شیمی احتراق دیگ بخار -بخش دوم

محصولات احتراق

بیان خلاصه معادله ها و تجزیه محصولات احتراق، جدول خلاصه معادله ها و تجزیه محصولات احتراق، جدول محصولات احتراق گاز طبیعی بر اساس مرطوب و خشک، جدول  محاسبه چگالی گازهای خروجی از کوره

محصولات احتراق

اکثر ابزارهای دقیق که برای تجزیه گازهای خروجی از کوره به کار می روند، از گازهایی که رطوبت ناشی از احتراق و رطوبت همراه سوخت آنها خارج شده است، استفاده می کنند.

عمل تجزیه با تقطیر و گاهی نیز با خشک کردن گازها انجام می گیرد که در این صورت حجم کلی گازهای خشک کمتر از حجم کلی گازهای مرطوب است و بنابراین درصد اجزاء دهنده آن نیز متفاوت است که در گزارش نتیجه ازمایش باید به ان اشاره کرد.

جدول ۳-۴ خلاصه معادله ها و تجزیه محصولات احتراق

حجم محصولات حاصل از احتراق با اکسیژن

حجم اکسیژن لازم تئوری از معادله های ۳-۴ تا ۳-۹

نسبت حجمی گاز

درصد حجمی گاز

نوع گاز

شماره معادله

N۲

SO۲

H۲O

CO۲

۰.۰۱۴

۰.۰۰۲

۱.۸۹۰

۰.۰۸۷

۰.۰۱۶

۰.۰۱۰

۰.۰۰۶

۰.۰۰۲

۰.۹۴۵

۰.۰۵۸

۰.۰۱۲

۰.۰۰۸

۰.۰۰۵

۰.۰۰۳

۱.۸۹۰

۰.۱۰۲

۰.۰۲۰

۰.۰۱۳

۰.۰۰۸

۰.۰۰۳

۰.۹۴۵

۰.۰۲۹

۰.۰۰۴

۰.۰۰۲

۰.۰۰۱

۰.۰۰۲

۰.۰۰۳

۰.۰۱۴

۹۴.۵

۲.۹

۰.۴

۰.۲

۰.۱

۰.۲

۰.۳

۱.۴

CH۴

C۲H۶

C۳H۸

C۴H۱۰

C۵H۱۲

H۲S

CO۲

N۲

۳.۴

۳.۵

۳.۶

۳.۷

۳.۸

۳.۹

در سوخت

در سوخت

۰.۰۱۴

۰.۰۰۲

۲.۰۱۱

۱.۰۳۱

۲.۰۳۶

۱.۰۰۰

۱۰۰.۰

مجموع

هوا شامل ۲۱% حجمی ازت (نیتروژن) است. هوای لازم به مقدار تئوری برای تامین ۲.۰۳۵۵ حجم اکسیژن به این صورت عمل می شود.

حجم هوا ۹.۶۹۳ = ازت ۲.۰۳۵۵ O۲ + ۷.۶۵۷

هوای لازم با احتساب ۱۰% هوای اضافی

حجم هوا ۲.۲۳۹O۲ + ۸.۴۲۳ N۲ = ۱۰.۶۶۲

مجموع محصولات احتراق (مرطوب ) با ۱۰% هوای اضافی شامل ازت موجود در سوخت به این صورت محاسبه می شود:

حجم سوخت / حجم (۲.۲۳۹-۲.۰۳۵۵)O۲ +(۸.۴۲۳ +۰.۰۱۴)N۲ +۱.۰۳۱ CO۲ +۲.۰۱۱ H۲O +0.002SO۲= ۱۱.۶۸۵

مجموع محصولات احتراق (خشک) با ۱۰% هوای اضفی شامل ازت موجود در سوخت:

حجم سوخت/ حجم (۲.۲۳۹-۲.۰۳۵۵) O۲+(۸.۴۲۳+۰.۰۱۴)N۲+۱.۰۳۱CO۲+۰.۰۰۲SO۲= ۹.۶۷۴

ارقام فوق در جدول ۳-۵ خلاصه شده است.

بعضی تجزیه گرهای اکسیژن گازهای کوره ، نمونه برداری نمی کنند بلکه با قرار گرفتن لوله ای از جنس Zirconia در کانال عبور گازهای مرطوب کوره، مقدار اکسیژن را اندازه گیری می کنند.

این سنجش بر مبنای گازهای مرطوب می باشد. حجم کلی گازهای خروجی از کوره را براساس طراحی آن، می توان با محاسبه چگالی گازهای خروجی از کوره را بر اساس طراحی آن، می توان با محاسبه چگالی گازه مطابق آنچه در بخش مربوطه و جدول ۳-۶ ذکر شد تعیین کرد.

جدول ۳-۵ محصولات احتراق گاز طبیعی بر اساس مرطوب و خشک

درصد حجم خشک

حجم خشک

درصد حجم تر

حجم تر

محصولات احتراق

۱.۰۶۵۷

۰.۰۲۱

۸۷.۲۱۳

۲.۱۰۹

۱.۰۳۱

۰.۰۰۲

۸.۴۳۷

۰.۲۰۴

۸.۸۲۳

۱۷.۲۱

۰.۰۱۷

۷۲.۲۰

۱.۷۵

۱.۰۳۱

۲.۰۱۱

۰.۰۰۲

۸.۴۳۷

۰.۲۰۴

Co۲

H۲o

So۲

N۲

O۲

۱۰۰.۰۰

۹.۶۷۴

۱۰۰.۰۰

۱۱.۶۸۵

مجموع

جدول ۳-۶ محاسبه چگالی گازهای خروجی از کوره

درصد حجم خشکc

(از جدول ۳-۵)

درصد حجم ترB

(از جدول ۳-۵)

جرم مولیA

گاز

۴.۶۸۹

۰.۰۱۳

۲۴.۴۲۰

۰.۶۷۵

۱۰.۶۵۷

۰.۰۲۱

۸۷.۲۱۳

۲.۱۰۹

۳.۸۸

۳.۱۰

۰.۰۱

۲۰.۲۲

۰.۵۶

۸.۸۲۳

۱۷.۲۱۰

۰.۰۱۷

۷۲.۲۰۰

۱.۷۵۰

۴۴

۱۸

۶۴

۲۸

۳۲

Co۲

H۲o

So۲

N۲

O۲

۲۹.۷۹۷

۱۰۰.۰۰

۲۷.۷۷

۱۰۰.۰۰

مجموع

۲۷.۷۷/۲۲.۴=۱.۲۴ kg m = غلظت گازهای خروجی کوره (مرطوب)

۲۹.۷۹۷/۲۲.۴=۱.۳۳kg m = غلظت گازهای خروجی کوره (خشک)

 

 

تجزیه سوخت های جامد و مایع بر مبنای جرم های عناصر شیمیایی قابل احتراق موجود در سوخت انجام می گیرد، برخلاف تجزیه گازها که این کار براساس نسبت های حجمی گازهای تشکیل دهنده، نظیر متان CH۴ صورت می گرفت.

سوخت های جامد و مایع

سوخت های جامد نیز دارای مواد معدنی و رطوبت هستند، که مواد جامد تبدیل به خاکستر می گردد و رطوبت نیز تبخیر شده و باعث رقیق کردن محصولات احتراق می شود.

سوخت های مایع ته مانده برج تقطیر، نظیر سوخت سنگین کوره دارای مواد معدنی و رطوبت است که مقدار آن بسیار کمتار از مقادیر موجود در سوخت های جامد است و در کل به حدود ۰.۲% بالغ می گردد، در حالیکه در مورد زغال های با درجه زیر ۵۰mm این مقدار به ۲۰% می رسد. (جدول ۳-۳)

محاسبه هوای لازم جهت احتراق و تجزیه محصولات احتراق سوخت های جامد و مایع تقریبا نظیر سوخت های گاز است. برای مثال در مورد زغال، مواد قابل احتراق آن کربن، هیدروژن و گوگرد می باشد.

همان طور که در جدول دیده می شود مقدار قابل ملاحظه ای اکسیژن در تجزیه وجود دارد که از قبل با بعضی از اجزاء تشکیل دهنده سوخت ترکیب شده و بنابراین مقدار آن از کل اکسیژن لازم (به مقدار تئوری) کسر می گردد.

حال با در نظر گرفتن ۴۰% هوای اضافی برای احتراق زغال در دیگ های بخار متوسط (که مقدارش در دیگ های بزرگ، کمتر است) معادله های احتراق بررسی می شود. قابل ذکر است که در احتراق نفت کوره در دیگ های متوسط مقدار هوای اضافی ۱۷% است که این مقدار در دیگ های لوله – آبی بزرگ، کمتر می باشد.

چون آنالیز سوخت بر مبنای جرمی است، محاسبات احتراق نیز بر اساس جرم انجام می گیرد.

معادله احتراق کربن به این صورت است:

C+o۲ = co۲

جرم مولی کربن ۱۲ و جرم مولی اکسیژن ۳۲ می باشد. بنابراین موازنه مولی به این صورت است:

۴۴ واحد جرمی دی اکسید کربن = ۳۲ واحد جرمی اکسیژن + ۱۲ واحد جرمی کربن

طبق جداول قبلی مقدار کربن در تجزیه سوخت برابر با ۶۶% است، یعنی ۰.۶۶ کیلوگرم کربن در یک کیلوگرم سوخت. بنابراین، برای این سوخت، جرم های مولی در (۰.۶۶/۱۲) ضرب می شود که معلوم می شود ۰.۶۶ کیلوگرم کربن نیاز به ۱.۷۶ کیلوگرم اکسیژن دارد تا ۲.۴۲ کیلوگرم دی اکسید کربن بدهد. معادله به این صورت است:

۰.۶۶ C + 1.76 O۲ = ۲.۴۲ CO۲ [۱۰-۳]

جهت سایر اجزاء تشکیل دهنده سوخت نیز به همین ترتیب عمل می شود.

· مقدار هیدروژن ۴.۱% یعنی ۰.۰۴۱ کیلوگرم سوخت است.

۲H۲+O۲=۲H۲O

۴+۳۲=۳۶

با ضرب دو طرف معادله در (۰.۰۴۱/۴)

۰.۰۴۱H۲ + ۰.۳۲۸ O۲ = ۰.۳۶۹ H۲O [11-3]

* مقدار گوگرد ۱.۷% یعنی ۰.۰۱۷ کیلوگرم در هر کیلوگرم سوخت است.

S+O۲=SO۲

۳۲+۳۲=۶۴

با ضرب دو طرف معادله در (۰.۰۱۷/۳۲)

۰.۰۱۷S + 0.017 O۲ =۰.۰۳۴ SO۲ [۱۲-۳]

نتایج فوق در جدول ۳-۷ خلاصه شده که در آن مقدار اکسیژن موجود در سوخت، هنگام تعیین مقدار تئوری اکسیژن لازم، در نظر گرفته شده است. با اضافه کردن ۴۰% هوای اضافی، آنالیز گازهای خروجی از کوره براساس موازنه جرمی معین شده است.

در این وضعیت، براساس محاسباتی که براساس جرم انجام شده می توان نتایج را آزمایش و بررسی کرد. به طور مثال :

جرم گازهای خروجی از کوره = جرم سوخت بدون خاکستر + جرم هوای داده شده

کیلوگرم گازهای خروجی از کوره ۱۳.۲۹۷ = کیلوگرم سوخت بدون خاکستر ۰.۹۲۳ + کیلوگرم سوخت/ کیلوگرم هوا ۱۲.۳۷۴

این محاسبه برقراری جریان کافی گازهای حاصل از احتراق را در کوره جهت محاسبات انتقال حرارت فراهم می سازد. محاسبات سوخت های گاز را نیز می توان براساس جرمی محاسبه کرد مشروط بر آن که ابتدا مطابق ستون F جدول ۳-۱ آنالیز آن به جرم تبدیل شود.

جدول ۳-۷ آنالیز محصولات احتراق جرمی زغال

محصولات احتراق با اکسیژن سوخت kg/

گاز kg

درجه اکسیژن تئوری سوخت Kg/kg

درصد جرمی اجزا سوخت

ترکیبات سوخت

N۲

So۲

H۲o

Co۲

۰.۰۱۳

۰.۰۳۴

۰.۳۶۹

۰.۱۲۰

۲.۴۲

۱.۷۶۰

۰.۳۲۸

۰.۰۱۷

-۰.۰۷۲

۶۶.۰

۴.۱

۱.۷

۷.۲

۱.۳

۱۲.۰

۷.۷

C

H

S

O۲

N۲

H۲o

خاکستر

۰.۰۱۳

۰.۰۳۴

۰.۴۸۹

۲.۴۲

۲.۰۳۳

مجموع

هوا شامل ۲۳% وزنی اکسیژن و ۷۷% وزنی ازت است . هوای تئوری لازم برای تهیه ۲.۰۳۳ کیلوگرم اکسیژن به این صورت است:

کیلوگرم هوا ۲.۰۳۳ o۲ + ۶.۸۰۶N۲ = ۸.۸۳۹

هوای لازم با احتساب ۴۰% هوای اضافی،

۲.۸۴۶O۲ + ۹.۵۲۸ N۲ = ۱۲.۳۷۴

کل محصولات احتراق (مرطوب) با ۴۰% هوای اضافی و ازت موجود در سوخت از این قرار است:

(۲.۸۴۶-۲.۰۳۳) o۲+(۹.۵۲۸ +۰.۰۱۳)N۲ + ۲.۴۲ CO۲ +۰.۴۸۹ H۲O+0.034SO۲ = ۱۳.۲۹۷ کیلوگرم سوخت/ کیلوگرم گاز

کل محصولات احتراق (خشک) با ۴۰% هوای اضافی و ازت موجود در سوخت از این قرار است:

(۲.۸۴۶-۲.۰۳۳)O۲ +(۹.۵۲۸ +۰.۰۱۳)N۲+۲.۴۲CO۲+۰.۰۳۴ SO۲ = ۱۲.۸۰۸

کیلوگرم سوخت / کیلوگرم گاز

این ارقام در جدول ۳-۸ خلاصه شده است.

محصولات احتراق سوخت های جامد و مایع

برای تبدیل جرمی این سوخت ها به حجمی، باید عکس عملیات بخش ۳-۲ را انجام داد، به این صورت که نسبت جرمی هر یک از اجزا را بر جرم مولکولی خوشد تقسیم نمود تا نسبت حجمی بدست آید. از این نسبت حجمی می توان درصد حجمی (مرطوب یا خشک) را مشخص کرد. نتایج حاصل در جدول ۳-۸ خلاصه شده است.

هنگام بهره برداری از بویلر های بخار لازم است نسبت بین اکسیژن و دی اکسید کربن موجود در محصولات احتراق و نیز هوای اضافی مصرف شده جهت احتراق معلوم گردد.

برای این منظور می توان از شکل ۳-۱ یا نمودارهایی که از یک سری محاسبات با مقادیر مختلف هوای اضافی برای سوخت تهیه شده، استفاده کرد. همچنین می توان از فرمول زیر استفاده نمود:

VCO۲= (۱-(VO۲/۲۱))VCO۲

که در آن :

درصد حجمی دی اکسید کربن در گازهای کوره V CO۲

درصد حجمی اکسیژن در گازهای کوره VO۲

درصد تئوری حجمی دی اکسید کربن برای سوخت معین V CO۲

قابل ذکر است که چگالی محصولات احتراق گاز طبیعی ۱.۲۴ KG M و چگالی محصولات احتراق زغال ۱.۳۲۳ kg m می باشد و در مورد سوخت سنگین کوره رقمی بین این دو مناسب است. چگالی هوا ۱.۲۹ kg m است که در ارزیابی های تقریبی می توان چگالی محصولات احتراق سوخت های تجاری را بدون اختلاف فاحشی، با چگالی هوا برابر گرفت.

درصد حجمی

نسبت حجمی
D=B/A

جرم تر سوخت kg/kgB

درصد حجم خشک

نسبت حجمی

C=B/A

جرم خشک سوخت kg/kgB

جرم مولکولی A

محصولات احتراق

۱۲.۲۶

۶.۰۲

۰.۱۱

۷۵.۹۵

۵.۶۶

۰.۰۵۵۰

۰.۰۲۷۰

۰.۰۰۰۵

۰.۳۴۰۷

۰.۰۲۵۴

۲.۴۲۰

۰.۴۸۹

۰.۰۳۴

۹.۵۴۱

۰.۸۱۳

۱۳.۰۴۶

۰.۱۱۹

۸۰.۸۱

۶.۰۲۵

۰.۰۵۵۰

۰.۰۰۰۵

۰.۳۴۰۷

۰.۰۲۵۴

۲.۴۲۰

۰.۰۳۴

۹.۵۴۱

۰.۸۱۳

۴۴

۱۸

۶۴

۲۸

۳۲

Co۲

H۲O

SO۲

N۲

O۲

۱۰۰.۰

۰.۴۴۸۶

۱۳.۲۹۷

۱۰۰

۰.۴۲۱۶

۱۲.۸۰۸

مجموع

ارزش گرمایی یک سوخت مقدار حرارت آزاد شده توسط احتراق واحد جرم آن سوخت تحت شرایط خاص دما و فشار می باشد، که برای تعیین آن می توان مقدار معینی از سوخت را در کالریمتری که تمام گرمای آزاد شده قابل اندازه گیری است، سوزاند.

ارزش گرمایی (انرژی ویژه)

تعریف های جامع تری نیز برای ارزش گرمایی وجود دارد. مقادیر واقعی ارزش گرمایی توسط عرضه کننده سوخت تحت عنوان ارزش گرمایی اعلام شده یا ارایه نمونه ای از سوخت در محل مصرف جهت آنالیز، معلوم می گردد.

شیوه اخیر در مورد زغال به علت تغییرات میزان رطوبت آن بسیار دقیق است. در مورد گاز طبیعی لوله کشی شده، یا مخزن های بزرگ گاز مایع، مقادیر اعلام شده آنها کفایت می کند.

در مورد نفت کوره ، باید گفت که ارتباط نزدیکی بین ارزش گرمایی، چگالی و گوگرد موجود در این سوخت برقرار است که نتیجه آن بر آزمایشهای کالریمتری ترجیح داده می شود.

دو نوع ارزش گرمایی ناخالص و خالص وجود دارد که تفاوت بین این دو مهم است. ارزش گرمایی ناخالص مجموع انرژی آزاد شده است ولی در ارزش گرمایی خالص، مقدار گرمای نهان بخارات آب موجود در محصولات احتراق منظور نمی شود و نقشی در انتقال حرارت برای آن قایل نمی شوند ولی در بعضی دیگ بخار مدرن امروزی که بخشی از بخارات تقطیر می شود، این امر کاملا صادق نیست.

 

بنابراین برای جلوگیری از هر گونه ابهامی، در موقع گزارش ارزش گرمایی سوخت یا بازده دیگ، ذکر خالص یا ناخالص ضروری است. چون ارزش گرمایی خالص عدد کوچکتری است (در اروپا به آن ارزش گرمایی پایین تر گفته می شود) بازده دیگ – درصد تبدیل حرارت داده شده به انرژی مفید برای تولید مشخص – بیشتر از موردی است که از ارزش گرمایی ناخالص (یا ارزش گرمایی بالاتر) استفاده شود. بعضی اوقات آگاهنه واژه های خالص و ناخالص برای فریب افراد ناوارد توسط شیادان حذف می شوند!

 

گاهی ارزش گرمایی سوخت مصرفی مشخص نیست، در این صورت چنانچه آنالیز حجمی، در مورد گازها ، یا آنالیز جرمی، در مورد سوخت های جامد یا مایع، معین باشد می توان ارزش گرمایی را تخمین زد.

در سوخت های گازی با ضرب کردن درصد هر یک از اجزاء قابل احتراق سوخت در ارزش گرمایی آن جزء که به اسانی می توان از کتاب های کرجع به دست آورد، ارزش گرمایی سوخت معلوم می گردد. این ارزش گرمایی عبارت از مجموع حاصل ضربهای فوق بخش بر ۱۰۰ می باشد.

در عمل این نتیجه به راحتی حاصل نمی شود و نیاز به منظور کردن فاکتور تراکم پذیری دارد که توصیه می شود به منابع ویژه مراجعه شود.

در مورد سوخت های فسیلی زغال و نفت کوره، وقتی مقدار اکسیژن موجود در سوخت کمتر از ۱۰% باشد، با فرمول موسوم به Dulong محاسبه می گردد.

Qg = ۳۳۷ C + 1442 (H-(O/8))+93S [14-3]

که در این فرمول:

ارزش گرمایی ناخالص (kJ kg)Qg

درصد کربن (As fired)C

درصد هیدروژن (As fired)H

درصد اکسیژن (As fired)O

درصد گوگرد (As fired)S

(درصد ها وزنی هستند)

در مورد سوخت های آلی و ضایعاتی که بیش از ۱۰% اکسیژن دارند فرمول موسوم به Vondracek به کار برده می شود:

Qg = C (373 –(۲۶.۱(C۱/۱۰۰)))+۱۱۳۰(H-(O/10))+105S [5-3]

که در آن C۱ درصد کربن بر مبنای خشک و بدون خاکستر است. سایر علایم، از جمله C، مانند معادله [۱۴-۳] است.

هر دو فرمول فوق حدود ۵% نتیجه بالاتر می دهند. برای اینکه حدود تقریبی ارزش حرارتی سوخت های معمولی را بدانیم، مقادیر زیر بر مبنای As fired تعیین شده اند.

زغال شسته شده زیر اندازه ۵۰ میلی متر ۲۷۰۰۰kj kg

چوب (با ۲۰% رطوبت) ۱۶۰۰۰ kj kg

نفت کوره سنگین ۴۲۹۰۰ kj kg

گازوئیل ۴۵۴۵۰۰۰ kj kg

گاز طبیعی ۳۸ MJ m

اعداد فوق تقریبی هستند. اعداد دقیق تر مربوط به سوخت های جامد مایع و گاز را در منابع اختصاصی می توان دید.

این مطالب را هم ببینید:

شیمی احتراق دیگ بخار

منبع مطالب :کتاب تکنولوژی دیگ های بخار صنعتی تالیف David Gunn & Robert Horten و با ترجمه مهندس رفیعی پور

انواع دیگ های(بویلرهای) بخار مشهد بویلرانواع دیگهای(بویلرهای)روغن داغ مشهد بویلرانواع دیگ های(بویلرهای) آبگرم(آبداغ)-دیگ فولادی مشهد بویلربخارشوی-کارواش-تجهیزات موتورخانه-روغن حرارتی-هیتر هوای گرمفیلترشنی-مبدل حرارتی-سختی گیر-موگیر و صافی-منبع کوئل دارمقالات تخصصی بویلر(دیگ بخار)-نرم افزارهای تخصصی-استانداردهای فنی

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *