سوخت و احتراق

هنوز هم واکنشی که در آن سوخت با اکسیژن ترکیب می شود و گرما آزاد می کند، مهمترین فرایند تولید انرژی در جهان است.
گرما دستمایه کار مهندس است. و احتراق فرایندی است که مهندس هر روز با آن سرو کار دارد. با گرانتر شدن سوختها و تقاضای صنایع برای توان و بخار بیشتر، مهندس باید درباره چگونگی احتراق سوختها، و کسب بیشترین گرما از احتراق سوخت، بدون آلوده تر کردن محیط، دانش بیشتری کسب کند.

سوخت و احتراق

الف- خواص شیمیایی ماده
ماده:
ماده نام معمول کلیه اجسام مادی، گازی، مایع، یا جامدی است که زمین و اتمسفر اطراف آن را تشکیل می دهند.

ترکیب ماده:
هر ماده از اجسام ساده ای به نام عنصر یا ترکیبی از عنصر ها تشکیل می شود. مثلا با ترکیب دو جسم ساده، آهن و کربن، فولاد بدست می آوریم. آب ترکیبی از دو گاز هیدروژن و اکسیژن است.
92 عنصر وجود دارد، از هیدروژن که سبکترین عنصرهاست تا اورانیم که سنگینترین است.
عناصر به ندرت به حالت خالص اند و معمولا با دیگر عناصر به نسبتهای مختلف ترکیب می شوند و انواع بیشماری از اجسام مادی را در جهان اطرافمان تشکیل می دهند.

اتم :
اتم کوچکترین ذره ماده است که می تواند در تغییری شیمیایی شرکت کند. اتم از ذرات کوچکتری به نام الکترون تشکیل شده است، و تعداد الکترونها در اتم وزن آن را تعیین می کند.
هیدروژن سبکترین عنصر است و یک الکترون در چرخش به دور پروتون دارد. در صورتیکه اورانیم 92 الکترون در چرخش دارد.

وزن اتمی:
این اصطلاح به وزن نسبی اتم اشاره می کند. برای راحتی، اکسیژن را معمولا به منزله مقیاس وزن اتمی برابر 16 در نظر می گیرند، و وزن دیگر اتمها با اکسیژن مقایسه می شود.
با این مقیاس، وزن اتمی هیدروژن 1.008 یا اندکی بیشتر از یک به دست می آید.

مولکول :
مولکول کوچکترین ذره ماده است که به تنهایی می تواند موجود باشد مولکول از دو یا چند اتم یکسان یا متفاوت تشکیل می شود، مثلا یک مولکول اکسیژن مرکب از دو اتم اکسیژن و یک مولکول دی اکسید کربن مرکب از دو اتم اکسیژن و یک اتم کربن است.

وزن مولکولی:
وزن مولکولی یا وزن هر مولکول با جمع کردن وزن اتمی اتمهای آن مولکول محاسبه می شود. بنابراین وزن اتمی اکسیژن 16 است و مولکول اکسیژن که شامل دو اتم است وزن مولکولی 32=2×16 دارد.

ترکیب شیمیایی:
ترکیب اتمهای دو یا چند عنصر مختلف و تشکیل ماده دیگری است که غالبا خواص فیزیکی کاملا متفاوتی دارد. مثلا دو اتم هیدروژن با یک اتم اکسیژن ترکیب می شود و به شکل یک مولکول آب در می آید.
در هر ترکیب شیمیایی مفروض اتمها همیشه با نسبتهای یکسان ترکیب می شوند. ترکیبشان یک تغییر شیمیایی است و برای تجزیه این ترکیب به فرایندی شیمیایی نیاز است.

مخلوط مکانیکی :
مخلوط مکانیکی، مخلوط کردن فیزیکی دو جسم با یکدیگر است به شرطی که هیچ تغییر شیمیایی صورت نگیرد مخلوط مکانیکی ممکن است به وسیله فرایندهای فیزیکی یا مکانیکی مانند سرند کردن یا شستن دوباره به قسمتهای ترکیبی تجزیه شود مثلا می توانیم شکر و نمک را مخلوط کنیم با شستشوی شکر آنها تجزیه می شوند این کار فرایندی کاملا مکانیکی خواهد بود.

تشخیص ترکیب یک جسم مخلوط :
ذکر نام کامل عناصر در تمامی مواقعی که به آنها نیاز است کار بسیار دشواری است بنابراین بجای آن از نماد گذاری استفاده می کنیم معمولا نماد اولین حرف یا حروف از نام عنصر یا معادل لاتین آن است بنابراین برای کربن حرف C برای اکسیژن حرف O و برای آهن حرف Fe را از نام لاتین Ferrum می نویسیم.
اگر از یک عنصر بیشتر از یک اتم داشته باشیم تعداد را به صورت زیر نویس کوچکی بعد از حرف و زیر آن می نویسیم بنابراینO2  به معنی دو اتم اکسیژن است. به همین طریق هر ترکیبی از عناصر را می توان خیلی ساده به وسیله این نمادها نشان داد.

متداولترین عناصر موجود در سوخت :
جدول زیر وزنهای اتمی را به همراه نمادها نشان می دهد در محاسباتی که از وزن اتمی استفاده می شود غالبا اعشارها حذف می شوند، چون بسیار کوچک اند و در جواب عملا اختلافی ایجاد نمی کنند.

عنصر: کربن          وزن:12.005        نماد اتمی: C
عنصر: نیتروژن     وزن: 14.01        نماد اتمی: N
عنصر: اکسیژن     وزن: 16.00        نماد اتمی: O
عنصر: گوگرد         وزن: 32.06        نماد اتمی: S

هوا:
هوایی که تنفس می کنیم 21 در صد حجمی اکسیژن و 79 در صد حجمی نیتروژن است.
نیتروژن عنصر غیر فعال است و با مواد دیگر به کندی واکنش انجام می دهد. اما اکسیژن بدین گونه نیست. اکسیژن هوا همیشه نقره را تیره، پوشش مسی را به رنگ سبز، و آهن و فولاد را زنگ زده میکند. کلیه این فرایندهای اکسایش نام دارند، که ترکیب مواد با اکسیژن است.
همه این فرایندها گرما آزاد می کنند، اما گرما کندتر از آن آزاد می شود که سبب آتش سوزی شود.

ب- نحو ی احتراق
احتراق:
احتراق اکسایش سریع است، به اندازه ای سریع که گرمای واکنش قسمت نسوخته سوخت را روشن نگه می دارد و شعله یا سوختن را پیوسته برقرار نگه می دارد. چشم ما به ما می گوید که چوب، زغال سنگ و بنزین می سوزند. اما به بیان دقیق، هیچ چیزی نمی سوزد، مگر به صورت گاز باشد، وقتی زغال سنگ، چوب یا بنزین را می سوزانیم، در حقیقت گاز حاصل از این جامدها یا مایعات را می سوزانیم.
با توجه به شمع می توان این گفته را اثبات کرد. موم جامد نمی سوزد موم مذاب اطراف فتیله نیز نمی سوزد. اما بخار حاصل از این موم مذاب،هنگامی که از فتیله بالا می رود و به شعله می رسد می سوزد و گرمای بیشتری تولید می کند، تا لایه بعدی موم را ذوب و تبخیر کند.
بنابراین شمع می سوزد زیرا فتیله موم مذاب را می مکد، آن را تبخیر می کند، و چنانکه گفته شد، بخار موم برا اثر گرما شعله ور می شود.

سوختن گاز :
گاز می بایست قابل احتراق باشد، و به نسبت مناسبی با هوا مخلوط شود. مخلوط باید به دمای اشتعال برسد و در آن دما نگه داشته شود. ساده ترین گاز قابل احتراق، عنصر هیدروژن است. شیمیدانها می گویند که اتم هیدروژن با یک اتم اکسیژن ترکیب می شود و H2O به دست می آید که آب معمولی است.
زمانی که آب در دمای بالا به وسیله احتراق تولید می شود، نخست بخاری نامرئی است که ممکن است بعد از چگالش، آب مایع شود. در نتیجه سوختن هر پوند هیدروژن و تبدیل آن به آب، Btu 62000 انرژی گرمایی آزاد می شود.
برای سوختن یک پوند هیدروژن هشت پوند اکسیژن مصرف می شود تا نه پوند آب تولید شود مقدار زیادی نیتروژن که در طول عملیات با اکسیژن همراه است آزاد می شود و وارد واکنش شیمیایی نمی شود.
گاز طبیعی عمدتا متان است. این فرمول شیمیایی بدین معنی است که یک مولکول گاز طبیعی یک اتم کربن و چهار اتم هیدروژن دارد زمانیکه یک مولکول گاز طبیعی می سوزد هیدروژن مثل قبل به آب و کربن یعنی دی اکسیدکربن تبدیل می شود.

سوختن هیدروکربن :
سوختهای هیدروکربنی بسیاری با نسبتهای گوناگون کربن و هیدروژن وجود دارند با هر نسبتی هیدروژن سرانجام به آب تبدیل می شود.
کربن معمولا بعد از سوختن به دی اکسید کربن تبدیل می شود. اما گاهی اوقات کامل نمی سوزد به منواکسید کربن تبدیل می شود حتی اگر یک گاز قابل احتراق سرد با مقدار صحیحی اکسیِژن برای احتراق مخلوط شودتا زمانی که دمای مقداری از مخلوط به دمای اشتعال نرسد، هیچ اتفاقی نمی افتد در صورت رسیدن دما به مقداری معین سوختن شروع می شود و گرمای ناشی از سوختن گاز ذرات بعدی مخلوط را مشتعل می کند به گونه ای که آتش به سرعت منتشر می شود.
اگر مخلوطی هوای بیش از اندازه یا کمتر از مقدار لازم داشته باشد به سختی مشتعل می شود یک شعله دائم و پیوسته مستلزم تغذیه پیوسته سوخت است مانند مشعل گازی پروانه ای و مشعل بونسن. مشعل پروانه ای شعله زرد و مشعل بونسن شعله آبی رنگ دارد.

شعله های زرد و آبی :
اگر هیدروژن خالص می سوخت شعله ها هر دو آبی کم رنگ می بود. چون هیدروژن شامل کربن نیست نمی تواند شعله زرد رنگ تولید کند اما گاز شهری و طبیعی مقدار زیادی اتم کربن در مولکولهای هیدروکربن دارند در اینجا اگر هیدروژن بتواند به اندازه جز کوچکی از ثانیه پیش از کربن بسوزد ذرات کربن مانند ابری از مولکولهای انفرادی رها می شوند که قبل از اینکه بسوزند برای لحظه ای ملتهب می شوند. میلیونها ذره ملتهب که نو ر سفید دارند تشکیل شعله زرد می دهند.

اصطلاح کراکینگ :
مولکول هیدروکربن در نتیجه گرما به ذرات کربن و هیدروژن تقسیم می شود گاز هیدروژن نخست با شعله کم رنگ می سوزد ولی شعله با وجود میلیونها ذره کربن ملتهب به رنگ زرد کم رنگ دیده می شود.
سطحی که در آن ذرات فوق به دی اکسید کربن تبدیل می شوند لبه بالای شعله است بالای این نقطه گرما ی بیشتری تولید نمی شود ولی البته گرمای آزاد شده پیشین در زیر شعله به شکل محصولات احتراق قابل رویت بالا می آید چنانچه قاشق سردی را دقیقا بالای شعله پروانه ای نگه داریم هیچ گونه دوده ای روی آن نخواهد نشست چون کل کربن سوخته است همان قاشق را به داخل شعله فرو ببرید سریعا با دوده پوشیده می شود در اینجا قاشق مخلوط را قبل از اینکه کل کربن سوزانده شود تا زیر نقطه اشتعال سرد می کند به طوریکه کربن سوخته نشده روی قاشق می نشیند.

دوده و دود :
هر جا شعله زردی به سطوح نسبتا سرد برخورد کند قبل از اینکه همه کربن بسوزد شعله به زیر دما ی اشتعال آمده سرد خواهد شد. کربن نسوخته بصورت دوده روی سطوح گرمایی رسوب می کند یا از طریق دود کش به صورت دود بیرون می رود در هر حالت اتلاف و آلودگی ایجاد می شود.
برای جلوگیری از این پدیده از احتراق کامل قبل از رسیدن شعله های زرد به لوله های درون دیگ مطمئن شوید راههای اساسی برای انجام این کار عبارتند از کاهش ارتفاع کوره، حجم کوره یا دمای آن یا اطمینان از مخلوط شدن کامل تر به طوری که مواد قابل احتراق زودتر بسوزند.

رفتار شعله در کوره دیگ :
در یک قسمت کوره مخلوط برای سوختن ممکن است بسیار سنگین باشد در نواحی دیگر کوره ممکن است تقریبا فقط هوا وجود داشته باشد و گاز قابل احتراق وجود نداشته باشد مخلوط ممکن است بسیار سبک باشد به گونه ای که بد بسوزد یا اصلا نسوزد بنابراین حتی در صورت درست بودن مقدار میانگین هوا ممکن است احتراق بد صورت گیرد چون بعضی از قسمتهای مخلوط بسیار سنگین و بعضی بسیار سبک اند.
در واقع هیدروکربنهای زغال سنگ، نفت و گاز ممکن است یک رشته واکنش انجام دهند د ر هر صورت باید به خاطر داشته باشیم که هیدروژن سرانجام به آب و کربن (اگر کامل بسوزد) به دی اکسیدکربن تبدیل می شوند. اما اگر کربن به طور کامل نسوزد ممکن است که گاز Co تولید کند، که باز هم قابل سوختن است و چنانچه نسوخته به دودکش راه یابد اتلاف بزرگی است.

ج- سوختهای در دسترس
مواد اصلی تشکیل دهنده سوختهای مورد استفاد ه در دیگها :
مود اصلی تشکیل دهنده کلیه سوختهای مورد استفاده برای دیگها، کربن، هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن، گوگرد و در مورد زغال سنگ عناصر غیر قابل احتراق به صورت خاکستر است.

دقیقترین روش پیدا کردن ارزش گرمایی سوخت :
ارزش گرمایی سوخت را می توان به طور دقیق به سوزاندن مقدار معینی سوخت با اکسیژن خالص در دستگاهی به نام گرما سنج پیدا کرد.
در گرما سنج گرمای حاصل از احتراق در آب جذب می شود و ارزش گرمایی با توجه به افزایش دمای آب تعیین می شود ارزش گرمایی سوخت جامد یا مایع را معمولا بر حسب Btu/Ib و ارزش گرمایی سوخت گازی را با 3 Btu/ft، در دما و فشار استاندارد می دهند.

Btu :
Btu مخفف یکای گرمایی بریتانیا است مقدار گرمای که دمای یک پوند آب را به اندازه یک درجه فارنهایت بالا ببرد یک Btu است مقدار گرمای لازم که دمای یک پوند آب را یک درجه بالا می برد در دماههای مختلف ممکن است کمی بیشتر یا کمتر باشد ولی تغییر بسیار جزئی است.

مواد اصلی مورد استفاده به عنوان سوخت :
مواد اصلی جامدهایی مثل چوب و زغال، مایعاتی مثل مواد سوختی مشتق از نفت و گازهایی مانند گاز طبیعی، گاز مولد، گاز کوره بلند و گاز زغال سنگ است.

د- ‌ذغال سنگ، سوخت نفتی و گاز
طبقه بندی زغال :
طبقه بندی ذغال به روشهای متعددی صورت می گیرد که بر مقدار کربن نسبت بین کربن ثابت و مواد فرار، کک شو و کک نشو بودن، و مشخصات فیزیکی دیگر مبتنی است.
با وجود این اختلاف زیاد در ترکیب و ظاهر فیزیکی زغالها که از معادن گوناگون ذغال و حتی از مقاطع مختلف یک لایه زغال ناشی می شود پیدا کردن یک سیستم طبقه بندی مناسب و رضایت بخش برای تمام ذغالها را دشوار می کند.
معمولا سه نوع اصلی زغال وجود دارد : آنتراسیت، بیتومینوس ( قیری ) و لیگنیت ولی هیچ گونه مرز آشکاری بین آنها وجود ندارد زغالهای دیگری به نامهای نیمه آنتراسیت، نیمه بیتومینوس و ساب بیتو مینوس نیز داریم.
آنتراسیت کهنترین ذغال از لحاظ زمین شناختی است ذغالی است سخت و اصولا ترکیبی است از کربن با مقدار کمی مواد فرار و عملا رطوبت ندارد اگر از آنتراسیت به سوی جوانترین ذغال سنگ یعنی لیگنیت برویم مقدار کربن کاهش پیدا می کند و مواد فرار و رطوبت افزایش می یابند.
منظور از کربن ثابت کربن در حالت آزاد است که با عنصری دیگر ترکیب نشده است. منظور از مواد فرار مواد تشکیل دهنده قابل احتراق زغال سنگ است که وقتی زغال گرم می شود به صورت بخار متصاعد می شود.

مقدار تقریبی ارزش گرمایی انواع مختلف زغالها :
به علت تنوع وسیعی که در ترکیب وجود دارد، غیر ممکن است از ارقام قطعی و معینی برای هر نوع زغال به دست آورد.
معمولا، ارزش گرمایی زغال لینگنیت 7000 تا 8000 Btu/lb، و برای زغال بیتومینوس مرغوب تا حدود Btu/lb 15000 تغییر می کند.

گرد ذغال :
این نوع ذغال قبل از تزریق به کوره به صورت پودر ساخته می شود. تزریق به وسیله دمش شدید هوا به داخل کوره صورت می گیرد و بسیار شبیه به گاز می سوزد.

میانگین ترکیب و مقدار ارزش گرمایی چوب :
ارزش گرمایی چوب و مقدار رطوبتش بستگی دارد ممکن است رطوبت د رچوبهای تازه تا 50 در صد برسد حتی در چوبهای خشک 15 تا 25 در صد و در چوبهای خشک شده کوره ای تا 8 درصد رطوبت وجود دارد.

میانگین ترکیب و ارزش گرمایی سوخت نفتی :
سوخت نفتی ممکن است نفت خامی باشد که مستقیما از چاه آمده است ولی معمولا مواد سنگینی است که پس از تقطیر نفت خام و جدا کردن نفتهای سبکتر مثل گازوئیل و نفتالین باقی می ماند نفت اصولا ترکیبی از هیدروکربنها است و مقدار کمی رطوبت، گوگرد اکسیژن و نیتروژن دارد.

ترکیب و ارزش گرمایی گاز طبیعی :
گاز طبیعی اصولا ترکیبی از هیدروکربنها همچون متان و اتان با مقدار کمی دی اکسید کربن اکسیژن نیتروژن و گاهی اوقات سولفید هیدروژن است.
میانگین ارزش گرمایی این گاز در حدود 1000 بیتیو و فوت مکعب
در فشار 7/14 psi و 60 درجه فارنهایت است.

عناصر قابل احتراق موجود در سوختها:
کربن، هیدروژن و گوگرد

عناصر غیر قابل احتراق موجود در سوختها :
نیتروژن و عناصری که ترکیبات آنها رطوبت و خاکستر را تشکیل می دهد

سوختن گوگرد و تاثیر آن و فلزات :
گوگرد چون با آب چگالش یافته ترکیب می شود و اسید سولفوریک و اسید سولفور و (H2SO4 – H2SO3) تشکیل می دهد و سبب خوردگی شدید آهن و فولاد می شود.

محصولات احتراق کامل کربن، هیدروژن و گوگرد :
اگر اک کافی باشد کربن به دی اکسیدکربن، هیدروژن به بخار آب و گوگرد به گاز دی اکسیدسولفور تبدیل می شود

محصولات احتراق غیر کامل کربن، هیدروژن و گوگرد :
اگر اکسیژن برای احتراق کامل کافی نباشد و قسمتی از هیدروژن و گوگرد به آب و دی اکسیدکربن تبدیل خواهد شد بقیه بدون تغییر باقی می ماند.
کربن به منواکسید کربن تبدیل می شود اکسیدکربن گازی قابل احتراق و همچنین بسیار مضر و سمی است.

هوای اضافی لازم برای سوختن کامل :
مقدار هوای لازم برای سوختن کامل هر سوخت را می توان بر اساس ترکیب سوخت به طور نظری محاسبه کرد، اما، باید عملا هوای بیشتری به داخل کوره وارد کنیم تا از رسیدن اکسیژن به کلیه عناصر قابل احتراق سوخت برای احتراق کامل مطمئن شویم.

مقدار مجاز ورود هوای اضافی به کوره دیگ :
1- تزریق دستی زغال سنگ؟
ج. تحت شرایط خوب 50 درصد تحت شرایط بد تا 100 درصد و بیشتر
2- تزریق زغال سنگ به وسیله منقل مکانیک ؟
ج. 50-20 در صد
3- سوخت نفت گاز یا پودری؟
ج. 30-10 در صد