شیمی احتراق دیگ بخار

در این مطلب و مطالب بعدی به بررسی زوایای مختلف شیمی احتراق دیگ بخار خواهیم پرداخت. تعریف علمی شیمی احتراق دیگ بخار، ترکیبات شیمایی سوخت، محاسبات احتراق انواع سوخت های جامد و مایع از موارد مورد بررسی هستند.

شیمی احتراق دیگ بخار

طراحی دیگ بخار مستلزم داشتن اطلاعات جامعی از سوخت و مواد حاصل از احتراق آن است. در این فصل محاسبات احتراق كه در آن مقادیر هوای لازم، گازهای حاصل و تجزیه و غلظت این گازها بررسی می شود و نیز ارزش گرمایی سوختها مورد بحث قرار می گیرد.

چون در محاسبات احتراق به تعیین غلظت گازها اشاره می شود، ابتدا به تشریح آن می پردازیم:

چگالی گازها

جرم مولی یك جسم عبارت از مجموع حاصلضرب جرم اتمی در تعداد اتمهای هر یك از عناصر شیمیایی فرمول آن جسم است. بنابراین در مونواكسید كربن(co) كه یك اتم كربن و یك اتم اكسیژن وجود دارد، با توجه به این كه جرم های اتمی آن به ترتیب 12 و 16 است، جرم مولی برابر با 28=16 × 1 + 12× 1 می باشد.

در دی اكسید كربن (Co₂) كه یك اتم كربن و 2 اتم اكسیژن دارد، جرم مولی برابر با 44 = 32 +12 = 16×2+12×1 می باشد. این محاسبه را می توان برای سایر مواد به كار برد. جرم مولی را می توان در هر یك از واحدهای جرم بیان كرد.

حجم مولی یك گاز حجمی است كه توسط جرم مولی آن در شرایط معین دما و فشار اشغال شده است. در واحدهای SI ، جرم مولی تمام گازها حجمی معادل 22.4m²₂) ، در (273 k) 0ºv و فشار مطلق 1.013bar ، غلظت (co₂) ، یعنی جرم بر حجم برابر است با: در دمای 0 º c و 1.01 bar abs است.

برای مثال در مورد (co 44/22.4=1.9643 kg m^-3 دما و فشار 0 ºc و 1.01 bar را به نام استانداردهای دما و فشار می نامند.

اصطلاح دیگری نیز به نام دما و فشار نرمال نیز در مباحث شیمی احتراق دیگ بخار به كار می رود كه شرایط عادی اتمسفر را نشان می دهد گرچه تعاریف قابل قبول جهانی برای این دو واحد وجود ندارد.

بنابراین در واحد چگالی گازها، برای جلوگیری از ابهام، به شرایط دما و فشار باید اشاره كرد.

در مواردی كه فشار و دمای گاز از 1.013 bar و 0ºc تجاوز می كند، چگالی گاز در شرایط جدید با استفاده از قانون گازها به این صورت محاسبه می شود:

PV=WRT

كه در آن :

فشار مطلق P

حجم V

جرم گازی كه حجم v را اشغال كرده W

دما بر حسب k T

عدد ثابت جهانی برای گاز R

(همه بر حسب واحد یكسان)

W/V=P/RT = چگالی

P₁/(RT₁) = چگالی

P₂/(RT₂)= 2 چگالی

بنابراین نتیجه می شود:

(₂چگالی T₂ / P₂ = (₁ چگالی T₁ / R=P₁

كه نتیجه می شود

3-3 T₁/T₂×(P₂/P₁) × ₁ چگالی = ₂ چگالی

به طور مثال در مورد گاز (co₂)، غلظت در tºc و p بار برابر است با:

×(273/(273+t×(p/1.013)kg m^-3

1.9643

چگالی مخلوط گازها

چگالی مخلوط گازها را می توان به سادگی ابتدا با تعیین جرم مولی مخلوط و سپس به كمك اصولی كه گفته شد، محاسبه نمود.

به طور مثال چگالی گاز طبیعی طبق آنالیز داده شده در جدول 3-1 محاسبه می شود. جرم مولی مخلوط، با ضرب كردن نسبت حجمی هر یك از اجزا در جرم مولی و جمع نتایج به دست می آید.

جدول 3-1 تعیین آنالیز جرمی گاز طبیعی به كمك آنالیز حجمی آن

نسبت جرمی	درصد جرمی	نسبت جرمی D=B×C	جرم مولكولی C	نسبت حجم	درصد حجم A	فرمول	تركیب
0.8922 0.0513 0.0104 0.007 0.0042 0.0040 0.0078 0.0231	89.224 5.134 1.036 0.685 0.425 0.401 0.779 2.313	15.120 0.870 0.176 0.116 0.072 0.068 0.132 0.392	16 30 44 58 72 34 44 28	0.945 0.029 0.004 0.002 0.001 0.002 0.003 0.014	94.5 2.9 0.4 0.2 0.1 0.2 0.3 1.4	CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 H2S   CO2 N2	متان اتان پروپان بوتان پنتان سولفور هیدروژن كربن اكسیدازت
1.000	100.0	16.946		1.000	100.0		كل

جرم مولی مخلوط = 16.946

در جدول 1-3 خلاصه این محاسبات درج شده است. حاصلضرب ستون b در ستون c مساوی با ستون D است. جمع ارقام ستون D برابر با حجم مولی مخلوط گازها یعنی 16.946 می باشد. چگالی مخلوط گاز طبیعی در 0ºC و فشار 1.013 BAR برابر با 16.946/22.4=0.7565 kg^-3 _­ می باشد.

راه دیگر محاسبه به این صورت است كه چنانچه مقادیر غلظت هر یك از اجزا گاز معلوم باشد، نسبت حجمی (ستون B) هر یك از اجزا را در غلظت آن جزء ضرب كرده و نتایج را جمع می نماییم تا غلظت گاز مخلوط به دست آید. باید دقت كرد كه مقادیر چگالی همه در یك شرایط مساوی فشار و دما باشند. تبدیل نتیجه به شرایط مطلوب، طبق معادله 3-3 محاسبه می شود.

 

اجزاء قابل احتراق موجود در كلیه سوخت های فسیلی زغال، نفت و گاز طبیعی عبارت از كربن، هیدروژن و در بعضی موارد گوگرد تركیب شیمیایی سوخت ها را تشکیل می دهد. این اجزاء به صورت عنصری نیستند بلكه بین خود و گاهی نیز با سایر اجسام تركیب شده اند . مواد خنثی نظیر سیلیس و اكسیدهای فلزی نیز ممكن است وجود داشته باشند.

 

تركیب شیمیایی سوخت ها

آنالیز سوخت های جامد و مایع را بر حسب جرم و آنالیز سوخت های گازی را بر حسب حجم آنها مشخص می سازند.

آنالیز سوخت های جامد به صورت تقریبی، یا نهایی نیز می تواند بیان شود. در آنلیز تقریبی مقدار رطوبت، خاكستر، مواد فرار و كربن ثابت سوخت برحسب درصد وزنی و نیز ارزش گرمایی آن تعیین می گردد.

آنالیز تقریبی اطلاعات محدودی از خصوصیات احتراق ر ا به دست می دهد، ولی آنالیز نهایی سوخت های جامد و مایع عناصر تشكیل دهنده سوخت را كه قابل احتراق هستند، همراه با خاكستر و رطوبت آن، مشخص می سازد.

با آنالیز جداگانه ای، اجزا تشكیل دهنده خاكستر هم می تواند مشخص گردد . تجزیه گازها معمولا فقط گازهای تشكیل دهنده آن را به صورت حجمی نشان می دهد.

خشك وبدون خاكستر	خشك	به حالت معمولی	تركیب
62.5 37.5 – –	57.03 34.22 8.75 –	50.19 30.11 7.7 12.0	كربن خالص مواد فرار خاكستر رطوبت
100.0	100.0	100.0	كل
33624	30682	27000	انرژی گرمایی kj kg-1

 

آنالیز نهایی سوخت ها

از آنالیز نهایی برای تعیین هوای لازم احتراق و محصولات حاصل از احتراق استفاده می شود.

آنالیز سوخت های جامد طبق استاندارد BS1016 انجام می شود. آنالیز سوخت های مایع نیز بر حسب استاندارد IP جهت مواد نفتی و فراورده های آن به كار می رود.

آنالیز سوخت های گازی در محل و توسط عرضه كنندگان آن تعیین می گردد.

آنالیز سوخت های جامد، به خصوص زغال، به صورت های مختلف نظیر وضعیت دریافتی، وضعیت احتراق، خنك، خشك و بدون خاكستر یا خشك و بدون مواد معدنی، بیان می شود.

آنالیز های شكل دریافتی و شكل احتراق، به صورت های تقریبی و نهایی فقط در رطوبت موجود آنها تفاوت دارند كه با وضعیت ذخیره سازی، آب و هوا، و چگونگی جابجایی سوخت، متغیر است.

جدول 3-3

نفت سنگین	زغال
85.4% 11.4% 2.8% 0.1% 0.1% 0.1% 0.1%	66.0% 4.1% 1.7% 7.2% 1.3% 12.0% 7.7%	كربن هیدروژن گوگرد اكسیژن ازت رطوبت خاكستر
42900	27000	انرژی گرمایی ناخالص kj kg-1

آنالیز خشک سوخت

آنالیز خشك درصد اجزاء سوخت را بدون رطوبت آن و آنالیز خشك و بدون خاكستر، این آنالیز را بدون رطوبت یا خاكستر نشان می دهد. اجزاء خشك سوخت را می توان با ضرب كردن وضعیت دریافتی یا وضعیت سوخت در حاصل كسر (درصد رطوبت – 100) / 100 به دست آورد.

اجزاء خشك و بدون خاكستر را می توان با ضرب كردن اجزاء وضعیت دریافتی یا وضعیت احتراق د ر ((رطوبت + درصد خاكستر) – 100)/ 100 محاسبه كرد.

مقادیر خاكستر و مواد معدنی دقیقا یكسان نیستند زیرا بخشی از مواد معدنی هنگام حرارت دادن جهت تعیین خاكستر، تجزیه شده از بین می روند. بنابراین مقدار خاكستر كمی از مقدار مواد معدنی كمتر است. گاهی اوقات آنالیز خشك و بدون مواد معدنی را “Parr s basis” می نامند.

 

محاسبات احتراق بر اساس معادله های ساده واكنش شیمیایی اجزاء قابل احتراق سوخت با اكسیژن قرار گرفته است. واكنش های شیمیایی مواد گازی بر اساس حجمی مطابق فرمول های ارایه شده در این مطلب محاسبه می شوند.

 

محاسبات احتراق

محاسبات احتراق بر اساس معادله های ساده واكنش شیمیایی اجزاء قابل احتراق سوخت با اكسیژن قرار گرفته است.

سوخت های گاز

سوخت های گازی شامل گازهای مایع مواد نفتی سنگین مركب از مخلوط پروپان و بوتان تا گازهای سبك كوره بلند (ذوب آهن) كه محتوی فقط %22 مونواكسید كربن با 2.4% هیدروژن رقیق شده با مواد خنثی، دی اكسید كربن و ازت است، می باشد.

از زمان های قدیم گاز طبیعی، معمولی ترین سوخت كوره ها بوده است. این گاز بیشتر شامل متان است كه تجزیه آن در جداول مطالب قبلی نشان داده شده است.

گاز دریای شمال بدون گوگرد است، ولی به خاطر تكمیل محاسبات، مقدار ناچیزی هیدروژن سولفره برای آن در نظر گرفته شده است، زیرا به طور كلی گو.گرد از اجزاء تشكیل دهنده سایر سوخت های گازی می باشد.

واكنش های شیمیایی مواد گازی براساس حجمی مطابق فرمول های زیر است:

مقدار حجمی متان 94.5%

CH₄+ 2O₂ ® CO₂+2H₂O

ضرب طرفین واكنش در 0.945 كه نسبت حجمی است

3-4 (حجم H₂O) 1.89 + (حجم CO₂) 0.945 ® (حجم اكسیژن) 1.89 + (حجم CH₄ ) 0.945

 مقدار حجمی اتان 2.9%

C₂H₆+3.5O₂®2CO₂+3H₂O

ضرب طرفین معادله در 0.029

3-50.029 C₂H₆+0.1015O₂®0.058CO₂ +0.087 H₂O

مقدار پروپان 0.4%

C₃H₈+5O₂®3CO₂+4H₂O

ضرب طرفین معادله د ر0.004

3-60.004 C₃H₈+0.02O₂®0.012CO₂ +0.016 H₂O

 مقدار بوتان 02%

C₄H₁₀+6.5O₂®4CO₂+5H₂O

ضرب طرفین معادله د ر0.002

3-70.002 C₄H₁₀+0.013O₂®0.008CO₂ +0.01 H₂O

پنتان 0.1%

C₅H₁₂+8O₂®5CO₂+6H₂O

ضرب طرفین معادله د ر0.001

3-80.001 C₅H₁₂+0.008O₂ ® 0.005CO₂ + 0.006 H₂O

هیدروژن سولفره 0.02%

H₂S + 1.5O₂ ® SO₂+H₂O

ضرب طرفین معادله د ر0.002

3-90.002 H₂S+0.003O₂®0.002SO₂ +0.002 H₂O

باید توجه داشت كه حجم های دو طرف معادله از نظر مجموع، یكسان نیستند، این موضوع در معادله های بالا مشهود است.

مرحله بعدی خلاصه كردن معادله های فوق برای به دست آوردن مقدار اكسیژن لازم (به مقدار تئوری) Stoichhiometric است. جهت نیتروژن موجود در هوای سوخت و هوای اضافی لازم جهت تكمیل احتراق (10% در این مورد)، مقادیری منظور شده و سپس محصولات احتراق بر اساس مرطوب و خشك محاسبه شده است.

در عمل هوای احتراق شامل مقدار كمی رطوبت است، كه در صورت معلوم بودن مقدار آن (Humidity)، می توان آن را محاسبه و همراه با هوای اضافی به محصولات احتراق اضافه نمود.

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 خشك، جدول  محاسبه چگالی گازهای خروجی از كوره

محصولات احتراق

اكثر ابزارهای دقیق كه برای تجزیه گازهای خروجی از كوره به كار می روند، از گازهایی كه رطوبت ناشی از احتراق و رطوبت همراه سوخت آنها خارج شده است، استفاده می كنند.

عمل تجزیه با تقطیر و گاهی نیز با خشك كردن گازها انجام می گیرد كه در این صورت حجم كلی گازهای خشك كمتر از حجم كلی گازهای مرطوب است و بنابراین درصد اجزاء دهنده آن نیز متفاوت است كه در گزارش نتیجه ازمایش باید به ان اشاره كرد.

جدول 3-4 خلاصه معادله ها و تجزیه محصولات احتراق

حجم محصولات حاصل از احتراق با اكسیژن				حجم اكسیژن لازم تئوری از معادله های 3-4 تا 3-9	نسبت حجمی گاز	درصد حجمی گاز	نوع گاز	شماره معادله
N2	SO2	H2O	CO2
– – – – – – 0.014	– – – – 0.002 – –	1.890 0.087 0.016 0.010 0.006 0.002 – –	0.945 0.058 0.012 0.008 0.005 – 0.003 –	1.890 0.102 0.020 0.013 0.008 0.003 – –	0.945 0.029 0.004 0.002 0.001 0.002 0.003 0.014	94.5 2.9 0.4 0.2 0.1 0.2 0.3 1.4	CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 H2S CO2 N2	3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 در سوخت در سوخت
0.014	0.002	2.011	1.031	2.036	1.000	100.0		مجموع

هوا شامل 21% حجمی ازت (نیتروژن) است. هوای لازم به مقدار تئوری برای تامین 2.0355 حجم اكسیژن به این صورت عمل می شود.

حجم هوا 9.693 = ازت 2.0355 O₂ + 7.657

هوای لازم با احتساب 10% هوای اضافی

حجم هوا 2.239O₂ + 8.423 N₂ = 10.662

مجموع محصولات احتراق (مرطوب ) با 10% هوای اضافی شامل ازت موجود در سوخت به این صورت محاسبه می شود:

حجم سوخت / حجم (2.239-2.0355)O₂ +(8.423 +0.014)N₂ +1.031 CO₂ +2.011 H₂O +0.002SO₂= 11.685

مجموع محصولات احتراق (خشك) با 10% هوای اضفی شامل ازت موجود در سوخت:

حجم سوخت/ حجم (2.239-2.0355) O₂+(8.423+0.014)N₂+1.031CO₂+0.002SO₂= 9.674

ارقام فوق در جدول 3-5 خلاصه شده است.

بعضی تجزیه گرهای اكسیژن گازهای كوره ، نمونه برداری نمی كنند بلكه با قرار گرفتن لوله ای از جنس Zirconia در كانال عبور گازهای مرطوب كوره، مقدار اكسیژن را اندازه گیری می كنند.

این سنجش بر مبنای گازهای مرطوب می باشد. حجم كلی گازهای خروجی از كوره را براساس طراحی آن، می توان با محاسبه چگالی گازهای خروجی از كوره را بر اساس طراحی آن، می توان با محاسبه چگالی گازه مطابق آنچه در بخش مربوطه و جدول 3-6 ذكر شد تعیین كرد.

جدول 3-5 محصولات احتراق گاز طبیعی بر اساس مرطوب و خشك

درصد حجم خشك	حجم خشك	درصد حجم تر	حجم تر	محصولات احتراق
1.0657 – 0.021 87.213 2.109	1.031 – 0.002 8.437 0.204	8.823 17.21 0.017 72.20 1.75	1.031 2.011 0.002 8.437 0.204	Co2 H2o So2 N2 O2
100.00	9.674	100.00	11.685	مجموع

جدول 3-6 محاسبه چگالی گازهای خروجی از كوره

	درصد حجم خشكc (از جدول 3-5)		درصد حجم ترB (از جدول 3-5)	جرم مولیA	گاز
4.689 — 0.013 24.420 0.675	10.657 – 0.021 87.213 2.109	3.88 3.10 0.01 20.22 0.56	8.823 17.210 0.017 72.200 1.750	44 18 64 28 32	Co2 H2o So2 N2 O2
29.797	100.00	27.77	100.00		مجموع

27.77/22.4=1.24 kg m^-3 = غلظت گازهای خروجی كوره (مرطوب)

29.797/22.4=1.33kg m^-3 = غلظت گازهای خروجی كوره (خشك)

 

تجزیه سوخت های جامد و مایع بر مبنای جرم های عناصر شیمیایی قابل احتراق موجود در سوخت انجام می گیرد، برخلاف تجزیه گازها كه این كار براساس نسبت های حجمی گازهای تشكیل دهنده، نظیر متان CH₄ صورت می گرفت.

سوخت های جامد و مایع

سوخت های جامد نیز دارای مواد معدنی و رطوبت هستند، كه مواد جامد تبدیل به خاكستر می گردد و رطوبت نیز تبخیر شده و باعث رقیق كردن محصولات احتراق می شود.

سوخت های مایع ته مانده برج تقطیر، نظیر سوخت سنگین كوره دارای مواد معدنی و رطوبت است كه مقدار آن بسیار كمتار از مقادیر موجود در سوخت های جامد است و در كل به حدود 0.2% بالغ می گردد، در حالیكه در مورد زغال های با درجه زیر 50mm این مقدار به 20% می رسد. (جدول 3-3)

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 كربن، هیدروژن و گوگرد می باشد.

همان طور كه در جدول دیده می شود مقدار قابل ملاحظه ای اكسیژن در تجزیه وجود دارد كه از قبل با بعضی از اجزاء تشكیل دهنده سوخت تركیب شده و بنابراین مقدار آن از كل اكسیژن لازم (به مقدار تئوری) كسر می گردد.

حال با در نظر گرفتن 40% هوای اضافی برای احتراق زغال در دیگ های بخار متوسط (كه مقدارش در دیگ های بزرگ، كمتر است) معادله های احتراق بررسی می شود. قابل ذكر است كه در احتراق نفت كوره در دیگ های متوسط مقدار هوای اضافی 17% است كه این مقدار در دیگ های لوله – آبی بزرگ، كمتر می باشد.

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

معادله احتراق كربن به این صورت است:

C+o₂ = co₂

جرم مولی كربن 12 و جرم مولی اكسیژن 32 می باشد. بنابراین موازنه مولی به این صورت است:

44 واحد جرمی دی اكسید كربن = 32 واحد جرمی اكسیژن + 12 واحد جرمی كربن

طبق جداول قبلی مقدار كربن در تجزیه سوخت برابر با 66% است، یعنی 0.66 كیلوگرم كربن در یك كیلوگرم سوخت. بنابراین، برای این سوخت، جرم های مولی در (0.66/12) ضرب می شود كه معلوم می شود 0.66 كیلوگرم كربن نیاز به 1.76 كیلوگرم اكسیژن دارد تا 2.42 كیلوگرم دی اكسید كربن بدهد. معادله به این صورت است:

0.66 C + 1.76 O₂ = 2.42 CO₂ [10-3]

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

· مقدار هیدروژن 4.1% یعنی 0.041 كیلوگرم سوخت است.

2H₂+O₂=2H₂O

4+32=36

با ضرب دو طرف معادله در (0.041/4)

0.041H₂ + 0.328 O₂ = 0.369 H₂O [11-3]

* مقدار گوگرد 1.7% یعنی 0.017 كیلوگرم در هر كیلوگرم سوخت است.

S+O₂=SO₂

32+32=64

با ضرب دو طرف معادله در (0.017/32)

0.017S + 0.017 O₂ =0.034 SO₂ [12-3]

نتایج فوق در جدول 3-7 خلاصه شده كه در آن مقدار اكسیژن موجود در سوخت، هنگام تعیین مقدار تئوری اكسیژن لازم، در نظر گرفته شده است. با اضافه كردن 40% هوای اضافی، آنالیز گازهای خروجی از كوره براساس موازنه جرمی معین شده است.

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

جرم گازهای خروجی از كوره = جرم سوخت بدون خاكستر + جرم هوای داده شده

كیلوگرم گازهای خروجی از كوره 13.297 = كیلوگرم سوخت بدون خاكستر 0.923 + كیلوگرم سوخت/ كیلوگرم هوا 12.374

این محاسبه برقراری جریان كافی گازهای حاصل از احتراق را در كوره جهت محاسبات انتقال حرارت فراهم می سازد. محاسبات سوخت های گاز را نیز می توان براساس جرمی محاسبه كرد مشروط بر آن كه ابتدا مطابق ستون F جدول 3-1 آنالیز آن به جرم تبدیل شود.

جدول 3-7 آنالیز محصولات احتراق جرمی زغال

محصولات احتراق با اكسیژن سوخت kg/ گاز kg				درجه اكسیژن تئوری سوخت Kg/kg	درصد جرمی اجزا سوخت	تركیبات سوخت
N2	So2	H2o	Co2
– – – – 0.013 – –	– – 0.034 – – – –	– 0.369 – – – 0.120 –	2.42 – – – – – –	1.760 0.328 0.017 -0.072	66.0 4.1 1.7 7.2 1.3 12.0 7.7	C H S O2 N2 H2o خاكستر
0.013	0.034	0.489	2.42	2.033		مجموع

هوا شامل 23% وزنی اكسیژن و 77% وزنی ازت است . هوای تئوری لازم برای تهیه 2.033 كیلوگرم اكسیژن به این صورت است:

كیلوگرم هوا 2.033 o₂ + 6.806N₂ = 8.839

هوای لازم با احتساب 40% هوای اضافی،

2.846O₂ + 9.528 N₂ = 12.374

كل محصولات احتراق (مرطوب) با 40% هوای اضافی و ازت موجود در سوخت از این قرار است:

(2.846-2.033) o₂+(9.528 +0.013)N₂ + 2.42 CO₂ +0.489 H₂O+0.034SO₂ = 13.297 كیلوگرم سوخت/ كیلوگرم گاز

كل محصولات احتراق (خشك) با 40% هوای اضافی و ازت موجود در سوخت از این قرار است:

(2.846-2.033)O₂ +(9.528 +0.013)N₂+2.42CO₂+0.034 SO₂ = 12.808

كیلوگرم سوخت / كیلوگرم گاز

این ارقام در جدول 3-8 خلاصه شده است.

محصولات احتراق سوخت های جامد و مایع

برای تبدیل جرمی این سوخت ها به حجمی، باید عكس عملیات بخش 3-2 را انجام داد، به این صورت كه نسبت جرمی هر یك از اجزا را بر جرم مولكولی خوشد تقسیم نمود تا نسبت حجمی بدست آید. از این نسبت حجمی می توان درصد حجمی (مرطوب یا خشك) را مشخص كرد. نتایج حاصل در جدول 3-8 خلاصه شده است.

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

برای این منظور می توان از شكل 3-1 یا نمودارهایی كه از یك سری محاسبات با مقادیر مختلف هوای اضافی برای سوخت تهیه شده، استفاده كرد. همچنین می توان از فرمول زیر استفاده نمود:

VCO₂= (1-(VO₂/21))VCO₂

كه در آن :

درصد حجمی دی اكسید كربن در گازهای كوره V CO₂

درصد حجمی اكسیژن در گازهای كوره VO₂

درصد تئوری حجمی دی اكسید كربن برای سوخت معین V CO₂

قابل ذكر است كه چگالی محصولات احتراق گاز طبیعی 1.24 KG M^-3 و چگالی محصولات احتراق زغال 1.323 kg m^-3 می باشد و در مورد سوخت سنگین كوره رقمی بین این دو مناسب است. چگالی هوا 1.29 kg m^-3 است كه 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 خشك	نسبت حجمی C=B/A	جرم خشك سوخت kg/kgB	جرم مولكولی A	محصولات احتراق
12.26 6.02 0.11 75.95 5.66	0.0550 0.0270 0.0005 0.3407 0.0254	2.420 0.489 0.034 9.541 0.813	13.046 – 0.119 80.81 6.025	0.0550 – 0.0005 0.3407 0.0254	2.420 – 0.034 9.541 0.813	44 18 64 28 32	Co2 H2O SO2 N2 O2
100.0	0.4486	13.297	100	0.4216	12.808		مجموع

ارزش گرمایی یك سوخت مقدار حرارت آزاد شده توسط احتراق واحد جرم آن سوخت تحت شرایط خاص دما و فشار می باشد، كه برای تعیین آن می توان مقدار معینی از سوخت را در كالریمتری كه 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 كننده 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 كشی شده، یا مخزن های بزرگ گاز مایع، مقادیر اعلام شده آنها كفایت می كند.

در مورد نفت كوره ، باید گفت كه ارتباط نزدیكی بین ارزش گرمایی، چگالی و گوگرد موجود در این سوخت برقرار است كه نتیجه آن بر آزمایشهای كالریمتری ترجیح داده می شود.

دو نوع ارزش گرمایی ناخالص و خالص وجود دارد كه 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 كه بخشی از بخارات تقطیر می شود، این امر كاملا صادق نیست.

 

بنابراین برای جلوگیری از هر گونه ابهامی، در موقع گزارش ارزش گرمایی سوخت یا بازده دیگ، ذكر خالص یا ناخالص ضروری است. چون ارزش گرمایی خالص عدد كوچكتری 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 كه 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 كردن درصد هر یك از اجزاء قابل احتراق سوخت در ارزش گرمایی آن جزء كه به اسانی می توان از كتاب های كرجع به دست آورد، ارزش گرمایی سوخت معلوم می گردد. این ارزش گرمایی عبارت از مجموع حاصل ضربهای فوق بخش بر 100 می باشد.

در عمل این نتیجه به راحتی حاصل نمی شود و نیاز به منظور كردن فاكتور تراكم پذیری دارد كه توصیه می شود به منابع ویژه مراجعه شود.

در مورد سوخت های فسیلی زغال و نفت كوره، وقتی مقدار اكسیژن موجود در سوخت كمتر از 10% باشد، با فرمول موسوم به Dulong محاسبه می گردد.

Q_g = 337 C + 1442 (H-(O/8))+93S [14-3]

كه در این فرمول:

ارزش گرمایی ناخالص (kJ kg^-1)Q_g

درصد كربن (As fired)C

درصد هیدروژن (As fired)H

درصد اكسیژن (As fired)O

درصد گوگرد (As fired)S

(درصد ها وزنی هستند)

در مورد سوخت های آلی و ضایعاتی كه بیش از 10% اكسیژن دارند فرمول موسوم به Vondracek به كار برده می شود:

Q_g = C (373 –(26.1(C₁/100)))+1130(H-(O/10))+105S [5-3]

كه در آن C₁ درصد كربن بر مبنای خشك و بدون خاكستر است. سایر علایم، از جمله C، مانند معادله [14-3] است.

هر دو فرمول فوق حدود 5% نتیجه بالاتر می دهند. برای اینكه حدود تقریبی ارزش حرارتی سوخت های معمولی را بدانیم، مقادیر زیر بر مبنای As fired تعیین شده اند.

زغال شسته شده زیر اندازه 50 میلی متر 27000kj kg^-1

چوب (با 20% رطوبت) 16000 kj kg^-1

نفت كوره سنگین 42900 kj kg^-1

گازوئیل 4545000 kj kg^-1

گاز طبیعی 38 MJ m^-3

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

 

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