مقاله طراحی و پیاده‌سازی تکنولوژی احتراق بدون شعله در یک بویلر آزمایشگاهی

بخشی از مقاله

چکیده

در این مقاله رژیم احتراق بدون شعله در یک بویلر آزمایشگاهی طراحی و پیاده سازی گردید. هدف اصلی مشخص کردن عوامل موثر بر پایداری رژیم احتراقی مذکور جهت افزایش راندمان حرارتی - کاهش مصرف سوخت - و به طور همزمان کاهش تولید آلاینده ها می باشد. وجه تمایز اصلی تحقیق حاضر با تحقیقاتی قبلی در این است که در این آزمایش با استفاده از یک مشعل قدیمی از نوع پیش آمیخته و بدون نیاز به جاگزینی آن با مشعلهای پیشرفته فلاکس1، که قیمت بالایی دارند، رژیم احتراق بدون شعله در یک بویلر آزمایشگاهی در ابعاد بویلرهای موجود در موتورخانه ساختمانهای مسکونی ایجاد گردیده است.

نکته نوآورانه مقاله حاضر در این است که با ترکیب تکنیکهای طراحی مکانیکی - ساخت رکوپراتور راندمان بالا - و طراحی فرآیندی - تنظیم پیشگرمایش و رقیق سازی هوا - رژیم احتراق بدون شعله بدون نیاز به تعویض مشعل قدیمی ایجاد گردیده. در تستهای انجام گرفته تمام ویژگیهای کیفی و ظاهری رژیم احتراق بدون شعله نظیر شعله حجیم، کم صدا و کم فروغ حاصل شده است. علاوه بر این، مزایای اصلی احتراق بدون شعله شامل %10 کاهش مصرف سوخت در یک راندمان حرارتی یکسان به همراه %13 کاهش تولید ناکس و توزیع تقریباً یکنواخت حرارت در بویلر آزمایشگاهی محقق شده است.

-1 مقدمه

احتراق بدون شعله یکی از تکنولوژیهای نوین احتراقی است که در اوایل قرن بیست و یکم مورد توجه بسیاری از محققین و صنعتگران احتراقی در سراسر دنیا قرار گرفت. این رژیم احتراقی برای اولین بار در کشور آلمان تحت عنوان اکسیداسیون بدون شعله2 مطرح گردید [1] و از آن پس در کشورهای مختلف تحت عناوین متفاوتی نظیر احتراق با هوای دما بالا3 و یا رقیق سازی متوسط تا زیاد اکسیژن4 مورد بررسی قرار گرفت.

از مزایای تکنولوژی احتراق بدون شعله میتوان به این موارد اشاره نمود :[2] -1توزیع یکنواخت دما در کل محفظه احتراق. -2افزایش راندمان حرارتی - یا کاهش میزان مصرف سوخت در یک راندمان برابر - . -3کاهش تولید آلاینده ها - به دلیل کاهش مصرف سوخت و کاهش دمای بیشینه - . -4تولید محصولات با کیفیت به دلیل توزیع یکنواخت دما در سراسر محفظه احتراق. -5افزایش عمر مشعل و محفظه احتراق به دلیل جلوگیری از ایجاد نقاط داغ ناشی از دمای بیشینه شعله. -6عدم تخریب کاتالیست موجود در لوله های راکتور - در صورت کاتالیستی بودن فرآیند - .

-7کاهش آلودگی صوتی در مراکز صنعتی به دلیل عدم وجود جبهه شعله کهدر نتیجه این احتراق به صورت تقریباً بدون صدا انجام می گیرد. تمام این مزایا سبب شده که احتراق بدون شعله به طور وسیعی در دهه اخیر مورد توجه قرار گیرد و تحقیقات بسیاری در زمینه تعیین شرایط عملیاتی، مکانیزمها و پارامترهای موثر بر آن انجام شود 1] تا .[12 شکل - 1 - تصویر دو کوره صنعتی با سوخت گاز و مایع را نشان میدهد که در دو رژیم احتراق معمولی غیرپیشآمیخته و بدون شعله کار میکنند.

شکل - 1 - محفظه احتراق با سوخت - بالا - گازی و - پایین - سوخت نفت سنگین در شرایط - چپ - احتراق معمولی غیرپیشآمیخته - راست - احتراق بدون شعله [3] تفسیری از ملزومات رژیم احتراق بدون شعله در شکل - 2 - نشان داده شده است. در این شکل محور افقی غلظت اکسیژن در منطقه واکنش و محور عمودی دمای واکنشگرهای درون محفظه احتراق را نشان می دهد. ملاحظه می شود که با کاهش غلظت اکسیژن ورودی به منطقه واکنش و افزایش همزمان دمای واکنشگرها به دمایی بالاتر از دمای خود اشتعالی، رژیم احتراقی از حالت معمولی به حالت بدون شعله میل میکند.

چگونگی پیش گرمایش واکنشگرها به دماهای بالا - در حدود دمای خود اشتعالی - برای دستیابی به رژیم احتراق بدون شعله از چالش های پیش روی این تکنولوژی محسوب میشود. رکوپراتور های معمولی که مناسب ترین گزینه جهت پیش گرمایش هوا در صنایع احتراقی هستند به دلیل داشتن راندمان حرارتی پایین نتوانسته اند در حوزه احتراق بدون شعله مورد توجه محققین و صنعتگران واقع شوند.

در مقابل، تجهیزاتی مانند مشعلهای ثانویه و هیترهای الکتریکی که استفاده از آنها منجر به صرف منابع انرژی خارجی و کاهش راندمان کلی سیستم میشود فقط جهت انجام تحقیقات در مقیاس آزمایشگاهی قابل استفاده میباشند و کاربرد صنعتی ندارند. از دیگر چالشهای پیش روی این تکنولوژی، لزوم استفاده از مشعلهای ویژه و گران قیمت جهت پیاده سازی آن در صنایع مختلف است.

به عبارت دیگر، تاکنون هیچ گزارش تحقیقاتی یا تجاری مبنی بر پیاده سازی احتراق بدون شعله با مشعلهای سنتی و قدیمی در مقیاس آزمایشگاهی و یا صنعتی ارائه نشده است. در ادامه مهم ترین پژوهشهای تجربی صورت گرفته در حوزه احتراق بدون شعله با تمرکز بر نحوه پیش گرمایش هوا و همچنین معرفی مشعلهای مدرن مورد نیاز ارائه میگردد.

-2 چالش اول تکنولوژی احتراق بدون شعله: نحوه پیشگرمایش هوا

-1-2 استفاده از مشعل ثانویه مشعلهای ثانویه عمدتاً به منظور راه اندازی1 ابتدایی سیستمهای احتراقی با مقیاس بزرگ مورد استفاده قرار می گیرند. هنگامیکه محفظه احتراق سرد است راه اندازی سیستم توسط مشعل های اصلی ممکن است به طول بیانجامد. برای حل این مشکل می توان از مشعل های ثانویه - کمکی - استفاده نمود. این مشعل ها که توان حرارتی کمتری نسبت به مشعل های اصلی دارند پس از راه اندازی سیستم از مدار خارج می شوند. در حوزه احتراق بدون شعله برخی از پژوهشگران از مشعل های ثانویه به عنوان ابزار پیش گرمایش هوا استفاده کرده اند.

همانطور که در ادامه خواهیم دید در تحقیقات آنها مشعل ثانویه به طور پیوسته در مدار بوده و پیشگرمایش هوا تا دماهای بسیار زیاد را به طور مداوم انجام می دهد. بنابراین، در این سیستم ها از دو مشعل اصلی و ثانویه استفاده می شود که هر کدام از آنها سوخت و هوای مستقل دریافت میکنند. این امر منجر به افزایش چشمگیر مصرف سوخت و به تبع آن کاهش راندمان کلی سیستم میگردد.

وبر و همکارانش [4] در سال 2000 بر روی یک کوره پایلوت با توان 0/58 مگاوات موجود در IFRF2، احتراق گاز طبیعی با هوای پیشگرم شده - 1300C - را در رژیم احتراق بدون شعله مورد بررسی قرار دادند. نتایج به دست آمده افزایش 60 درصدی نرخ تابش گرمایی را در حالت احتراق بدون شعله نسبت به احتراق معمولی نشان داد. کوره مورد مطالعه شامل محفظه احتراقی با مقطع عرضی 2*2 m2 و طول 6/25 m میباشد که در شکل - 3 - به صورت شماتیک نشان داده شده است. در این سیستم هوای پیشگرم شده توسط مشعل ثانویه از نازل مرکزی و سوخت گازی از دو نازل پیرامونی به محفظه احتراق تزریق میشوند.

با حجمهای برابر را با عدد رینولدز حدود 10000 به داخل اکسیدکننده داغ تزریق میکند. نازل تزریق سوخت توسط یک آنالوس هم مرکز با قطر 82 mm احاطه شده است که جریان اکسیدکننده داغ و رقیق شده را به منطقه واکنش تزریق مینماید. به منظور جلوگیری از اتلاف حرارتی به محیط، آنالوس مورد نظر از جنس سرامیک ساخته شده است. نکته مورد نظر در این است که درون آنالوس یک مشعل ثانویه قرار گرفته که علاوه بر گرمکردن اکسیدکننده بخشی از محصولات احتراق را برای رقیقسازی اکسیدکننده به منطقه واکنش هدایت میکند. بنابراین، برای پیشگرمایش اکسید کننده، سوخت اضافی در مشعل ثانویه مصرف میشود که در صنعت قابل توجیه و استفاده نیست.

-2-2 استفاده از هیتر الکتریکی از آنجا که احتراق بدون شعله جزء تکنولوژیهای نوین در عرصه احتراق محسوب میشود و هنوز بسیاری از مکانیزم های مرتبط با این رژیم احتراقی مجهول است، بسیاری از محققین اقدام به طراحی و ساخت کوره های احتراقی در مقیاس آزمایشگاهی نمودهاند. در اینمطالعات صرفاً پیشگرمایش واکنش دهنده ها به دمای بالاتر از دمای خود اشتعالی مخلوط سوخت و اکسید کننده مد نظر بوده و اقتصادی بودن نحوه پیشگرمایش دور از نظر قرار گرفته است. بنابراین، استفاده از هیترهای الکتریکی که میتوانند حجم اندکی از هوا را تا دماهای بالا گرم کنند مورد استفاده قرار گرفته است.

برای مثال، کاوالیگولو و همکارانش [6] در سال 2003 اثر میزان بازگردش گازهای حاصل از احتراق به منطقه واکنش را بر تغییر رژیم احتراق از حالت معمولی به حالت بدون شعله در یک مشعل پایلوت که با سوخت متان و اتان کار میکرد بررسی نمودند. سیستم مورد مطالعه آنها، مطابق شکل - 5 - ، یک سیلندر شیشه ای بسته از جنس کوارتز بود که از لحاظ ساختاری به دو بخش محفظه احتراق و بخش پیشگرمایش هوا تقسیم میشد. قطر داخلی محفظه احتراق 50 mm و طول آن 370 mm بود. همان طور که از شکل - 5 - بر میآید، جریانهای سوخت و هوای اولیه1 - هوای پیشگرم شده مورد نیاز برای دستیابی به رژیم احتراق بدون شعله - به صورت عمود بر هم اختلاط مییابند و به این ترتیب جریانی نیمه پیش آمیخته قبل از ورود به محفظه احتراق پدید میآید.

هوای اولیه به صورت مستقیم وارد بخش پیش گرمایش شده و پس از دریافت حرارت با سوخت مخلوط میگردد. قبل از دستیابی به رژیم احتراق بدون شعله، محفظه احتراق میبایستی با استفاده از احتراق معمولی راهاندازی و پیش گرم شود. به همین منظور در این مطالعه با استفاده از هوای موسوم به هوای ثانویه ، که از طریق لوله ای از میان بخش پیش گرمایش عبور میکند، هوای مورد نیاز احتراق در حالت معمولی تأمین گردیده است. حرارت لازم برای پیش گرمایش هوا تا دمای 1300، توسط یک هیتر الکتریکی تأمین میشود. به منظور افزایش حرارت منتقل شده به هوا، ناحیه پیشگرمایش توسط ساچمههای ساخته شده از کوارتز پر شده است.

شکل - 5 - - راست - نازل تزریق سوخت و هوا - چپ - طرح کلی مشعل پایلوت :A محفظه احتراق :B نازل :C ورود هوای ثانویه :D ورودی هوای اولیه :E ساچمههای کوارتزی :F ناحیه پیش گرمایش :G هیتر الکتریکی اصلی :H هیتر الکتریکی بالایی برای کاهش دفع حرارت :I ورود سوخت :* موقعیت ترموکوپلها [6] سزوگ و همکارانش [7] در سال های 2008 و 2009 به طراحی و آزمایش کوره احتراقی MILD2 با توان 20kW و با قابلیت استفاده از سوخت های گازی CNG و LPG پرداخته و اندازهگیریهای مربوط به دما و ترکیب درصد محصولات احتراق را در دو حالت احتراق معمولی و احتراق بدون شعله گزارش کردند.

شکل - 6 - طرح کلی کوره احتراق مورد مطالعه را نشان میدهد. محفظه احتراق به طول 585 mm و مقطع عرضی 280*280 mm2 می باشد. در این مطالعه به منظور پیش گرمایش هوای احتراق از یک هیتر الکتریکی با قابلیت افزایش دمای هوا تا 540℃ استفاده گردید. نتایج آزمایش حاکی از این بود که برای سیستم احتراقی مورد مطالعه، مومنتوم جت سوخت پایداری احتراق بدون شعله را کنترل میکند.