شیمی احتراق دیگ بخار -بخش دوم

آگوست 22, 2009

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

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	درجه اكسیژن تئوری سوخت Kg/kg	درصد جرمی اجزا سوخت	تركیبات سوخت
– – – – 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

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.

این مطالب را هم ببینید:

شیمی احتراق دیگ بخار

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