تولید حرارت در برنر و بویلر

بویلرها انرژی گرمایی مورد نیاز برای تولید برق را برای گرمایش ساختمان ها، تولید سیمان و شیشه و دیگر کاربرد های صنعتی تامین میکند. با سوخت هایی مانند ذغال سنگ، نفت، گاز تولید مقادیر زیاد انرژی با بازدهی خوب را قادر میسازد. به خاطر حجم بالای سوخت مصرف شده برای تولید حرارت و مقدار زیاد گاز دودکش برآمده از عمل احتراق، بویلر باید علاوه بر سطح بالای بازدهی،  کمترین انتشار آلودگی ممکن به ویژه برای قوانین محدود کننده برای سطح انتشار گاز های آلوده کننده مانند NO , CO و CO2 که هر روز سخت تر و سخت تر میشوند داشته باشد.

به همین دلیل، مقادیر انتشار در طول دوره تعمیر و نگه داری بویلر ها و برنر ها به عنوان اندازه گیری رسمی تعیین میشوند. از طریق این داده ها، تاثیر هزینه در سیستم و محیط برنر به طور جامع بررسی میشود. اهمیت دانستن قواعد پایه ای پروسه احتراق وبه منظور فهم تاثیر اندازه گیری تکی و کنترل پارامتر ها در عملکرد و انتشار گاز های آلوده کننده به منظور بهینه سازی کارایی سیستم بویلرها حائز اهمیت بوده و از این طریق میتوان انتشار گاز ها تا حد الزام قانون کنترل نمود.

شکل 1 : بویلر ها انرژی گرمایی برای پروسه های متعدد در تولید برق، تهویه هوا در ساختمان ها و صنایع شیمیایی را تعمین میکنند.

پروسه احتراق در برنرها و بویلرها

ترکیبات کربن و هیدروکربن با اکسیژن هوا میسوزد تا به تولید حرارت در بویلر بینجامد. عمل احتراق در یک محفظه بدون درز صورت میپذیرد. انرژی گرمایی حاصله به وسیله ی یک مبدل گرمایی به محیط انتقال گرما هدایت میشود و به نقطه مقصد میرسد. سوخت های جامد یا در راکتور بستر ثابت (fixed bed) سوزانده میشوند یا بستر سیال (Fluidized bed)  یا در یک ابر غبار وارد شده، سوخت مایع از طریق برنر داخل محفظه احتراق همانند مه اسپری می شود. سوخت های گازی با هوای احتراق برنر ترکیب میشوند. 

دیگر اجزا سیستم تغذیه و پخش سوخت را بر عهده دارند، همچنین اتلاف حرارت و تخلیه گاز های حاصل از احتراق وانتقال ذرات باقی مانده از احتراق مانند خاکستر و سرباره .

احتراق باعث افزایش تعداد زیاد موادی که از محفظه احتراق به عنوان گاز دودکش تخلیه میشود شده است. بخار آب و کربن دی اکسید سهم عمده ای از گاز دودکش یا گاز اگزوز را تشکیل میدهند. این واکنش برآمده از سوخت و هوای احتراق میباشد. وابسته به هوای تغذیه احتراق، گاز دودکش همچنین حاوی نیتروژن اکسید (NOX)  یا کربن مونو اکسید (CO) و دیگر اجزا ناشی از احتراق ناقص میباشد. ناخالصی ها در سوخت ها همچنین میتواند باعث وجود هیدروژن سولفید، اکسید سولفور، هیدروفلوئوریک اسید (HF) و هیدروکلریک اسید (HCl) در گاز دودکش شود. علاوه بر دوده، فلزات سنگین و ذرات معلق در هوا نیز اغلب یافت میشود. 

شکل 2: پروسه احتراق در بویلر

واکنش های شیمیایی در طول پروسه احتراق

هوای احتراق به خودی خود از چندین ماده تشکیل شده است. بیشتر از همه شامل نیتروژن (N2) ، اکسیژن (O2)، مقدار متغییری بخار آب و ردی از کربن دی اکسید(CO2) ، هیدروژن (H2)  و گاز های نجیب را دارا است. به استثنا اکسیژن و مقدار کم نیتروژن ، این اجزاء در گاز دودکش قابل شناسایی میباشد.


شکل 3: ترکیبات هوای خشک و خالص در سطح زمین

شما میتوانید به دقت میزان اکسیژن مورد نیاز برای سوزاندن در یک حامل انرژی خاص طبق الگوریتم های استوکیومتری را اندازه گیری کنید. برای مثال: دو مولکول اکسیژن وقتی با مولکول متان واکنش کامل میدهد منجر به دو مولکول آب و یک مولکول کربن دی اکسید میشود .

 



در عمل این واکنش ایده آل است و کمترین مقدار اکسیژن برای احتراق کامل کافی نیست. چون سوخت ها تا حدی همیشه ناخالصی دارند و سوخت و اکسیژن امکان دارد به صورت ناقص میکس شوند، پروسه احتراق دستگاه های صنعتی باید با اکسیژن بیشتر و به طبع سوخت بیشتر بر اساس استوکیومتری ، تغذیه شوند. این مقدار مضاف، هوای اضافه نامیده میشود.

نسبت هوا یا نسبت هوا- سوخت λ (لامبدا) به صورت ویژه ای برای تخمین پروسه احتراق اهمیت دارد. این بیانگر نسبت مقدار هوای مورد نیاز به مقدار محاسبه شده با استوکیومتری است. نسبت هوا – سوخت برای پروسه های احتراق خاص به وسیله ی اجزای گازدودکش شامل کربن مونو اکسید (CO)، کربن دی اکسید (CO2) و اکسیژن (O2) بر اساس فرمول زیر قابل تعیین است.

محاسبه نسبت هوا-سوخت به وسیله O2 در گاز دودکش

به دلیل عادی بودن کاربرد هوای اضافی در دستگاه های به روز احتراق، این روز ها محاسبه کامل نسبت هوا-سوخت از طریق O2  معمولا مورد نظر است.

تعیین λ به وسیله اندازه گیری CO2  مزیت دارد چراکه مقادیر کربن دی اکسید در گاز دودکش تحت تمامی شرایط احتراق قابل تبیین است. مقادیر  CO2قطعی نیست و به اندازه ای که پروسه احتراق با هوای ناکافی یا هوای اضافی به انجام برسد، کافی نیست . همواره اندازه گیری  میزان O2  و COبرای دانستن اینکه آیا در گاز دودکش موجود است لازم است لازم است. مقدار CO2 MAX در فرمول زیر وابسته به سوخت مورد استفاده است.

محاسبه نسبت سوخت-هوا به وسیله مقدار CO2 در گاز دودکش.مقدار CO2 MAX بستگی دارد به پایداری متریال سوخت.

تاثیر نسبت سوخت-هوا در پروسه احتراق

مهندسین باتجربهحیطه سرویس اگاهی به این قضیه دارند که تغذیه بهینه هوا برای گستره وسیع تنظیم برای احتراق استیبل، مصرف بهینه سوخت وکمترین مقادیر انتشار گاز ممکن ضروری است. دیاگرام زیر گواه آنچه گفته شد است.

شکل 4: مقادیر اجزای گاز دودکش در طول پروسه احتراق در بویلر وابسته به میزان هوا

اگر سیستم با هوای ناکافی کار کند، اکسیژن موجود برای سوختن سوخت کافی نیست و به این مفهوم است که گاز دودکش حاوی کربن مونو اکسید(CO) ،دوده و پسماند حاصل از احتراق است که از طریق دودکش وارد محیط زیست میشود. به علاوه، مصرف انرژی کاهش پیدا میکند به این علت که تمام انرژی ذخیره شده در سوخت از طریق احتراق آزاد نمی شود.

از طرف دیگر، اگر بویلر با هوای اضافی کار کند ، سوخت به صورت کامل می سوزد. هوای اضافی همچنین منجر به افزایش شکل گیری نیتروژن اکسید (NOX)میشود و بهره وری نیز به خاطر دمای احتراق که به علت هوای خنک خارجی رقیق کاهش می یابد. به عنوان یک قانون نانوشته، 10 درصد افزایش در مقدار هوا منجر به 1 درصد افزایش مصرف سوخت میشود.

بنابراین یک نسبت سوخت بهینه به تغذیه هوا برای هر پروسه احتراق وجود دارد. دستگاه های احتراق با شعله ثابت ، کارآمدی بهینه وکمترین انتشار در این گستره کار میکنند. چالش برای مهندسان سرویس به تعیین میزان هوای بهینه و تنظیم سیستم بر آن اساس است.

مزایا و معاب احتراق بدون استوکیومتری


هوای نا کافی


گستره بهینه کاربرد   دستگاه احتراق
               
هوای اضافی
مزایا
  • بدون انتشار نیتروژن اکسید
  • احتراق کامل سوخت
  • بدون دوده و پسماند حاصل از سوخت در گاز دودکش
  • کارکرد قابل اعتماد
معایب
  • احتراق ناقص سوخت و در نتیجه کاهش مصرف انرژی
  • وجود کربن مونو اکسید،دوده و پسماند حاصل از احتراق در گاز دودکش 
  • عملکرد غیر قابل اعتماد تا حد خاموشی شعله برنر
  • بازدهی کمتربه خاطر هدررفت حرارت
  • افزایش انتشار نیتروژن اکسید (NOX)
کربن مونو اکسید(CO)
کربن مونو اکسید(CO) افزایش می یابد به   خاطر کمبود اکسیژن تا با اکسیده شدن به CO2   برسد.
به خاطر وجود اکسیژن کافی، CO  به وجود آمده بعد اکسید شدن به CO2   تبدیل می شود
کربن دی اکسید(CO2)
با یک افزایش در مقادیر اکسیژن، COبه خاطر عمل اکسید   شدن به CO2 کاهش می یابد.غلظت CO2نیز تا حدی افزایش می یابد.این پروسه به   آرامی فراتر از 1=λ کامل می شود و CO2 به مقدار ماکسیمم خود میرسد
CO2 در مقادیر بالای 1=λ کاهش می یابد، نه فقط از طریق واکنش شیمیایی بلکه به   خاطر اثر هوای احتراق رقیق که این هوا به خودی خود هیچ CO2   ندارد.
اکسیژن (O2)
اکسیژن (O2) به صورت کامل   در احتراق مصرف شده و غیر قابل ردیابی در گاز دودکش است.
اکسیژن در گاز دودکش به خاطر بیشتر شدن   هوای تغذیه ، افزایش می یابد. پروسه احتراق به علت هوای اضافی کاهش دما خواهد   داشت و در نتیجه بازدهی انرژی سیستم کاهش می یابد.

چالش های زمان نصب سیستم های بویلر

شروع سیستم بویلر

سیستم های بویلر در کاربرد های صنعتی معمولا به صورت مداوم در استفاده اند و در نتیجه اغلب بحران در فاز شروع سیستم به وجود می آید. پروسه شروع برای تنظیم مشکل است، به خاطر جرقه در ترکیب هوا – سوخت منجر به افزایش ناگهانی در حجم گاز و بنابراین یک افزایش فشار ناگهانی در محفظه احتراق به وجود می آید. این افزایش فشار نه تنها باعث تغییرات در حجم در گاز حرارتی وداکت های گاز خروجی میشود، بلکه منجر به کاهش فشار دمنده و بنابراین مقادیر هوای تغذیه میشود. این بدان معناست که گاز های دودکش حاوی کربن مونو اکسید، دوده و سوخت با احتراق ناقص بیشتری در طول دوره شروع هستند. پروسه شروع سیستم به طور ویژه بحرانی میشود زمانی که فشار شروع از فشار ماکسیمم دمنده که قابل دستیابی است، افزون پیدا کند. زمانی که میزان کاهش جریان هوا افزایش پیدا کند، کاهشی در احتراق سوخت و بنابراین همینطور فشار در محفظه احتراق وجود خواهد داشت. زمانی که تغذیه کامل هوا ادامه پیدا میکند، احتراق سوخت وفشار دوباره با ریتم ثابت در بویلر افزایش پیدا میکند. در بیشتر موارد، به منظور رضایت از رفتار شروع تغییراتی در برنر نیازمند است. این دامنه تغییرات از تغییر نازل به خاطر کاهش خروجی برنر تا تغییر پرّه می باشد.

اگر رفتار شروع سیستم به درستی تنظیم شده باشد، انتشار آلودگی بیش از حد معمولا به سرعت زمانی که دستگاه احتراق از حالت شروع به حالت نرمال تغییر پیدا میکند، کاهش پیدا میکند.

بهینه سازی پروسه احتراق به وسیله ی میزان هوا

وظایف اندازه گیری و تنظیم برای مهندسین سرویس به طور مستقیم از در نظر گرفتن پروسه احتراق به طور کلی و به صورت جزئی نسبت سوخت – هوا نشأت میگیرد.


  • یک میزان بهینه هوا و همچنین یک نسبت تغذیه سوخت- هوا در موارد تضمین دامنه   وسیع کاربری، ثبات شعله و بهترین بازدهی با کمترین انتشار بسیار ضروری است.
  • به منظور رسیدن به یک منبع تغذیه هوای بهینه، خروجی فن، دمنده و داکت های   هوا باید هماهنگ با یکدیگر شوند وعملکردشان باید به طور منظم بررسی شود.

جزئیات اینکه چگونه ترکیب هوا-سوخت به بهترین شکل میتواند تنظیم شود،بر اساس سازنده بویلر، نوع سوخت و برنامه کنترل تفاوت دارد. برخی برنر ها مقدار هوا که در بویلر استفاده میشود را کنترل میکند، برخی مقادیر سوخت و بیشتر برنرها امکان تنظیم دو پارامتر را دارد. در هر مورد، دانستن دقیق مقدار اکسیژن در پروسه برای اطمینان از عملکرد قابل اعتماد و مقرون  به صرفه اهمیت دارد.

تنظیم بهینه سیستم های برنر و بویلر

آنالیز گاز دودکش با تستو 340 و تستو 350

با استفاده از سنسور گاز،آنالیزورهای گاز دودکش  تستو 340 و تستو 350 تمامی اجزا گاز دودکش را که الزام برای یک انالیز کامل پروسه احتراق و تنظیم بهینه سیستم میباشد را ضبط میکند.سنسور های فشار یکپارچه همچنین اندازه گیری مقادیر بیشتری را مانند میزان جریان هوا، flue draught و اختلاف فشار بین بویلر و اتاق را ممکن میسازد. دو مدل از لحاظ طراحی، تجهیزات و هدف استفاده تفاوت دارد:

تستو 340 یک دستگاه دستی برای سرویس های کارآمد زمان تعمیر و نگه داری سیستم های بویلری میباشد. با 4 سنسور گاز- یک سنسور O2 و سه نوع دیگر، به راحتی سنسور های قابل انتخاب برای CO,COLOW,NO,NOLOW,NO2 و SO2 ، تمامی اجزای مرتبط با گاز دودکش به صورت قابل اعتماد آنالیز شود و پروسه احتراق میتواند برای بهترین نسبت سوخت-هوا ممکن به دست آید. افزایش شلنگ تا 7.8 متر تنظیم آسان تمامی پارامتر ها را قادر میکند، حتی زمانی که نقاط اندازه گیری دور تر از برنر و منبع تغذیه هوا باشد.

دستگاه تستو 340 شامل یک واحد کنترل و یک واحد آنالیزور و انتخاب اول برای دقت بالا و اندازه گیری های گاز دودکش طولانی با آماده سازی جامع گاز می باشد. با کنک رنگ گاز، تله میعان (condensate trap) و رقیق سازی، تستو 350 تمامی الزامات برای تست های رسمی انتشار گاز ها را در بر دارد. 6 سنسور گازقابل استفاده بوده و گزینه های بیشتری را برای اندازه گیری خیدروژن سولفید (H2S) ، هیدرو کربن ها (CXHY)و کربن دی اکسید (CO2) با استفاده از تکنولوژی سنسور اینفرارد غیر پراکنده

((NDIR)non-dispersive infrared sensor technology) ارائه میکند. واحد کنترل و واحد آنالیزور از طریق بلوتوث به هم متصل است. این دامنه وسیع مهندسین سرویس را قادر میسازد تا تمامی مقادیر آنالیز را بدون در نظر گرفتن محل اندازه گیری ره گیری کنند.بنابراین فورا آنها میتوانند ببینند چه تأثیراتی بر روی منبع تغذیه هوا یا تنظیم برنر بر انتشار احتراق دارد.

اندازه گیری NOx واقعی- مورد نیاز برای تنظیم صحیح برنر

انتشار نیتروژن اکسید برای تنظیم درست  برنر ضروری است و همچنین توسط قانون گذاران به سختی قانون گذاری شده است.تستو 350 قابلیت مجهز شدن با سنسور NO,NOlow  و NO2 و به علاوه شامل peltiet element برای خشک کردن، پمپ خودکار چگالش و شلنگ نمونه برداری گاز با روکش تفلون، اماده سازی بهینه و دقت اندازه گیری با سطح بالا را تضمین میکند و به این معناست که تستو 350 تمامی الزامات را برای اندازه گیری های قانونی رعایت میکند.

اندازه گیری های NDIR CO2 – مناسب برای تولید بتن، شیشه ،گاز های گلخانه و بیشتر

هنگام  تولید بتن، آهک، فولاد  و مقدار CO2  نه تنها نشان دهنده اطلاعات درباره پروسه احتراق سیستم بویلر است بلکه نشان دهنده پروسه تولید و کیفیت محصول است.سنسور CO2 تستو 350 تعیین میکند مقدار کربن دی اکسید با استفاده از ((NDIR)non-dispersive infrared sensor technology) در نتیجه تمامی الزاماتی سختی که دستگاههای اندازه گیری باید برای تولید این مواد رعایت کنند را برآورده میکند. دقت بالای اندازه گیری ، تستو 350 را معنی میکند که دارای سلول های اندازه گیری O2 و CO2  می باشد و به عنوان یک ابزار مرجع اندازه گیری  NDIR قابل استفاده است.

اندازه گیری خطوط گازی حرارت دیده و حرارت ندیده و پراب ها

اندازه گیری خطوط گاز و پراب ها برای دو حالت حرارت دیده و حرارت ندیده برای هر دو آنالیزور گاز موجود است:

اندازه گیری خطوط گازی حرارت ندیده و پراب ها به طور ویژه مناسب برای انجام اندازه گیری های کوتاه مدت در نقاط اندازه گیری متفاوت است که به لطف طراحی کامپکت، وزن کم و کاربری بدون منبع برق خارجی این امکان فراهم است. همچنین حجم کم مرده آنالیزورهای گاز دودکش را برای پاسخ خیلی سریع به تغییرات پارامتر ها فعال میسازد.

حالت حرارت دیده همیشه زمانی که دقت بالا یا زمانی که اندازه گیری بلند مدت با یک دوره اندازه گیری از یک روز تا چند ماه نیاز به انجام است، در نظر گرفته میشود. به خاطر اینکه اندازه گیری خطوط گازی و پراب از یک دمای بالاتر از نقطه شبنم گاز دودکش بهره برده است، به صورت قابل توجهی تجمع ذرات گرد و خاک و چگالش در مسیر گاز کمتر است. این بدین معناست که سطح بالای دقت اندازه گیری برای NO2  و SO2  حتی در اندازه گیری های طولانی مدت قابل دستیابی است.

جمع بندی مطالب

زمانی که صحبت از پروسه احتراق در سیستم های بویلری میباشد، نسبت صحیح هوا و سوخت برای به صرفه بودن و عملکردی مطابق استاندارد  ضروری است .

به منظور دستیابی به بیشترین حد بازدهی ممکن برای انطباق با مقادیر قانونی انتشار برای نیتروژن اکسید NOx  ، کربن مونو اکسیدCO  و کربن دی اکسید CO2  مهندسین سرویس باید نسبت هوای بهینه را با استفاده از گزینه های تنظیم در منبع ذخیره هوا، برنرو دودکش سِت نمایند.

دستگاه های آنالیز گاز دودکش تستو 340 و 350 تمامی اجزاء مرتبط با گاز های دودکش را ثبت میکند و بنابراین برای مهندسین پاسخی سریع در تنظیماتشان به همراه خواهد داشت. آنچه گفته شد اندازه گیری های مورد نیاز و الزامات قانونی که باید پیاده شود را به سرعت و اطمینان بالا فراهم میکند.