آشنایی با مشعل پریمیکس

امروزه، با افزایش نیاز به انرژی و نگرانی‌های زیست‌محیطی، بهینه‌سازی روش‌های احتراق اهمیت زیادی پیدا کرده است. در این میان، مشعل‌های پریمیکس (Pre-mixed Burners) به عنوان یک راهکار نوآورانه، نقش مهمی در افزایش کارایی و کاهش آلاینده‌ها ایفا می‌کنند. مشعل‌ پیش مخلوط (پریمیکس) به گونه‌ای طراحی شده‌اند که سوخت و هوا را قبل از ورود به محفظه احتراق به‌طور یکنواخت مخلوط می‌کنند. نتیجه این فرایند، احتراقی کامل‌تر و کارآمدتر است که می‌تواند به کاهش مصرف سوخت و انتشار گازهای مضر کمک کند. در این مقاله، به بررسی ساختار، عملکرد، مزایا و کاربردهای مشعل پریمیکس می‌پردازیم و تأثیر آن‌ها را در صنایع مختلف بررسی خواهیم کرد.

احتراق

فرآیند احتراق از نظر علمی و فناوری به سه نوع زیر تقسیم بندی می شود:

• احتراق پیش مخلوط (Premixed): در این روش سوخت و هوا قبل از شعله با یکدیگر مخلوط شده و در محل تشکیل شعله واکنش شیمیایی بین آن ها اتفاق می افتد. در مشعل پیش مخلوط، از این فناوری استفاده می شود.
• احتراق نازل میکس (Nozzle-Mixed): در احتراق نازل میکس یا غیر پیش مخلوط، سوخت و هوا قبل از شعله کاملاً از یکدیگر جدا هستند و در محل شعله با یکدیگر تماس پیدا کرده و واکنش نشان می دهند. به شعله تشکیل شده از این روش، شعله دیفیوژن نیز گفته می شود. در مشعل های نازل میکس از این روش برای سوزاندن سوخت استفاده می شود.
• احتراق پیش مخلوط جزئی (Partially-Premixed): روشی بین دو حالت قبل است به نحوی که بخشی از احتراق به صورت پیش مخلوط و بخشی از آن به صورت غیر پیش مخلوط انجام می شود.

مزایا و معایب احتراق پیش مخلوط (پریمیکس)

احتراق پیش مخلوط رقیق (Lean Premixed Combustion) یکی از فناوری های نسبتاً جدید احتراقی است که مهم ترین مزیت آن کاهش میزان انتشار آلاینده‌های خطرناکی چون NOx و CO است. از این روش در توربین‌ گاز و مشعل پریمیکس استفاده می شود. دلیل به کارگیری کلمه «رقیق» آن است که در این روش، نسبت هوا به سوخت بیشتر از نسبت هوا به سوخت استوکیومتریک تنظیم می شود. این کار موجب می شود که احتراق به صورت کامل انجام شده و از طرف دیگر، دمای شعله و درنتیجه میزان انتشار NOx کاهش داده شود.

از جمله معایب مهم احتراق پیش مخلوط، احتمال بیشتر وقوع ناپایداری شعله است که خطرات ایمنی در پی داشته و می تواند منجر به افزایش تولید آلاینده ها شود. یکی از مهم ترین حالت های ناپایداری که مختص احتراق پیش مخلوط است پدیده برگشت شعله یا فلش بک (Flashback) نام دارد. با توجه به این که در احتراق پیش مخلوط، سوخت و هوا قبل از شعله با یکدیگر مخلوط می شوند، امکان اشتعال مخلوط قبل از محفظه احتراق و برگشت شعله به داخل مشعل وجود دارد. این پدیده هنگامی رخ می دهد که سرعت پیشروی شعله بیشتر از سرعت جریان مخلوط سوخت و هوا باشد.

مشعل های پیش مخلوط پاکمن

مشعل های پیش مخلوط شرکت پاکمن، همگی از دسته مشعل های متال فایبر هستند و در دو دسته تولید می شوند که به صورت زیر نام گذاری شده اند:

• مشعل‌ پریمیکس (سِری PE)
• مشعل های پست میکس (سِری PM)

لازم به ذکر است که این نام گذاری تنها به منظور تمایز دو دسته از مشعل های پاکمن انجام شده و هر دو گروه از نوع مشعل های پیش مخلوط متال فایبر هستند. تفاوت آن ها در محل و نحوه اختلاط سوخت و هوا است که به صورت شماتیک در شکل زیر نشان داده شده است. در بخش های بعد، مشخصات دقیق تر هر یک از این دو دسته مشعل ارائه می شود.

مشعل‌های متال فایبر به طور کلی دارای یک سری احتراقی مطابق شکل زیر هستند. این سری احتراقی از یک استوانه فلزی تشکیل می شود که روی سطح جانبی آن سوراخ های متعدد ولی بسیار کوچکی وجود دارند. همچنین سطح جانبی توسط یه لایه بافتنی از الیاف فلزی پوشانده شده است.

این ساختار خاص باعث توزیع مخلوط سوخت و هوا درطول سری احتراقی و خروج تقریباً یکنواخت آن از سوراخ های روی لوله می شود. همچنین لایه بافتنی فلزی موجب توزیع حرارت در سری مشعل و افزایش انتقال حرارت تابشی از شعله به بویلر می گردد. این امر دمای شعله را پایین آورده و در نتیجه میزان انتشار NOx در مشعل را تا حد زیادی کاهش می دهد.

یکی از محدودیت های این مشعل ها آن است که هوای ورودی به آن ها باید تا حد زیادی عاری از گرد و غبار باشد، چرا که ورود گرد و غبار موجب گرفتگی سوراخ های سری احتراقی می شود و می تواند عملکرد مشعل را دچار مشکل کند. به همین دلیل هوای ورودی به این مشعل ها باید از فیلتر عبور کرده و ذرات غبار قبل از ورود به مشعل از جریان هوا حذف شوند. همچنین امکان به کارگیری سوخت مایع در این مشعل ها وجود ندارد.

1- مشعل پریمیکس پاکمن (سِری PE)

در مشعل‌های پریمیکس رادمن، سوخت در یک ونتوری که در دهانه ورودی فن قرار می گیرد تزریق می شود. ونتوری به مکش سوخت به داخل جریان هوا کمک می کند. بدین ترتیب سوخت و هوا هر دو با هم وارد فن شده و با عبور از پروانه فن به خوبی با یکدیگر مخلوط می شوند. در این مشعل ها وقوع پدیده برگشت شعله بسیار مخرب تر خواهد بود چرا که به فن و الکترورموتور نیز آسیب وارد کرده و شعله از محفظه احتراق نیز خارج می شود که می تواند خطرات جانی داشته باشد.

برای جلوگیری از اشتعال ناخواسته مخلوط سوخت و هوا، فن این مشعل ها از قطعات ضد جرقه ساخته شده و در آن ها از موتور براشلس استفاده می گردد. در شکل زیر، یک مشعل پریمیکس شرکت پاکمن و اجزاء مختلف آن نشان داده شده است.

2- مشعل پست میکس پاکمن (سِری PM)

مشعل پست میکس نیز نوع دیگری از مشعل پیش مخلوط شرکت پاکمن است که تفاوت اصلی آن با «مشعل پریمیکس» پاکمن در محل و مکانیزم اختلاط سوخت و هوا است. در مشعل های پست میکس، هوای خروجی از فن ابتدا از یک میکسر سوخت و هوا عبور می کند و سپس، مخلوط سوخت و هوا وارد سری احتراقی می شود. در میکسر، سوخت گازی در جریان هوا تزریق شده و سوخت و هوا با یکدیگر مخلوط می شوند. بدین ترتیب، فرآیند اختلاط سوخت و هوا بعد از فن انجام می گیرد.

با این کار خطر اشتعال مخلوط داخل فن بر طرف می شود و می توان از فن های عادی نیز استفاده نمود. اما در این حالت سوخت و هوا فرصت کمتری برای اختلاط کامل و یکنواخت دارند و لذا طراحی میکسر اهمیت ویژه ای پیدا می کند.

طراحی نامناسب میسکر سوخت و هوا باعث کاهش کیفیت اختلاط می‌شود. در نتیجه، احتراق در برخی نقاط به‌صورت موضعی و با حالت بیش از حد رقیق یا غلیظ رخ می‌دهد. این امر نواحی با دمای بالا و پایین را روی سری احتراقی ایجاد می‌کند.

در این نواحی به صورت موضعی، آلاینده‌هایی مثل NOx و CO تشکیل می‌شود و حتی ممکن است پدیده برگشت شعله رخ دهد که می‌تواند خطرات متعددی در پی داشته باشد. بنابراین عملکرد نامناسب میکسر می‌تواند اثر مثبت استفاده از احتراق پیش مخلوط و مشعل‌های متال فایبر را تحت الشعاع قرار دهد.

میکسرهای مشعل‌های سری PM رادمن به گونه‌ای طراحی شده‌اند که سوخت و هوا را به بهترین نحو با یکدیگر مخلوط کرده و در نتیجه شعله‌ای پایدار با میزان آلایندگی بسیار پایین ایجاد نمایند.

اجزاء جانبی مشعل پریمیکس و پست میکس پاکمن

در بخش های قبل، اجزاء اصلی مشعل‌های پریمیکس و پست میکس پاکمن معرفی شدند که عبارتند از:

• سَری احتراقی متال فایبر
• فن
• الکتروموتور
• میکسر سوخت و هوا در مشعل‌های پست میکس
• ونتوری تزریق گاز در مشعل پریمیکس

اما این مشعل ها اجزاء دیگری نیز دارند که در این بخش توضیحات مختصری در خصوص برخی از این اجزاء جانبی ارائه می شود:

• خط گاز: در مشعل پریمیکس از نوع خاصی از خط گازهای مولتی بلاک استفاده می شود که در آن از یک رگولاتور زیروگاورنر بهره گرفته شده است. در این شیرها به منظور تنظیم بیشینه دبی گاز متناسب با بیشینه ظرفیت مشعل، از یک دریچه با نام Shutter و به منظور تنظیم کمینه ظرفیت مشعل از پیچ تنظیم دیگری تحت عنوان Offset استفاده می‌شود. در مشعل های پست میکس، خط گاز مشابه خطوط گاز مشعل های نازل میکس است.
• آشکارساز شعله: در مشعل‌های پریمیکس و پست میکس برای اطمینان از تشکیل شعله از سیستم تشخیص شعله میله یونی استفاده می شود.
• فیلتر هوا: در ورودی هوای مشعل های پست میکس، یک فیلتر تصفیه هوا برای جلوگیری از ورود ذرات گرد و غبار نصب می شود. در ورودی فن مشعل پریمیکس فیلتر هوا وجود ندارد و لذا هوا در ورودی محفظه نصب مشعل باید تصفیه شود.

کاربرد مشعل پیش مخلوط

احتراق پیش مخلوط امروزه در موارد گوناگونی مورد استفاده قرار می گیرد که شامل توربین های گاز، موتورهای درون سوز و مشعل های پیش مخلوط می شود. در این بین، مهم ترین کاربرد مشعل های متال فایبر مانند مشعل پریمیکس و پست میکس شرکت پاکمن که در ظرفیت های 500 تا 4000 کیلووات تولید می شوند، استفاده در بویلرهای چگالشی است. این بویلرها دارای محفظه احتراق نسبتاً کوچکی هستند که امکان استفاده از مشعل های نازل میکس با شعله بزرگ در آن ها وجود ندارد.

لذا در آن ها از مشعل پیش مخلوط متال فایبر با شعله محدود و مقید به سری احتراقی استفاده می شود. از طرف دیگر، بویلرهای چگالشی از حداکثر انرژی آزاد شده در فرآیند احتراق استفاده می کنند و لذا ترکیب آن ها با مشعل پریمیکس یا پست میکس می تواند یک سیستم گرمایشی پربازده، پاک و بهینه را تشکیل دهد.

مقایسه مشعل‌های پریمیکس، پست میکس و نازل میکس

در جدول زیر مشخصات مشعل‌های پریمیکس، پست میکس و نازل میکس ارائه شده است که می توان بر اساس آن این مشعل ها را با یکدیگر مقایسه کرد.

محدودیت‌های مشعل‌های متال فایبر

در کنار مزایای متعدد مشعل‌های متال فایبر، این مشعل‌ها محدودیت‌هایی نیز دارند که مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از:

پدیده برگشت شعله : امکان وقوع پدیده برگشت شعله و لزوم در نظرگرفتن این پدیده در طراحی مشعل و انتخاب اجزاء آن.

حساسیت به گرد و غبار در هوا: حساسیت به وجود گرد و غبار در هوا و در نتیجه لزوم وجود فیلتر در ورودی هوای مشعل. همچنین فیلترهای گاز و هوا باید به طور مرتب بازرسی شوند.

محدودیت ظرفیت: ظرفیت مشعل‌های متال فایبر معمولاً محدود به ظرفیت‌های متوسط بوده و برای بویلرهای بزرگ یا سایر کاربری‌های ظرفیت بالا مانند نیروگاه‌ها امکان استفاده از این مشعل‌ها وجود ندارد.

محدودیت سوخت: مشعل‌های متال فایبر امکان استفاده از سوخت‌های مایع وجود ندارد و این مشعل‌ها تنها با سوخت‌های گازی مانند گاز طبیعی یا LPG کار می‌کنند.

بهینه‌سازی مصرف سوخت و کاهش آلاینده‌ها با مشعل‌های پیش مخلوط

مشعل های پیش مخلوط دسته ای از مشعل های صنعتی هستند که در آن ها سوخت و هوا قبل از ورود به سری احتراقی با یکدیگر مخلوط شده و سپس در محل تشکیل شعله یعنی سری احتراقی فرآیند شیمیایی احتراق اتفاق می افتد. مزیت این مشعل ها، بازدهی بالاتر و میزان انتشار CO و NOx بسیار کم است. مشعل پریمیکس (سری PE) و پست میکس (سری PM) شرکت رادمن از جمله مشعل پیش مخلوط متال فایبر هستند که در ظرفیت های 500 تا 4000 کیلووات تولید شده و مهم ترین کاربرد آن ها در بویلرهای چگالشی است.