي نقلل من لزوجة الوقود , لكي تتم عملية المزج مع الهواء بكفاءة , وبالتالي نحسن من عملية الاحتراق
هناك عدة أنواع من الحارق الميكانيكي , ونذكر نوعين فقط من هذه الأنواع , وهما
1 – Rotary Cup Burner :
شكل رقم (1)
في الشكل (1) يوضح هذا النوع من البيرنرات , حيث يجهز الوقود في أنبوب مركزي ويبثق الوقود داخل السطح الداخلي لمخروط دوار , ويجهز الهواء بواسطة مروحة .
2 – Dual fuel Burner حارق الوقود الثنائي
في الشكل (2) يوضح هذا النوع , يمكن باستعمال هذا النوع من البيرنارات , استخدام نوعين الوقود , أي يمكن ترتيب الجهاز لاستعمال أما الغاز الطبيعي Natural gas أو زيت الغاز ( الديزل ) fuel oil , أيهما متوفر يمكن أستخدامة , وممكن تحديد شكل الشعلة وأتجاهها , وتحسين ظروف المزج بين الهواء والوقود .
شكل رقم (2)
وفي الشكل (3) صورة فوتوغرافية إلى Burner يستعمل في مراجل محطات القدرة , وهو بيرنر غازي , فيه نوزل مركزي لتوزيع الغاز .
شكل (3)
من الجدير بالذكر , أذا كان البويلر هو قلب المحطة , فأن البيرنر هو قلب البويلر , لأهميته في تنفيذ عملية الاحتراق في البويلر , وأمداد البويلر بالحرارة اللازمة لتحويل الماء الى بخار وتزويد المحطة بالحرارة المطلوبة لأجهزة المحطة المختلفة .
مما تقدم فأن نتائج الاحتراق والتي هي الغازات المشتعلة ( الحارة ) Flue gases , لا يمكن أن تبقى قريبه من شعلة الاحتراق وأنما يجب تحريكها وتوجيهها إلى الأجزاء التي يجب أن ننقل أليها الحرارة المطلوبة , فهناك مروحتين , أحدهما قرب البيرنر في بداية الاحتراق وتسمى مروحة الدفع FDF , والمروحة الثانية , قرب قاعدة المدخنة Chimney وتسمى مروحة السحب IDF , لهذا فأن الغازات الحارة الناتجة من الاحتراق Flue gases تدفع بواسطة مروحة الدفع , فتمر هذه الغازات على أنابيب البويلر الداخلية والتي تحدث فيها عملية التبخير Evaporation process والتي تسمى Riser tubes , وبعدها تمر هذه الغازات
الحارة على أنابيب المحمص Superheater , وبعدها على أنابيب ( معيد التسخين ) Reheater وبعدها تمر على أنابيب المقتصدة Economizer , وثم تمر هذه الغازات الحارة على مسخن الهواء Air preheater , ثم تسحب هذه الغازات الحارة , بعد أن استنفذنا معظم الطاقة الحرارية التي فيها , بواسطة مروحة السحب IDF وتقذف إلى الجو بواسطة المدخنة Chimney .
مع التقدير
تشرين الأول 2020
أ.م.د عبد الكريم عبد الوهاب
جامعة المستقبل -هندسة تقنيات ميكانيك القوى