فیزیک احتراق:

احتراق، واکنش شیمیایی ترکیبات کربن و هیدروژن با اکسیژن و رقیق کننده هایی مثل ازت است. اختلاط کامل مواد ترکیب شونده جهت تکمیل احتراق ضروری است. چون این امر با وسایل مکانیکی آتشکاری به صورت مورد قبول صورت نمی گیرد و لازم است همیشه مقداری اکسید کننده اضافی معمولا هوا به این ترکیب اضافه شود. عوامل دیگری نظیر زمان، دما و تلاطم، نقش مهمی در تشکیل یک احتراق مناسب را دارند. عوامل فوق عوامل فیزیکی احتراق هستند که با توجه به نوع سوخت، دستیابی موثر به آنها متفاوت است.
از آسانترین سوخت ها گاز است. زیرا اختلاط آن با هوا بسیار آسانتر از سوخت های مایع یا جامد است. سوخت های مایع را می توان پورد کره و به صورت گاز درآورده و به بهترین نحو سوزاند.
شرایط احتراق مطلوب سوخت های گاز و مایع و جامد:
1- مخلوط سوخت و هوا باید سریعا قابل اشتعال باشند.
2- شعله حاصله باید تحت کلیه شرایط دیگ بخار، پایدار باشد.
3- شعله باید کاملا در محدوده داخلی کوره باشد.
4- محدوده مشخصی جهت انتشار گازها و ذرات سوخته درنظر گرفته شود.
5- احتراق کامل با حداقل هوای اضافی صورت بگیرد.
احتراق اولیه مخلوط سوخت و هوا احتیاج به انرژی دارد. این انرژی در سوخت گاز کمتر و در سوخت مایع و جامد به ترتیب بیشتر است. انرژی لازم جهت احتراق در دیگ های امروزی که بصورت اتوماتیک کار می کنند توسط جرقه الکتریکی است. ولتاژ این جرقه نزدیک به 11 کیلوولت است. این جرقه باعث روشن شدن شمعک گازی شده و به نوبه خود باعث ایجاد شعله اصلی می شود، گاهی شمعکی نیز وجود ندارد، که با واسطه دمای همین جرقه شعلی اصلی تشکیل می شود. این نکته هم لازم به یادآوریست که به دلیل جلوگیری از خطر در زمان احتراق اولیه و ضربه ها و تنش های ایجاد شده و همچنین با توجه به اینکه شعله شمک با حداقل میزان سرعت مخلوط سوخت و هوا تنظیم شده است، معمولا در این موقع میزان هوا و سوخت باید در حداقل باشد. قابل تذکر است که عمل اختلاط آنچنان سریع صورت می گیرد که در نزدیک ترین فاصله محل اشتعال شرایط احتراق کامل برقرار می گردد.
با ایجاد شعله و تایید آن شعله شمعک خاموش می شود. در اینحال شعله اصلی باید کاملا پایدار باشد. در غیر این صورت نوسان شعله جهت احتراق کامل و مطلوب و شرایط کاری دیگ اصلا مطلوب و قابل قبول نیست و عمل حرارتی صحیحی صورت نخواهد گرفت.
درضمن شعله باید در فاصله مناسبی از دهانه مشعل قرار گیرد. این فاصله توسط سرعت احتراق مخلوط سوخت و هوا در ارتباط با میزان جریان مخلوط در دهانه مشعل و نیز فاصله و زمان لازم جهت اختلاط به نسبت های تئوری تعیین می گردد. نهایتا اختلاط سوخت و هوا باید سریع باشد و دمای میدان شعله بیشتر از دمای اشتعال سوخت باشد.
در ضمن اختلاط هوا و سوخت باید در دهانه مشعل صورت گیرد، در غیر این صورت ممکن است شعله در دهانه مشعل پس زده و باعث انفجار در داخل آن شود.
همچنین جهت مخلوط کردن هوا و سوخت در دهانه مشعل  می توان توسط صفحه منحرف کننده ای (دیفیوزر) جریان هوا را در دهانه مشعل به صورت چرخشی درآورده و باعث مخلوط شدن آن با سوخت شده تا احتراق کامل صورت گیرد. البته مشعل های چرخش محوری که معمولا در دیگ های لوله آبی کاربرد دارند نیز چنین عملی را انجام می دهند. با چرخش بیشتر هوا در دهانه مشعل اختلاط سریع تر صورت می گیرد. جرم هوای لازم تقریبا 16 برابر جرم سوخت است. به طوریکه طرح جریان هوا بر عمل اختلاط حاکم است نه طرح جریان سوخت. (نکته قابل بررسی در تنظیمات مشعل).
ایجاد جریان چرخشی هوا امتیاز دیگری هم دارد و آن برگشت دوباره گازهای داغ شعله به منطقه اشتعال است که باعث افزایش دما در این منطقه بخصوص در موارد تابشی، در اطراف دهانه مشعل می گردد. این عمل باعث افزایش میزان احتراق می شود. البته متذکر می شویم که برگشت بیش از حد گازهای داغ می تواند اثر منفی بر پایداری شعله داشته باشد.
زیرا این گازها دوباره باید به سمت جلو رانده شوند که به علت ازدیاد حجمشان باعث افزایش سرعت جلوبرنده شعله خواهند شد که منجر به کاهش سرعت احتراق می گردد. و همچنین بیشتر گازهای داغ برگشتی، شامل محصولات خنثی و سایر مواد حاصل از احتراق است. مواد خنثی سبب کاهش میزان احتراق و سایر مواد سبب افزایش آن می گردد. بنابراین عمل دوباره برگشتی عملی بهینه است که نیاز به تجربه برای کسب نتیجه صحیح را دارد.
نمونه ای از طرح دوباره برگشتی با صفحه منحرف کننده (دیفیوزر) در شکل زیر این موضوع را نشان می دهد.

» استقرار شعله درون کوره:
فضای کوره نقش بسیار مهمی در استقرار و تکمیل آن در کوره دارد. گسترش شعله به خارج کوره باعث مشکلاتی نظیر آسیب دیدن اجزای تحت فشار دیگ، نشست رسوب بر روی سطوح داغ فلز و سرد شدن سوخت های گازی شکل که به نوبه خود موجب احتراق ناقص می شوند دارد. بنابراین باید هماهنگی کاملی بین بهینه سازی مهندسی کوره و طراحی مشعل جهت دستیابی به بهترین راندمان، باشد، که این موضوع نیز نیاز به تجربه کافی دارد. الزاما هرچه کوره بزرگتر درنظر گرفته شود زمان و مکان بیشتری جهت واکنش احتراق ایجاد شده و وقوع احتراق ناقص کاهش خواهد یافت.
میزان حرارت آزاد شده به نسبت حجمی در سوخت های گازی و سوخت سنگین به شرح جدول ذیل است:

استانداردهای ساخت دیگ های لوله آتشی مقدار حرارت داده شده به کوره را نسبت به قطر آنها محدود کرده است. حداکثر حرارت داده شده براساس ارزش گرمایی خالص،12MW برای کوره ای است که قطر داخلی آن 1.4m تا 1.8m با سوخت سنگین (مازوت) یا گاز است. کوره های با قطر کمتر قدرت جذب حرارت کمتری دارند. که باید در استاندارد ساخت حتما لحاظ گرددد.

» گازها و مواد نسوخته:
شکل زیر رابطه بین ذرات خروجی از دودکش و حرارت آزاد شده حجمی یک دیگ لوله آتشی با سوخت سنگین (مازوت) با مشخصات استاندارد CLASS F, BS 2869 را نشان می دهد.

البته این مقادیر به صورت تجربی بدست آمده اند و نشان می دهد که مقدار ذرات از لحظه ای که مقدار حرارت داده شده 2MW m^-3 (با مشعل اصلاح شده) بالاتر رفت سریع رو به افزایش گذاشت. این وضعبت در حالتی که از سوخت سنگین با مشخصات استاندارد CLASS G, BS 2869 بخصوص سوخت های با مواد آسفالتی زیاد استفاده شود حادتر است. البته ارقام پیشنهاد شده ارقام حداکثر هستند. بنابراین جهت رسیدن به 1.5MW m^-3 برای دیگ های لوله آتشی با سوخت سنگین لزوم همکاهنگی طراح دیگ بخار، طراح مشعل و عرضه کننده سوخت لازم به نظر می آید.
نبابراین مشاهده می شود که میزان ذرات خارج شده از اگزوز توسط مشعل اولیه بسیار بیشتر از مشعل اصلاح شده با خصوصیات پورد کنندگی مشعل های مدرن با سرپوش دوار (تقریبا 46درصد) بود. البته در مشعل اولیه طراحی به گونه ای بود که برگشت هوای داغ به جبهه مشعل امکان پذیر نبود و برگشت هوای داغ با مشعل های اصلاح شده بسیار راحتر خواهد بود.
طی تحقیق های انجام شده روی اثرات چرخش بر ذرات خارج شده از دودکش نتایج زیر بدست آمده است:
در سوخت های گاز، ذرات جامدی خارج نمی شوند، ولی در مورد گاز های نسوخته ای که در دیگ های لوله آتشی وارد منطقه لوله های کنوکسیون می شوند، دچار مشکل می شویم. حتی غلظت های بسیار کم منوکسید کربن 500ppm به بالا قادر است در مدخل لوله ها سوخته شود و میزان انتقال حرارت منطقه ای را افزایش داده، باعث گداختگی و ترک خوردن انتهای لوله شود. (مولف: این نکته حائز اهمیت است که تنظیم سوخت دیگ های بخار لوله آتشی از این حیص اهمیت بسیار  بیشتری دارد که معمولا تنش ها و شکستگی و تسلیم لوله و شبکیه در دیگ های لوله آتشی گازسوز بیشتر از دیگ های لوله آتشی مایع سوز است، و باید توسط متخصصین این امر تدابیر لازم اندیشیده شود.) به همین دلیل نباید غلظت منوکسید کربن ورودی به لوله ها از 150ppm تجاوز کند.
جهت پیشگیری از مشکلات فوق باید میزان حرارت آزاد شده حجمی حدود 1.9MW m^-3 باشد و اطمینان کامل حاصل شود که احتراق کامل درون کوره حاصل شده است. مشعل ها نیز باید بتوانند شعله متراکم ایجاد کند و با برگشت دادن دوباره هوای داغ کوره، زمان توفق بیشتری ایجاد کند.

» هوای اضافی:
با توجه به بهای سوخت و انجام احتراق کامل سوخت و با توجه به بررسی مطالب فوق لازم است که حداقل هوای اضافی مصرف گردد. افزایش هوای اضافی از 15% به 25% بازده دیگ بخار را 0.6% کاهش می دهد. که باتوجه به تاسیسات بزرگ رقم قابل توجهی خواهد بود.
طراحی مشعل باتوجه به مشخصاتی که در این مقاله ذکر شد درارتباط با هوای اضافی کفایت نمی کند.
در جلوی مشعل با فاصله کمی از دیفیوزر مخلوط هوا و سوخت به نسبت یکسانی باید در محدوده شعاعی از مرکز پاشش سوخت مخلوص شوند. گاهی در این فوصل مختلف ممکن است مخلوط غنی از سوخت باشد که به قطع احتراق ناقصی صورت خواهد پذیرفت، که در این صورت حاصل آن بصورت دود از دوکش خارج می شود، که این برخلاف قانون است. مشعل باید توانایی را داشته باشد تا با هوای اضافی کافی این مخلوط را به جبهه شعله برگردانده و به این روش سوزانده شوند. البته بخشی از این هوا به منطقه غنی از هوا نیز وارد می شود که برای جبران جریانات نامنظم هوا، امری ضروری است.
جریانات نامنظم هوا در مشعل ممکن است ناشی از عوامل مختلفی نظیر وجود لوله های بازدید، اتصالات جریانات نامنظم هوا در مشعل و شمعک باشد. که با همه شاکالاتی که ایجاد می کنند عوامل اصلی این بی نظمی به شمار نمی روند. عامل اصلی بی نظمی لوله اصلی هوا به مشعل می باشد (کانال دمنده تا دهانه مشعل). تغییر جهت های تند، شکل نامناسب یا وضعیت ناجور درچه های تنظیم هوا و نزدیک بودن بیش از اندازه دمنده می توانند بی نظمی شدیدی در هوای ورودی به دهانه مشعل ایجاد کنند. بالا بردن بیش از اندازه سرعت هوا نیز عامل تشدید این بی نظمی است، بطوریکه اولین مرحله برطرف ساختن مشکل، تنظیم و بازکردن بیشتر دریچه هاست.
وجود زانویی و خم ها در کانال هوا اجتناب ناپذیر است اما می توان آنها را ملایم تر ساخت و از دریچه های چندلایه و چندپره جهت اصلاح توزیع هوا استفاده کرد.
شکل و حالت دریچه های تنظیم هوا اهمیت زیادی دارند. درچه ها باید به صورت چند پره ای و با قابلیت چرخش پره ها در جهات مختلف باشند. در کانال های استوانه ای شکل از دریچه های عنبیه ای یا دیافراگمی استفاده می شود. پره های قابل تنظیم را می توان در سمت مکش دمنده نصب کرد. ولی بهتر است از دمنده های با سرعت متغیر بجای درچه ای استفاده کرد و از دریچه ها تنها در موارد بستن کامل دمنده استفاده کرد.
البته یادآور می شویم مشعل های مدرن امروزی علاوه بر مزیت ذکر شده آخر، این قابلیت را نیز دارند که با تغییر شکل هندسی صفحه منحرف کننده هوا (دیفیوزر Diffuser or bluff body) در تصحیح سوخت و شعله مطلوب نقش بسزایی داشته باشند. منظور از این تغییر هندسی بدین مضموم است که این گونه مشعل ها قابلیتی دارند تا همزمان مطابق با تغییر میزان دور دمنده جهت به حداقل رساندن میزان تلاطم هوای اولیه، فاصله دیفیوزر با شیپوری دهانه مشعل جلو یا عقب رفته و تغییر کند. شکل زیر موئد این موضوع ست.

همچنین نمونه اصلاح شده دیگری از مشعل ها، مشعل های هم محور یا چرخش محوری است که دمنده در پشت کانال سوخت قرار گرفته و بجای استفاده از دیفیوزر از چرخش هوای وروردی به دهانه مشعل استفاده می کنند. که کار اختلاط کامل هوا و سوخت به مطلوب ترین نحو صورت خواهد گرفت.

» پیش گرم کردن هوا:
با افزایش دمای مخلوط قابل اشتعال هوا و سوخت، سرعت احتراق نیز بیشتر شده و منجر به شعله ای پایدارتر و متراکم تر می شود. در دیگ های لوله آبی هدف از پیش گرم کردن هوای سوخت، بازیافت حرارت گازهای خروجی از دیگ و برگشت این حرارت به سیستم دیگ بخار است. معمولا گرم کردن هوا در دیگ های لوله آتشی کابردی ندارد. اما می تواند موضوع قابل بحث و بررسی و موثری در بهینه ساختن سوخت و در پیشبرد مهندسی طراحی مشعل باشد.
* (بخارپویان آمادگی هرگونه مشاوره در زمینه بهینه سازی سوخت با این روش ها در دیگ های لوله آتشی را دارد).
در کاربرد پیش گرمکنهای هوا نکاتی قابل ذکر است:
1- پیش گرم کردن هوا بیش از حد هوا بر سرعت و پایداری سیال سوخت های سنگین اثر می گذارد.
2- هنگام استفاده از سوخت های گوگردی، ممکن است پیش گرم کننده ها در معرض خوردگی ناشی از اسیدسولفوریک قرار بگیرند.

» احتراق در بستر سیال ( FBC ) :
این طریق که روش جدیدی در آتشکاری کوره هاست با همه گسترشی که در صنعت دارد، زمان زیادی لازم دارد تا جایگزین شیوه های آتشکاری کوره که در این مقاله بحث شد، شود.
اساس این شیوه عبارت است از بستر ثابتی از ماده نسوز و مقاومی نظیر شن که در اثر عبور جریان از میان آن به صورت سیال در می آید. می توان هوا را قبل از وارد شدن به این بستر با سوخت کمکی دیگر که معمولا گاز است گرم نمود، یا سوخت گاز یا سوخت سنگین در بالای بستر یا درمیان بستر روشن کرده و سوزاند. وقتی دمای بستر به 650^oC رسید ذغال روی بستر یا میان آن ریخته شده و مشتعل می گردد.

SOURCE:
Rose, J. W. and Cooper. J. R. Technical on fuel (7th ehn), 1977. British National Committee, World Energy Conference, London, pp. 253-66.
Rose, J. W. and Cooper. J. R. Technical on fuel (7th ehn), 1977. British National Committee, World Energy Conference, London, pp. 297-303.

* (مولف: با توجه به اینکه سوخت های جامد اغلب در دیگ های بخار سوزانده نمی شوند و یا در دیگ های بزرگ لوله آبی استفاده می شوند از بیان و تشریح سوزاندن این سوخت ها در این مقاله صرفه نظر می کنیم. در صورت تمایل به دریافت مقاله تکمیلی با مضموم روش های احتراق سوخت های جامد با شماره تلفن 09188605973 تماس حاصل فرمایید).