يتم تقييم تكوين غاز المداخن والهواء الزائد من خلال الجمع بين تحليل الغاز والموازنات المادية والعنصرية حول وحدة الاحتراق. في المحطة التجريبية، يقوم المشغلون عادةً بقياس تركيزات غاز المداخن الجاف من CO₂ و O₂ و CO و SO₂ و N₂ باستخدام جهاز أورسات (Orsat) أو أجهزة تحليل الغاز المستمرة. ثم يقومون بحساب متطلبات الأكسجين النظرية من تكوين الوقود ومقارنتها بالأكسجين الفعلي المورد في هواء الاحتراق.

الخلاصة الجوهرية: يشير تحليل غاز المداخن إلى مقدار الأكسجين المتبقي بعد الاحتراق، بينما تحدد بيانات الوقود وتدفق الهواء المتطلبات النظرية. إن مقارنة الهواء الفعلي المورد بالهواء المتكافئ (الستوكيومتري)، والتحقق من النتيجة مقابل تكوين غاز المداخن المقاس، يعطي نسبة الهواء الزائد ويتحقق من موازنة مادة الاحتراق.

تأسيس أساس الاحتراق

تحديد تكوين الوقود

يبدأ التحليل بتكوين الوقود الجاف أو كما هو عند الاحتراق. يجب أن تحدد الموازنة الكربون، والهيدروجين، والكبريت، والأكسجين المرتبط بالفعل في الوقود، والرطوبة، والرماد، وأي نيتروجين أو مكونات أخرى ذات صلة.

بالنسبة للوقود الغازي، يمكن التعبير عن التكوين ككسور مولية للميثان، والإيثان، والهيدروجين، وأول أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، ومكونات أخرى. بالنسبة للوقود الصلب أو السائل، يتم التعبير عن التحليل النهائي عادةً كنسب مئوية كتلية للكربون، والهيدروجين، والأكسجين، والكبريت، والنيتروجين، والرماد، والرطوبة.

اختيار أساس ثابت

يتم إجراء الحساب على أساس محدد، مثل 100 كيلومول من الوقود، أو 100 كجم من الفحم، أو فترة تشغيل محددة للمحطة التجريبية. يجب أن تستخدم جميع كميات الوقود والهواء وغاز المداخن والبقايا نفس الأساس.

يميز التحليل أيضاً بين غاز المداخن الرطب، الذي يتضمن بخار الماء، وغاز المداخن الجاف، الذي تمت إزالة الماء منه. يتم الإبلاغ عن معظم نتائج أورسات وغاز المداخن على أساس جاف.

حساب متطلبات الأكسجين النظرية

تطبيق كيمياء الاحتراق الكامل

يتم حساب متطلبات الأكسجين النظرية للأكسدة الكاملة إلى أعلى حالات الأكسدة المتوقعة:

• يتحول الكربون إلى CO₂.
• يتحول الهيدروجين إلى H₂O.
• يتحول الكبريت إلى SO₂.

بالنسبة لوقود يحتوي على الكربون العنصري، والهيدروجين، والكبريت، والأكسجين، يُكتب صافي الأكسجين المطلوب عادةً على أساس الكتلة كما يلي:

[ n_{O_2,\text{net}}

n_C+\frac{n_H}{4}+n_S-\frac{n_O}{2} ]

هنا، (n_C) و (n_H) و (n_S) و (n_O) هي كميات الكربون والهيدروجين والكبريت والأكسجين المرتبط بالوقود معبراً عنها بوحدات ذرية متسقة.

يتم طرح الأكسجين المرتبط بالوقود لأنه يساهم في الأكسدة. تعتمد المتطلبات النظرية على الاحتراق الكامل، لذا فإن أول أكسيد الكربون المقاس أو الوقود غير المحترق لا يعيد تعريف متطلبات الأكسجين النظرية.

تحويل متطلبات الأكسجين إلى هواء متكافئ (ستوكيومتري)

بالنسبة للهواء الجاف العادي، يمثل الأكسجين حوالي 21% من حيث الحجم، أو الكسر المولي، مع تشكيل النيتروجين لمعظم الباقي. لذلك:

[ n_{\text{air,stoich}}

\frac{n_{O_2,\text{stoich}}}{y_{O_2,\text{air}}} ]

يعد استخدام تكوين الهواء الفعلي المناسب مهماً عندما تستخدم المحطة التجريبية هواءً غنياً بالأكسجين، أو غاز مداخن معاد تدويره، أو هواءً مرطباً، أو مؤكسداً آخر.

قياس تكوين غاز المداخن

استخدام جهاز أورسات أو التحليل الآلي

يقيس جهاز أورسات التقليدي مكونات غاز المداخن الجاف عن طريق امتصاص ثاني أكسيد الكربون والأكسجين وأحياناً أول أكسيد الكربون بشكل انتقائي. عادة ما يتم الحصول على النيتروجين عن طريق الفرق:

[ y_{N_2}

1-y_{CO_2}-y_{O_2}-y_{CO}-y_{\text{other}} ]

غالباً ما تستخدم المحطات التجريبية الحديثة أجهزة تحليل مستمرة تعتمد على تقنيات مثل قياس الأكسجين المغناطيسي، أو قياس ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون بالأشعة تحت الحمراء، أو قياس ثاني أكسيد الكبريت بالأشعة فوق البنفسجية.

الإبلاغ عن الأساس وظروف أخذ العينات

يجب أن توضح نتيجة غاز المداخن ما إذا كانت التركيزات على أساس جاف أو رطب، وما إذا كانت كسوراً حجمية أو مولية، ودرجة حرارة وضغط أخذ العينات. قد تتطلب خطوط أخذ العينات الترشيح، والتبريد، والتحكم في التكثيف، وتصحيح الرطوبة.

يمكن أن يؤدي أخذ العينات الضعيف إلى نتائج مضللة. يمكن أن يؤدي الماء المتكثف، أو التسريبات، أو تحميل الجسيمات، أو الحساسية المتبادلة للمحلل، أو موقع أخذ العينات غير التمثيلي إلى تشويه تكوين الغاز الظاهري.

تفسير المكونات الرئيسية

يشير CO₂ إلى أكسدة الكربون وهو مفيد للتحقق من موازنة الكربون. قد ينتج تركيز CO₂ المنخفض عن ارتفاع الهواء الزائد، أو الاحتراق غير الكامل، أو تخفيف الوقود، أو الكربون غير الممثل في الغاز الذي تم أخذ عينات منه.

يمثل O₂ الأكسجين الذي يتبقى بعد تفاعلات الاحتراق. وهو مؤشر غاز المداخن الأكثر استخداماً للتحكم في الهواء الزائد، ولكن يجب تفسيره جنباً إلى جنب مع قياسات CO والوقود غير المحترق.

يشير CO والهيدروكربونات المتبقية إلى احتراق غير كامل. قد ينتج وجودها عن عدم كفاية الهواء، أو ضعف خلط الوقود والهواء، أو عدم كفاية وقت البقاء، أو درجة الحرارة المنخفضة، أو تشغيل الموقد غير المستقر.

يرتبط SO₂ بشكل أساسي بتحويل الكبريت ويساعد في تقييم موازنات الكبريت ومعالجة الغاز الحمضي في المراحل اللاحقة. يتم نقل النيتروجين في الغالب من هواء الاحتراق، على الرغم من أن النيتروجين المرتبط بالوقود وتكوين أكسيد النيتروجين قد يتطلب تحليلاً إضافياً.

تحديد نسبة الهواء الزائد

حسابها من بيانات تدفق الهواء

إذا تم قياس تغذية الهواء الفعلية، فإن نسبة الهواء الزائد هي:

[ %\text{ excess air}

\frac{n_{\text{air,actual}}-n_{\text{air,stoich}}} {n_{\text{air,stoich}}} \times 100 ]

وبالمثل، باستخدام الأكسجين المورد من الهواء:

[ %\text{ excess air}

\frac{n_{O_2,\text{actual}}-n_{O_2,\text{stoich}}} {n_{O_2,\text{stoich}}} \times 100 ]

معامل الهواء الزائد هو:

[ \lambda

\frac{n_{\text{air,actual}}}{n_{\text{air,stoich}}}

1+\frac{%\text{ excess air}}{100} ]

وبالتالي، فإن 15% من الهواء الزائد يتوافق مع (\lambda=1.15).

تقديرها من أكسجين غاز المداخن الجاف

بالنسبة للاحتراق الكامل بالهواء العادي والأكسجين الضئيل في الوقود، فإن التقريب الشائع القائم على أكسجين غاز المداخن الجاف هو:

[ %\text{ excess air} \approx \frac{y_{O_2,\text{dry}}} {0.21-y_{O_2,\text{dry}}} \times 100 ]

تفترض هذه العلاقة أن الأكسجين المقاس هو المؤشر الرئيسي للمؤكسد الزائد وأن تكوين الهواء معروف.

يصبح التقريب أقل موثوقية عند وجود أول أكسيد الكربون، أو الوقود غير المحترق، أو إثراء الأكسجين، أو تسرب الهواء، أو إعادة تدوير غاز المداخن، أو وجود أكسجين مرتبط بالوقود بشكل كبير.

التحقق المتبادل مع موازنة مادية كاملة

أقوى إجراء للمحطة التجريبية هو مقارنة تقديرين مستقلين:

1. حساب الهواء النظري من التحليل العنصري للوقود.
2. حساب الهواء الفعلي من تدفق الهواء المقاس.
3. تحليل غاز المداخن الجاف.
4. إعادة بناء تيار المخرج باستخدام موازنات الكربون والهيدروجين والكبريت والأكسجين والنيتروجين.
5. مقارنة التكوينات المحسوبة والمقاسة.

يدعم الاتفاق صحة بيانات التشغيل. قد يشير التناقض الكبير إلى خطأ في المحلل، أو تسرب الهواء، أو تكوين وقود غير دقيق، أو بقايا صلبة غير مقاسة، أو احتراق غير كامل.

فهم المقايضات

القليل جداً من الهواء يسبب احتراقاً غير كامل

يمكن أن يؤدي التشغيل تحت متطلبات الهواء الستوكيومتري إلى إنتاج CO، أو السخام، أو الدخان، أو الهيدروجين، أو الميثان، أو غيرها من الهيدروكربونات غير المحترقة. كما أنه يقلل من الحرارة القابلة للاسترداد لأن جزءاً من الطاقة الكيميائية للوقود يظل في العادم أو البقايا.

قراءات الأكسجين المنخفضة وحدها لا تثبت التشغيل الفعال. يمكن أن يشير غاز المداخن منخفض الأكسجين المصحوب بارتفاع في CO إلى نقص الأكسجين أو ضعف الخلط.

الكثير من الهواء يقلل من الكفاءة الحرارية

يساعد الهواء الزائد في تعزيز الاحتراق الكامل، ولكنه يزيد أيضاً من حجم النيتروجين والأكسجين غير المستخدم الذي يسخنه الفرن. تغادر هذه الغازات عبر المدخنة وتحمل الحرارة المحسوسة بعيداً عن العملية.

لذلك يمكن للهواء الزائد أن يقلل من الكفاءة الحرارية، ويزيد من متطلبات المراوح والقنوات، ويخفف تركيزات الملوثات. نقطة التشغيل المناسبة هي أدنى مستوى للهواء الزائد الذي يحافظ على احتراق مستقر وكامل ويلبي متطلبات السلامة والانبعاثات.

تسرب الهواء يمكن أن يفسد الحساب

يؤدي الهواء الذي يدخل عبر أختام الفرن، أو منافذ الفحص، أو وصلات القنوات، أو نقاط أخذ العينات إلى زيادة أكسجين غاز المداخن المقاس دون أن يمثل بالضرورة هواء الاحتراق المورد للموقد. هذا يمكن أن يجعل الهواء الزائد المحسوب يبدو أعلى مما يشير إليه إعداد الموقد.

لذلك يجب أن تميز موازنات المحطة التجريبية بين هواء الاحتراق وهواء التخفيف غير المنضبط حيثما أمكن ذلك.

يجب مراعاة الرطوبة ونقطة الندى

تظهر رطوبة الوقود والماء المتكون من احتراق الهيدروجين في غاز المداخن الرطب ولكنها غائبة عن نتائج أورسات الجافة. هذا التمييز مهم عند تحويل التركيزات المقاسة إلى معدلات تدفق إجمالية أو إجراء موازنة أكسجين.

يجب أن يظل غاز المداخن أيضاً فوق نقطة الندى المائية أو الحمضية ذات الصلة في معدات استعادة الحرارة ما لم تتم إدارة التكثيف عمداً. يمكن للوقود المحتوي على الكبريت أن يخلق تكثيفاً حمضياً ومخاطر تآكل عندما تتكثف أكاسيد الكبريت والماء معاً.

كيفية تطبيق ذلك على محطتك التجريبية

تعتمد الطريقة المناسبة على الغرض من التجربة والأجهزة المتاحة.

• إذا كان تركيزك الأساسي هو كفاءة الاحتراق: قم بقياس O₂ و CO₂ و CO الجاف باستمرار، واحسب الهواء النظري من تكوين الوقود، وقم بالتشغيل عند أدنى هواء زائد يحافظ على انخفاض CO والوقود غير المحترق بشكل مقبول.
• إذا كان تركيزك الأساسي هو التحقق من الموازنة المادية: استخدم أساس وقود ثابتاً، وقم بقياس معدلات تدفق الهواء وغاز المداخن، وقم بتحليل الغاز الجاف، وأغلق موازنات الكربون والهيدروجين والكبريت والأكسجين والنيتروجين.
• إذا كان تركيزك الأساسي هو التحكم في الموقد أو الفرن: استخدم O₂ في غاز المداخن كمؤشر تحكم، ولكن تحقق منه مقابل CO، وتسرب الهواء، وتدفق الوقود، ومعايرة المحلل الدورية.
• إذا كان تركيزك الأساسي هو الانبعاثات أو معالجة العادم: تتبع CO₂ و CO و SO₂ والأكسجين والرطوبة والملوثات ذات الصلة على أساس جاف أو رطب محدد بوضوح قبل تحديد حجم أو تقييم أجهزة الغسل (scrubbers) ومعدات المعالجة الأخرى.

يتطلب تقييم الهواء الزائد الموثوق به كلاً من قياس دقيق لغاز المداخن وموازنة احتراق متسقة كيميائياً.

جدول ملخص:

هل تحتاج إلى بيانات احتراق موثوقة للتدريس أو البحث أو تطوير العمليات؟ اتصل بـ LABPARK لمناقشة محطة تجريبية لعمليات الوحدة التعليمية أو المهنية المصممة خصيصاً لاحتياجاتك. تدعم LABPARK الجامعات ومعاهد البحوث والمؤسسات بمحطات تجريبية للهندسة الكيميائية، والعمليات الحيوية والتكنولوجيا الحيوية، وتطبيقات معالجة البيئة والمياه. تساعد أنظمتنا الفرق على قياس تدفقات الهواء والوقود، وتحليل غاز المداخن، والتحقق من الموازنات المادية، وتقييم كفاءة الاحتراق، وتدريب المشغلين باستخدام معدات عملية ومجهزة بأدوات قياس.

المنتجات ذات الصلة

• مصنع تجريبي تعليمي لعمليات وحدات تصنيع الميثانول من ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين
• وحدة تدريب عمليات وحدات نقل السوائل بمضخات متعددة منشأة تجريبية
• وحدة تجريبية لتدريب العمليات الوحدية لاستخلاص المنتجات الطبيعية
• وحدة تدريب عمليات التقطير متعددة الوسائط - مصنع تجريبي
• وحدة تجريبية تعليمية متعددة المفاعلات لعمليات هندسة التفاعل

يسأل الناس أيضًا

• كيف تؤثر درجة الحرارة والضغط على مصانع توليد الميثانول التجريبية؟ قم بتحسين التوازن وأداء المحفز.
• لماذا يعد نظام التنقية necessary عند تشغيل حلقة إعادة تدوير الغاز في مصنع تجريبي لتخليق الميثانول؟ (دليل)
• لماذا تعمل مصانع الميثانول التجريبية الحديثة عند ضغوط منخفضة؟ شرح متطلبات المحفز والمادة الخام
• ما هي المتطلبات التشغيلية لتفعيل العامل المساعد؟ التشغيل الآمن لوحدة الميثانول التجريبية
• لماذا تعتبر كثافة الجسيمات، والكثافة الظاهرية، والمسامية حرجة في النباتات التجريبية؟ إتقان ديناميكا الموائع للطبقة