قسم هندسة تقنيات التكييف والتبريد

عملية الاحتراق في مراجل محطات القدرة البخارية: مقالة علمية للاستاذ الدكتور عبدا لكريم عبدالوهاب أبراهيم

تاريخ النشر: 03/11/2020
عدد المشاهدات: 540
تم نشر الموضوع بواسطة: اعلام قسم هندسة تقنيات التكييف والتبريد

عملية الاحتراق في مراجل محطات القدرة البخارية
Combustion process in the Boilers of steam Power plant
د . عبدا لكريم عبدالوهاب أبراهيم
أستاذ مساعد / قسم التكيف والتبريد / كلية المستقبل
1 – أساسيات الاحتراق :
تعريف الاحتراق : الاحتراق هو تأكسد سريع للوقود أو بعبارة أخرى هو أتحاد كيمياوي سريع للأوكسجين مع عناصر محددة , وهذه العناصر المحددة , هي العناصر التي يتكون منها الوقود . والأحتراق يحدث سريعا ويتطلب أقل درجة حرارة ليبدأ التفاعل .
ومن أجل أحتراق فعال , العناصر المتفاعلة يجب أن تمزج مع الأوكسجين للوصول الى درجة حرارة مناسبة بوقت كافي للتفاعل . وهناك ثلاثة عوامل تؤثر على الأحتراق , هي
الاضطراب Turbulence , درجة الحرارة Temperature , الزمن Time .
قواعد الأحتراق : أن أغلب أنواع الوقود المناسبة , هي كاربون وهيدروجين , وأحيانا توجد في بعض أنواع الوقود ( الكبريت Sulfur ) وهو يساهم في أنتاج الحرارة , لكن ينتج نواتج غيرمرغوبه , مثل ثاني أوكسيد الكبريت ( Sulfur dioxide ) . أن الوقود الغازي الهايدروكاربوني ( مثلا الميثان Methane CH4) , ينتج عند الأحتراق ( ثاني أوكسيد الكاربون وبخار الماء ) . الأوكسجين متوفر من الهواء , والهواء هو خليط . ويشكل النتروجين النسبه الأكبر من خليط الهواء .
أما الوقود الكاربوني الصلب ( مثل الكاربون C ) , فأحتراقه ينتج Carbon dioxide
من معادلة التفاعل يؤشر أن التفاعل الجزئي أو غير التام يؤشر احتراق جزئي أو غير تام للكاربون يمكن أن يحدث . ومن ناحية أخرى , أذا تم تجهيز عملية الاحتراق بأوكسجين زائد ( فائض ) , يمكن القول أن الخليط ضعيف weak والاحتراق هو تأكسد , بجانب ثاني أوكسيد الكاربون وبخار الماء , مركبات أخرى يمكن أن تنتج خلال الاحتراق , لكن بكميات قليله , مثل ثاني أوكسيد الكبريت وأكاسيد النترات وأول أوكسيد الكاربون .
2- حسابات الاحتراق :
2-1 / فكرة المول Concept of the mole :
كل عنصر يمتلك كتلة ذرية نوعية ( specific atomic mass ) , وكل مركب يمتلك كتلة مولية نوعية ( specific molecular mass ) .

الكاربون كتلته الذرية ( 12 ) والأوكسجين كتلته الذرية (16 ) , بينما ثاني أوكسيد الكاربون CO2 كتلته الجزيئية ( 44) .
2-2 / تركيب الهواء :
الهواء الجوي يتكون من 78% نتروجين و 21 % أوكسجين و1% غازات أخرى , لذلك نسبة النتروجين الى الأوكسجين 3.76 .
في جميع التطبيقات العملية للأحتراق , الأوكسجين يجهز من مكونات الهواء الجوي , وكذلك النتروجين يمر ولا يتفاعل , لذلك يظهر النتروجين في طرفي معادلة الأحتراق بنفس النسبه , لا يتغير , لكن , أذا أردنا تعادل الكتلة , نستخدم فكرة المول .
ويمكن أن نحدد كمية الهواء المطلوبة لحرق كمية محددة من الوقود , لذلك , فأن نسبة الهواء الى الوقود ( air – fuel ratio ) :
m air / mfuel = 11.44 kg air / kg fuel ( 1 )
وهذه النسبه مهمة ( نسبه كيماوية ) ويطلق عليها stoichiometric , وتعني أن جميع الوقود يتفاعل كاملا مع جميع الأوكسجين .
2 -3 / متطلبات الهواء الزائد ( الفائض ) Excess air requirements
ظروف الاحتراق الستيكوميترك Stoichiometric , هي الحالة المثالية التي يصعب الوصول أليها عمليا , عندما يستهلك الأوكسجين والوقود , المتفاعلات الباقية تصبح
أكثر مخففه وتتطلب وقت أكثر للتجانس في ما بينها , ونتيجة ذلك تبقى كميه محددة من الأوكسجين والوقود غير متفاعلة وتغادر وسط الاحتراق . لإيجاد حل لهذه المشكلة , نزيد قليلا كمية الهواء المجهزة للاحتراق عن القيمة النظرية , لذلك فأن الاحتراق الكامل سوف يتحقق , لكن بعض الأوكسجين الزائد يمر بالاحتراق ولا يتفاعل . أغلب عمليات الاحتراق فيها كميه من الهواء الزائد excess air والتي تدخل في حسابات الاحتراق , وتم تخمين هذه الكمية الزائدة ب 25% من الكمية النظرية theoretical لذلك تصبح كمية الهواء المستعملة للاحتراق هي 1.25 . الشكل ( 1 ) يوضح عملية الاحتراق ونواتج الاحتراق .

لذلك فأن نسبة الهواء الزائد ( الفائض ) , هي :
Excess air = [actual air supplied – theoretical amount]/ theoretical amount (2)

The corresponding air – fuel ratio to give 25% air is then given by:
mair / mfuel = 14.3kg air / kg fuel .
3 – القيمة الحرارية Calorific Value ( C V )
تعرف القيمة الحرارية للوقود الصلب والوقود السائل , بأنها الحرارة المتولدة بالكيلو جول من الاحتراق الكامل لواحد كيلوغرام من الوقود .
والقيمة الحرارية للوقود ’ نوعان , القيمة الحرارية العليا higher calorific value والقيمة الحرارية الواطئة lower calorific value . فالقيمة الحرارية العليا ( HCV ),
هي مجموع الحرارة المتحررة من مكونات الوقود , مثل الكاربون C والهيدروجين H والكبريت S .
والقيمة الحرارية الواطئة ( LCV ) , أن الحرارة الكامنة نظرا لتشكل البخار من هيدروجين الوقود وأوكسجين الهواء , لذلك فأن الحرارة المسحوبة لتوليد البخار تقلل من كمية الحرارة المتولدة أصلا , والحرارة المتبقية هي القيمة الحرارية الواطئة .

2460 KJ is the Latent heat of one kg of steam formed .
4 – السيطرة على الاحتراق Combustion Control
لكي يكون الاحتراق مثالي , يجب أن تكون كمية الهواء الحقيقية أكثر من الكمية النظرية والتي تشترك بالتفاعل الكيماوي ( والكمية النظرية للهواء هي Stoichiometric air ). وهذه الزيادة في كمية الهواء نحتاجها لأكسدة جميع الوقود المتاح , ولكي نتفادا بقاء أي جسيمات من الوقود غير محترقة احتراق كامل , فالفرق بين كمية الهواء الحقيقية وكمية الهواء المثالية Stoichiometric هي كمية الهواء الزائدة excess air . وكقاعدة كميه الهواء الزائد تتراوح بين 5 % و 50% عن الستويكوميترك , وتعتمد على نوع الوقود ونوع الحارق Burner . أن عملية الاحتراق ( أكسدة الوقود ) عملية صعبة , لذلك نحتاج إلى هواء زائد الضروري لإكمال عملية الاحتراق التام , ولكن أيضا من الناحية الأخرى , فأن وجود كمية هواء زائد أكثر من المطلوب , سوف يؤدي إلى تذبذب كفاءة الاحتراق وكذلك إلى تخفف من غازات الاحتراق flue gases الناتجة والتي تؤدي إلى تقليل درجة الحرارة وتقليل كفاءة المرجل . الاحتراق يكون كامل وتام عند التحقق من أن أول أوكسيد الكاربون CO تكون وتم احتراقه .
5 – كفاءة الاحتراق :
كفاءة الأحتراق تعرف بأنها نسبة بين الطاقة الحرارية المتحققة والطاقة الموجودة بالوقود :
ɳcomb. =energy supplied by combustion/primary energy used ( 3 )
الطاقة الأولية تساوي كمية الوقود المستخدم للوصول إلى القيم الحرارية , الفرق بين الطاقة الأولية المستخدمة والطاقة المجهزة بواسطة الاحتراق تساوي الطاقة الحرارية المحتواة في الغازات الناتجة من الاحتراق .
6 – شروط الاحتراق المثالي :
1 – كمية الهواء المجهزة كافية لحرق الوقود كاملا ( نسبة الوقود إلى الهواء نسبة مضبوطة ) .
2 - الهواء والوقود يجب أن يمزجا بصورة كاملة , وذلك باستخدام تيار هواء مضطرب , لكي يحصل امتزاج كامل .
3 – الوقود يجب أن يبقى في الفرن Furnace وقت كافي إلى أن يحصل احتراق كاملا
4 – حرارة الفرن يجب أن تكون كافية لكي تصل إلى درجة الاتقاد لخليط الوقود والهواء .
7 – مجموعة الحارق والفرن Furnace and Burner system :
مجموعة الحارق يجب أن تضبط ويسيطر عليها , لكي نضمن أن التحول من الطاقة الكيماوية المتحررة من الوقود إلى الطاقة الحرارية تحصل بكفاءة عالية , وكذلك نضمن انتقال الحرارة إلى أنابيب المرجل انتقالا كاملا . الشكل رقم ( 2 ) صورة مقطع للمرجل .

الحارق Burner :
الوقود يحترق داخل الحارق Burner , الحارق يستلم الوقود الذي يرذذ بواسطة البخار أو يرذذ ميكانيكا , وعملية الترذيذ عملية مهمة ولابد منها , لأنه لا يمكن للوقود أن يمتزج مع الهواء , بدون عملية ترذيذة .
وهناك طريقتين لترذيذ الوقود :
1 – تسخين الوقود بواسطة البخار , أو بعبارة أخرى مزج البخار مع الوقود , حيث يؤدي هذا المزج إلى تبخر الوقود , لكي تحدث عملية مزجة مع الهواء .
2 – ترذيذ الوقود ميكانيكيا , وهناك عدة أجهزة لترذيذ الوقود بهذه الطريقة .
وبصورة عامة , فأن ترذيذ الوقود Atomizing fuel يعني تجزئة الوقود إلى جسيمات صغيرة لكي تمتزج مع الهواء قبل الاحتراق .
ومن الجدير بالذكر , أن الوقود يسخن قبل أن يصل إلى الحارق Burner , لكي نقلل من لزوجة الوقود , لكي تتم عملية المزج مع الهواء بكفاءة , وبالتالي نحسن من عملية الاحتراق
هناك عدة أنواع من الحارق الميكانيكي , ونذكر نوعين فقط من هذه الأنواع , وهما

1 – Rotary Cup Burner :

في الشكل (3) يوضح هذا النوع من البيرنرات , حيث يجهز الوقود في أنبوب مركزي ويبثق الوقود داخل السطح الداخلي لمخروط دوار , ويجهز الهواء بواسطة مروحة .
2 – Dual fuel Burner حارق الوقود الثنائي
في الشكل (4) يوضح هذا النوع , يمكن باستعمال هذا النوع من البيرنارات , استخدام نوعين الوقود , أي يمكن ترتيب الجهاز لاستعمال أما الغاز الطبيعي Natural gas أو زيت الغاز ( الديزل ) fuel oil , أيهما متوفر يمكن أستخدامة , وممكن تحديد شكل الشعلة وأتجاهها , وتحسين ظروف المزج بين الهواء والوقود .

من الجدير بالذكر , أذا كان البويلر هو قلب المحطة , فأن البيرنر هو قلب البويلر , لأهميته في تنفيذ عملية الاحتراق في البويلر , وأمداد البويلر بالحرارة اللازمة لتحويل الماء إلى بخار وتزويد المحطة بالحرارة المطلوبة لأجهزة المحطة المختلفة .
مما تقدم فأن نتائج الاحتراق والتي هي الغازات المشتعلة ( الحارة ) Flue gases , لا يمكن أن تبقى قريبه من شعلة الاحتراق وأنما يجب تحريكها وتوجيهها إلى الأجزاء التي يجب أن ننقل أليها الحرارة المطلوبة , فهناك مروحتين , أحدهما قرب البيرنر في بداية الاحتراق وتسمى مروحة الدفع FDF , والمروحة الثانية , قرب قاعدة المدخنة Chimney وتسمى مروحة السحب IDF , لهذا فأن الغازات الحارة الناتجة من الاحتراق Flue gases تدفع بواسطة مروحة الدفع , فتمر هذه الغازات على أنابيب البويلر الداخلية والتي تحدث فيها عملية التبخير Evaporation process والتي تسمى Riser tubes , وبعدها تمر هذه الغازات
الحارة على أنابيب المحمص Superheater , وبعدها على أنابيب ( معيد التسخين ) Reheater وبعدها تمر على أنابيب المقتصدة Economizer , وثم تمر هذه الغازات الحارة على مسخن الهواء Air preheater , ثم تسحب هذه الغازات الحارة , بعد أن استنفذنا معظم الطاقة الحرارية التي فيها , بواسطة مروحة السحب IDF وتقذف إلى الجو بواسطة المدخنة Chimney .
مع التقدير

تشرين الأول 2020