سوختها نقش اساسی در تأمین انرژی و گرما در صنایع احتراقی دارند و علاوه بر تأمین انرژی، تأثیرات زیستمحیطی و اقتصادی مهمی دارند. انتخاب سوخت مناسب برای مشعلها بر بهرهوری، هزینههای عملیاتی و میزان آلایندهها تأثیرگذار است. با توجه به اهمیت بهینهسازی انرژی، شناخت انواع سوختها ضروری است.
سوختها بر اساس حالت فیزیکی به سه دسته کلی گاز، مایع و جامد تقسیم میشوند که هر کدام ویژگیها، مزایا و چالشهای خاص خود را دارند. این مقاله بهطور جامع به بررسی انواع سوخت مورد استفاده در مشعلهای صنعتی میپردازد و ویژگیهای هر دسته را مورد تحلیل قرار میدهد.
سوخت چیست؟
برای آغاز و ادامه فرآیند احتراق، سه عامل باید فراهم باشند که اصطلاحاً مثلث آتش نامیده میشوند. این سه عامل عبارتند از سوخت، اکسیژن و انرژی اولیه برای آغاز واکنش. سوخت به مواد قابل اشتعال مانند زغالسنگ، گازوئیل، گاز و … گفته میشود که هدف اصلی از مصرف آنها، آغاز و تداوم احتراق برای تولید حرارت است.

ارزش حرارتی سوخت
ارزش حرارتی سوخت، بیانگر میزان حرارت آزادشده در اثر احتراق کامل واحد جرم سوخت است. به عبارت دیگر، وقتی یک کیلوگرم سوخت در واکنش احتراق کاملاً بسوزد، مقدار گرمای آزادشده ارزش حرارتی آن سوخت نامیده میشود. ارزش حرارتی در انواع سوخت به دو شکل ارزش حرارتی پایین (Lower Heating Value) و ارزش حرارتی بالا (Higher Heating Value) تعیین میشود. تفاوت این دو پارامتر، در وضعیت فیزیکی آب در محصولات احتراق است:
ارزش حرارتی بالا (HHV)
در این حالت، فرض میشود بخار آب تولیدشده در احتراق به حالت مایع در میآید. بنابراین، گرمای نهان تبخیرآب نیز در محاسبهی انرژی آزادشده از احتراق منظور میگردد. به بیان دیگر، HHV حداکثر انرژی شیمیایی قابل استحصال از واحد جرم یک سوخت است، زیرا گرمایی که از تبدیل شدن بخار به آب مایع آزاد میشود نیز محاسبه میگردد.
ارزش حرارتی پایین (LHV)
در این حالت، آب موجود در محصولات احتراق به صورت بخار باقی مانده و شرایط تقطیر آن فراهم نمیشود. در نتیجه، گرمای نهان تبخیر آب بازیابی نشده و از سیستم خارج میگردد. لذا، LHV مقداری کمتر از HHV دارد. در بسیاری از کاربردهای صنعتی که محصولات احتراق با دمای بالا و حاوی بخار آب تخلیه میشوند، LHV معیار رایجتری به شمار میآید.


دستهبندی سوختها
بر اساس حالت فیزیکی، سوختها به سه دسته گازی، مایع و جامد تقسیم میشوند و انتخاب نوع سوخت، هم بر عملکرد سیستم و هم بر میزان آلایندگی تاثیر دارد. سوختهای گازی آلایندههای گوگردی کمتری دارند و احتراق آنها راحتتر است. سوختهای مایع به تجهیزات خاص برای پودر شدن نیاز دارند و در صورت عدم احتراق کامل، آلاینده تولید میکنند. سوختهای جامد مانند زغالسنگ، آلایندههای زیادی تولید میکنند و کاربرد کمتری دارند.شناخت دقیق ویژگیهای هر سوخت در انتخاب بهترین گزینه برای یک کاربرد مشخص و دستیابی به بالاترین بازدهی بسیار اهمیت دارد.


انواع سوخت گازی
سوختهای گازی دارای انواع متعددی هستند که مهمترین آنها عبارتند از: گاز طبیعی، هیدروژن، گاز مایع (LPG) و سوختهای فرآیندی.
گاز طبیعی (Natural Gas)
گاز طبیعی یک سوخت فسیلی است که عمدتاً از متان تشکیل شده و در نزدیکی مخازن نفت خام یافت میشود. این گاز علاوه بر متان، ممکن است حاوی اتان، پروپان، بوتان و ناخالصیهایی مانند دیاکسیدکربن و نیتروژن باشد. ارزش حرارتی پایین گاز طبیعی حدود MJ/kg 47 است، اما این مقدار بسته به ترکیب آن در هر میدان گازی متفاوت است. برای نمونه، چهار مورد از ترکیبات مختلف گاز طبیعی در نقاط مختلف جهان در جدول 2 نشان داده شده است.


مزایای اصلی گاز طبیعی
- آلایندگی کمتر: در مقایسه با سوختهای مایع و زغالسنگ، دیاکسیدکربن و آلایندههای زیست محیطی کمتری تولید میکند و در نتیجه سوختی پاکتر محسوب میشود.
- انتقال آسان: وجود شبکههای گسترده خط لوله، حمل و نقل گاز طبیعی را نسبت به سایر سوختهای فسیلی راحتتر و کمهزینهتر کرده است.
- کاربرد وسیع: از تولید برق و صنایع مختلف تا گرمایش خانگی، همگی میتوانند از گاز طبیعی استفاده کنند.
- کنترل ساده احتراق: در مقایسه با سوختهای مایع و جامد، احتراق گاز طبیعی راحتتر تنظیم میشود و بازدهی بالاتری به همراه دارد.
با توجه به این ویژگیها، گاز طبیعی در دهههای اخیر سهم چشمگیری از بازار انرژی را به خود اختصاص داده و به دلیل سازگاری بیشتر با محیط زیست، بسیاری از کشورها در حال گسترش زیرساختهای لازم برای استفادهی هرچه بیشتر از این سوخت هستند.


گاز مایع (LPG)
گاز مایع یا LPG عمدتاً مخلوطی از پروپان و بوتان است. این سوخت به دلیل قابلیت ذخیرهسازی در حالت مایع، در مناطقی که دسترسی به خطوط لوله گاز طبیعی ندارند استفاده میشود. البته این گاز در شرایط استاندارد حالت گازی دارد، ولی تحت فشار (معمولاً bar 8) به حالت مایع در میآید. ارزش حرارتی پایین (LHV) گاز مایع حدود MJ/kg 5/45 است و استفاده از آن در صنایع، الزامات خاص خود را دارد، برای مثال، در ظرفیتهای بالا لازم است از تبخیر کنندههای گاز مایع برای تأمین جریان کافی سوخت و جلوگیری از یخ زدگی ادوات استفاده شود.


مزایای اصلی LPG
با وجود مزایای زیر، خطر نشتی و انفجار در صورت رعایت نکردن استانداردهای ایمنی همچنان وجود دارد. در نتیجه، نظارت دقیق بر حملونقل و نگهداری گاز مایع برای جلوگیری از خطرات احتمالی، امری ضروری است.
- قابلیت حمل و ذخیرهسازی آسان در سیلندرها یا مخازن تحت فشار
- انتشار آلاینده کمتر نسبت به سوختهای مایع سنگین و بنزین
- انعطافپذیری در کاربرد: مناسب برای کاربری خانگی و صنعتی
گاز هیدروژن
هیدروژن یک سوخت پاک و پرانرژی است که در هنگام احتراق تنها بخار آب تولید کرده و هیچگونه گاز گلخانهای منتشر نمیکند. این ویژگی آن را به گزینهای مناسب برای کاهش انتشار گازهای گلخانهای تبدیل کرده است.
هیدروژن از نظر روش تولید به سه دسته اصلی تقسیم میشود: هیدروژن خاکستری، آبی و سبز. هیدروژن خاکستری از گاز طبیعی یا زغالسنگ تولید میشود و با انتشار گاز CO₂ همراه است. روش تولید هیدروژن آبی مشابه نوع خاکستری است، اما انتشار کربن آن از طریق فرایند جذب و ذخیرهسازی کربن کاهش مییابد. در مقابل، هیدروژن سبز که از الکترولیز آب با استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر تولید میشود، کاملاً بدون کربن بوده و بیشترین سازگاری با محیط زیست را دارد.


با وجود پتانسیل بالای هیدروژن به عنوان سوخت آینده، توسعه و گسترش آن نیازمند زیرساختهای اختصاصی است. از جمله مهمترین چالشها میتوان به شبکههای توزیع، ایستگاههای سوختگیری، تجهیزات ذخیرهسازی ایمن و فناوریهای مقرون به صرفه تولید اشاره کرد. سرمایهگذاری در این حوزه و پیشرفت فناوری میتواند راه را برای اقتصاد مبتنی بر هیدروژن هموار کرده و نقش کلیدی در انتقال به انرژیهای پاک و کاهش وابستگی به سوختهای فسیلی ایفا کند.
سوختهای فرآیندی
سوختهای فرآیندی عموماً در مجتمعهای پالایشی و پتروشیمی به دست میآیند و مخلوطی از هیدروژن، منوکسید کربن، دیاکسید کربن، متان و دیگر گازهای فرعی هستند. در فرآیندهایی مانند ریفرمینگ گاز طبیعی و تولید متانول، بخشی از گاز تولیدشده (گاز سنتز) مستقیماً در واکنش اصلی مصرف میشود، اما مقادیری از آن باقی میماند. این گاز اضافی حاوی ترکیبات ارزشمندی است که یا در هوای آزاد سوزانده میشود (فلرینگ) یا به عنوان سوخت به مشعلهای کورهها و بویلرها بازگردانده میشود تا از انرژی قابل استحصال آنها استفاده گردد. این رویکرد باعث افزایش راندمان فرآیندها و کاهش آلایندگی میشود.


مزایای اصلی سوختهای فرآیندی گاز
- بازیابی انرژی و بهبود راندمان: جلوگیری از هدررفت انرژی موجود در گاز فرآیندی
- کاهش آلایندگی: با کاهش هدر رفت سوخت، انتشار گازهای گلخانهای و آلایندهها نیز به همان نسبت کاهش مییاید.
- صرفهجویی اقتصادی: تولید بخار یا برق از گازهای مازاد و کاهش هزینههای انرژی.
احتراق سوخت گازی
در مورد انواع سوخت گازی با توجه به این که هوا و سوخت هر دو در حالت مشابه (گازی) هستند احتراق به شکل بهتر و کاملتری انجام میشود. البته در این حالت نیز برای آن که احتراق به صورت کامل و با آلایندگی کم انجام شود باید سوخت و هوا به نحو مناسب و دقیق با یکدیگر مخلوط شوند. در مشعلهای گازسوز، جریان سوخت با استفاده از فشار گاز تأمین شده و نیازی به تجهیزات اضافه برای به جریان انداختن سوخت وجود ندارد.
مشعلهای گازی رادمن با طراحی پیشرفته و فناوری احتراق بهینه، قابلیت سوزاندن انواع سوخت گازی از جمله گاز طبیعی، گاز LPG و گازهای فرآیندی را دارند. این مشعلها در سوختهای گاز طبیعی و LPG در کلاس ناکس 2 و 3 قرار میگیرند و در مدلهای پیشمخلوط و پسمخلوط با استفاده از فناوری نوین احتراق پریمیکس، در سوخت گاز طبیعی به کلاس ناکس 4 و 5 نیز دست مییابند.
سوختهای مایع
سوختهای مایع به گروهی از سوختها گفته میشود که در دما و فشار استاندارد، حالت مایع دارند. از مهمترین سوختهای مایع میتوان به گازوئیل، مازوت و بنزین اشاره کرد. این سوختها معمولاً از پالایش نفت خام به دست میآیند و در صنایع گوناگون (مانند حملونقل، گرمایش و تولید برق) به کار میروند.
سوختهای مایع عموماً مخلوطی از هیدروکربنهای مختلف هستند و مشخصات فیزیکی و شیمیایی آنها در مکانها یا فصول مختلف سال کمی تغییر میکند.در ادامه با انواع سوخت مایع آشنا خواهید شد.


بنزین
بنزین یکی از شناختهشدهترین سوختهای مایع است که اغلب برای حمل و نقل از آن استفاده میشود. این سوخت از پالایش نفت خام به دست میآید و مخلوطی از هیدروکربنهای مختلف با 4 تا 12 اتم کربن در هر مولکول است، ولی گاهی برای سادهسازی، فرمول شیمیایی اکتان (C8H18) برای آن در نظر گرفته میشود. چگالی بنزین حدوداً kg/m3 737 و ارزش حرارتی پایین آن MJ/kg 4/43 است، البته همان طور که گفته شد، این اعداد در زمانها و مکانهای مختلف ممکن است کمی متفاوت باشند.
گازوئیل
یکی دیگر از انواع سوخت مایع، گازوئیل است که در موتورهای دیزل و مشعلهای گازوئیلسوز مورد استفاده در بویلرها، به کار میرود. گازوئیل نیز یکی از فرآوردههای نفت خام بوده و مخلوطی از هیدروکربنهای مختلف با 14 تا 20 اتم کربن است. چگالی گازوئیل عموماً حدود kg/m3 840 و ارزش حرارتی پایین آن MJ/kg 8/42 است، گرچه این اعداد میتوانند در فصلها و نواحی مختلف، کمی متفاوت باشند.
مازوت
نفت کوره (مازوت) یکی دیگر از انواع سوخت مایع است که به عنوان یک فرآورده یا از هیدروکربنهای باقیمانده در برج تقطیر به دست میآید. این سوخت آلایندگی زیادی دارد و استفاده از آن نیازمند الزامات خاصی است. کاربرد اصلی مازوت در بویلرهای نیروگاهها و برخی دیگر از بویلرهای صنعتی است.
سوخت مازوت بر اساس مقدار ویسکوزیته در دمای C° 50 در گریدهای 100، 180، 280 و 380 عرضه میشود. با توجه به بالا بودن ویسکوزیته این سوخت، برای پمپ شدن باید پیشگرم شود تا ویسکوزیته آن کاهش پیدا کند. یک معیار دیگر دسته بندی انواع سوخت مازوت، مقدار گوگرد موجود در آن است که بین 5/0% تا 5/3% تغییر میکند. مازوت چگالی بالاتری نسبت به گازوئیل و بنزین دارد که در گریدهای مختلف در بازه kg/m3 890-990 قرار میگیرد.
احتراق سوخت مایع
برای انجام فرآیند احتراق، سوختهای مایع در اولین گام تبخیر میشوند و سپس در حالت گازی میسوزند. برای این که سرعت تبخیر سوختهای مایع و نرخ واکنش افزایش پیدا کند، این سوختها ابتدا به صورت ذرات ریز مایع پاشش میشوند تا سطح تماس آنها با هوا و همچنین سطح انتقال حرارت افزایش پیدا کند. برای پودر کردن سوختهای مایع از سه روش استفاده میشود: پودرسازی فشاری، پودر سازی با هوا یا بخار، و پودرسازی به روش روتاری کاپ.
برای کسب اطلاعات بیشتر درباره احتراق گاز مایع، میتوانید مقاله “احتراق سوخت گاز مایع در مشعلهای صنعتی با هوای اجباری” را مطالعه کنید.
مشعلهای رادمن در حوزه سوختهای مایع با بهرهگیری از فناوریهای پیشرفته، عملکردی بهینه و کمآلاینده ارائه میدهند. این مشعلها با استفاده از روش پودرسازی فشاری و پودرسازی به کمک هوا یا بخار، امکان احتراق کامل و یکنواخت را فراهم کرده و میزان انتشار آلایندهها را به حداقل میرسانند.


سوختهای جامد
سوختهای جامد بهطور کلی از ترکیبات آلی (قابل احتراق) و مواد معدنی (غیرقابل احتراق) تشکیل شدهاند و در شکلهای طبیعی یا فشردهشده وجود دارند. این دسته سوختها شامل چوب، زغالسنگ، ضایعات کشاورزی خشک و سوختهای زیستی فشرده میشود.در ادامه با انواع سوخت جامد آشنا خواهید شد.
زغالسنگ (Coal)
زیکی از انواع سوخت جامد ، زغالسنگ است که سنگی آلی با قابلیت احتراق است. زغالسنگ بیشتر از کربن، هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده و به چند دسته از جمله آنتراسیت، قیری، زیر قیری و لیگنایت تقسیم میشود. انواع مختلف زغال سنگ ارزشهای حرارتی مختلفی دارند که در بازه MJ/kg 15-35 متغیر است. فراوانی، هزینه نسبتاً پایین و ارزش حرارتی بالا باعث شده است زغالسنگ همچنان یکی از منابع اصلی تولید توان، گرمایش صنعتی و سوخت کورههای بلند صنعت فولاد باشد. با این حال، مشکلات زیستمحیطی مانند تولید CO2، SO2، NOx و خاکستر، از چالشهای عمده در استفاده گسترده از زغالسنگ به شمار میرود.
در یک مشعل صنعتی با سوخت زغال سنگ، معمولاً زغال ابتدا به صورت پودر در آمده و سپس با جریان هوای پرسرعت مخلوط میگردد. این کار، سرعت و کیفیت احتراق سوخت را افزایش میدهد که برای کاربردهای صنعتی ضروری است.


چوب (Wood) و پلتهای زیستی (Pellets)
چوب یکی از قدیمیترین انواع سوخت مورد استفادهی بشر است. میزان رطوبت چوب، عامل تعیینکنندهای در ارزش حرارتی و کیفیت احتراق آن به شمار میرود. چوب خشک با رطوبت 25-20%، حرارت بیشتری آزاد میکند و ارزش حرارتی آن حدوداً MJ/kg 4/15. چوب در نیروگاههای با سوخت زیستتوده و گرمایش روستایی بهکار میرود، اما مشکل آن پایینتر بودن چگالی انرژی نسبت به سوختهای فسیلی و تأثیر زیاد رطوبت بر راندمان احتراق است.
پلتهای چوبی و زیستی نیز یکی دیگر از انواع سوخت جامد است که از فشردهسازی چوب، علوفه و بقایای کشاورزی به دست میآیند و عموماً رطوبتی زیر %10 دارند. پلتها در بویلرهای کوچک و متوسط برای گرمایش خانگی یا تولید انرژی صنعتی بهکار گرفته میشوند.
کک (Coke)
یکی از انواع سوخت جامد، کک است که از گرم کردن زغال سنگ یا نفت خام بدون حضور هوا تولید میشود. این ماده حاوی درصد بالایی از کربن خالص است و کاربرد عمدهی آن در صنعت فولادسازی است. اگرچه ارزش حرارتی و خلوص کربنی بالای کک مزایایی برای صنایع مختلف دارد، اما تولید آن پرهزینه و نیازمند تجهیزات اختصاصی است.
عوامل موثر در انتخاب سوخت
در صنایع مختلف، انتخاب سوخت مناسب نقش حیاتی در راندمان فرآیند، هزینههای عملیاتی و میزان انتشار آلایندهها ایفا میکند.انواع سوخت از نظر دسترسی، قیمت، خواص فیزیکی و شیمیایی، میزان آلایندگی و زیرساختهای موجود بررسی میشوند. همچنین، رعایت استانداردهای ایمنی و ملاحظات زیستمحیطی در انتخاب نوع سوخت مشعل اهمیت ویژهای دارد.


دسترسی و هزینه
مهمترین معیار در انتخاب سوخت، سهولت دسترسی و هزینهی تهیه و حملونقل است. سوختی که در منطقهای به فراوانی یافت شود، معمولاً ارزانتر بوده و نیازمند زیرساخت پیچیدهای برای تأمین و نگهداری نخواهد بود.
ارزش حرارتی
انواع سوخت از نظر میزان انرژی تولیدی تفاوت دارند. هرچه ارزش حرارتی سوخت مشعل بالاتر باشد، برای تولید مقدار مشخصی از انرژی، حجم یا جرم کمتری از سوخت مصرف میشود.
خواص فیزیکی و شیمیایی
ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی انواع سوخت مانند چگالی، ویسکوزیته، سرعت شعله و ترکیبات شیمیایی باید با فرآیند احتراق، تجهیزات و جنس ادوات سازگار باشد تا عملکرد بهینه و ایمن تضمین شود.
آلایندگی و ملاحظات زیستمحیطی
انتخاب سوخت (سوخت مشعل) باید با در نظر گرفتن میزان آلایندههایی مانند کربن مونوکسید (CO)، دیاکسیدگوگرد (SO₂)، اکسیدهای نیتروژن (NOₓ) و ذرات معلق (PM) انجام شود. قوانین زیستمحیطی ممکن است مصرف برخی از انواع سوخت را محدود کرده یا نیاز به استفاده از تجهیزات تصفیه آلایندهها را الزامی کند.
در مقالهای با عنوان “مکانیزم تشکیل NOx در احتراق“، توضیحات کاملی درباره چیستی NOx، تأثیرات آن بر محیطزیست و روشهای کاهش آن ارائه شده است. مطالعه این مقاله را توصیه میکنیم.
نوع کاربرد و تجهیزات احتراقی
انتخاب انواع سوخت به نوع تجهیزات احتراقی مانند کوره، بویلر، توربین یا موتور بستگی دارد. تجهیزات احتراقی عموماً برای کار با سوختهای خاصی طراحی میشوند و تغییر سوخت ممکن است نیازمند اصلاحات اساسی یا تعویض قطعات باشد.
شرایط ایمنی و نگهداری
امکان ذخیرهسازی ایمن، خطر اشتعال یا انفجار، و نیاز به کنترل نشتی یا پیشگرمایش از عوامل مهم در انتخاب سوخت (سوخت مشعل) هستند. سوختهای مایع سنگین و جامدات غالباً به انبارش و نگهداری خاص نیاز دارند؛ در حالیکه برخی سوختهای گازی نیازمند زیرساخت لولهکشی و مخازن تحت فشار هستند.
پایداری تأمین و مسائل سیاسی
در بسیاری از موارد، پایداری در تأمین انرژی و وابستگی کمتر به واردات یا تغییرات بازار جهانی سوخت، بر انتخاب انواع سوخت اثرگذار است. بسیاری از کشورها بهمنظور امنیت انرژی، سوختهایی را ترجیح میدهند که در داخل کشور در دسترس باشند.
زیرساختهای موجود
وجود شبکههای لولهکشی، خطوط انتقال، پایانههای ذخیرهسازی و واحدهای پالایشی یا تأمین خاص، میتواند بر هزینه و دسترسی به انواع سوخت اثر بگذارد.


راهنمای جامع انواع سوخت مشعل
با وجود رشد استفاده از روشهای تجدیدپذیر برای تولید انرژی، انواع سوخت همچنان اصلیترین منبع تأمین انرژی در صنایع، گرمایش ساختمانها و حملونقل محسوب میشوند.یکی از مهمترین معیارهای دستهبندی انواع سوخت، حالت فیزیکی آنها است که شامل سوختهای گازی، مایع و جامد میشود. هر یک از این سوختها دارای مزایا و محدودیتهای خاص خود هستند.
سوختهای گازی به دلیل پاکتر بودن و کنترل آسان احتراق، پرکاربردند. سوختهای مایع، با وجود ارزش حرارتی بالا، آلایندگی بیشتری نسبت به سوختهای گازی تولید میکنند و نیازمند تجهیزاتی مانند اتمایزر و گاه پیشگرمایش هستند. سوختهای جامد هنوز در برخی صنایع و مناطق جهان رایج هستند اما اغلب آنها، خصوصاً زغال سنگ، آلایندگی بیشتری نسبت به دو دسته دیگر ایجاد میکنند.
برای کسب اطلاعات بیشتر درباره مشعلهای گازسوز، میتوانید مقاله “ مشعل گازسوز چیست؟ ” را مطالعه کنید.
در انتخاب سوخت، عواملی نظیر دسترسی، ارزش حرارتی، زیرساخت، ملاحظات زیستمحیطی و هزینه نقش کلیدی دارند. ترکیب فناوریهای جدید با سوختهای مناسب میتواند تأمین کننده همزمان نیازهای صنعتی و زیستمحیطی بوده و راه حل کارآمدی برای چالشهای موجود در دنیای امروز باشد.
مشعلهای رادمن از جمله محصولاتی هستند که علاوه بر استفاده از فناوریهای بهروز در کنترل و بهینهسازی احتراق، قابلیت کار با انواع سوخت گازی و همچنین انواع سوخت مایع چون گازوئیل و مازوت را دارند و حوزه وسیعی از کاربردهای صنعتی را پوشش میدهند.