احتراق سوخت گاز مایع در مشعل‌های صنعتی با هوای اجباری

احتراق سوخت‌های فسیلی از جمله گاز مایع (LPG) در مشعل‌های صنعتی به عنوان یکی از مهم‌ترین فرآیندهای تولید انرژی در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. گاز مایع، مخلوطی از پروپان و بوتان است که به دلیل ویژگی‌های قابل حمل و ذخیره‌سازی آسان، در بسیاری از مشعل‌های صنعتی به عنوان سوخت اصلی یا جایگزین به کار می‌رود. احتراق این نوع سوخت، به ویژه در شرایطی که هوای اجباری برای احتراق تأمین می‌شود، بازده بالایی داشته و عموماً آلودگی کمتری نسبت به سوخت‌های مایع تولید می‌کند.

در این مقاله، به بررسی فرآیند احتراق گاز مایع در مشعل‌های صنعتی با هوای اجباری و عوامل مؤثر بر کیفیت و کارایی این احتراق پرداخته می‌شود.

گاز مایع (LPG) چیست؟

گاز مایع (Liquefied Petroleum Gas) به مخلوطی از دو گاز هیدروکربنی، یعنی بوتان و پروپان، گفته می‌شود که تحت فشار به حالت مایع در می‌آید. در برخی موارد، مقدار کمی از گازهای دیگر مثل پروپیلن و بوتیلن هم در این مخلوط وجود دارد. نسبت ترکیب این گازها با توجه به دمای محیط تغییر می‌کند؛ مثلاً در تابستان بوتان بیشتری وجود دارد و در زمستان به دلیل جوشیدن و تبخیر آسان‌تر پروپان در دماهای پایین‌تر، درصد پروپان افزایش می‌یابد.
LPG به طور عمده برای کاربردهای گرمایشی و سوخت وسایل نقلیه استفاده می‌شود و در صنایع مختلف مثل تولید افشانه‌ها و به عنوان گاز خنک‌کننده در یخچال و فریزر نیز کاربرد دارد.

مشخصات فیزیکی و شیمیایی LPG

ال‌پی‌جی به عنوان محصول جانبی فرآیند پالایش گاز طبیعی و نفت خام تولید می‌شود. گاز مایع مخلوطی از پروپان و متان است و شاخص ووب(Wobbe Index) آن در محدوده MJ/m3 72-87 قرار می‌گیرد. این گاز ارزش حرارتی بالایی دارد (حدوداً MJ/kg 46) که از بنزین و نفت کوره بیشتر است و با وزن مساوی انرژی بیشتری تولید می‌کند. اما چون LPG تراکم کمتری دارد، در حجم برابر انرژی کمتری نسبت به بنزین تولید می‌کند.

دمای 15 درجه سانتی‌گراد هر لیتر گاز مایع وزنی بین 500 تا 560 گرم دارد.این گاز در زمان تولید بدون رنگ، بو و طعم است، اما برای افزایش ایمنی به آن ترکیبات گوگرددار اضافه می‌شود تا دارای بو شود. فشار داخلی مخازن LPG در حالت پر به 8 بار می‌رسد.

مقایسه LPG با سایر سوخت‌های رایج

در جدول زیر مشخصات سوخت LPG با بنزین و گازوئیل، مقایسه شده است.

احتراق گاز مایع نسبت به سوخت‌های مایع و جامد دی‌اکسید کربن کمتر و در مقایسه با گاز طبیعی دی‌اکسید کربن بیشتری تولید می‌کند. در شکل زیر، میزان انتشار CO2 به ازای هر کیلووات ساعت انرژی تولید شده از احتراق سوخت‌های مختلف مقایسه شده است. به طور کلی، میزان تولید CO2 به ازای هر 1 کیلووات ساعت انرژی تولید شده از احتراق گاز مایع، 90 درصد گازوئیل و 70 درصد زغال سنگ است. اما در مقایسه با گاز طبیعی، LPG دی‌اکسید کربن بیشتری تولید می‌کند.

نکات استفاده از گاز مایع

استفاده از گاز مایع (LPG) در مشعل‌های صنعتی به دلیل ویژگی‌های خاص این سوخت نیازمند رعایت نکات ایمنی و فنی ویژه‌ای است. LPG معمولاً در مخازن کروی یا کپسولی ذخیره‌سازی و جابجا می‌شود. دلیل استفاده از این نوع مخازن، فشار بالای ذخیره‌سازی این سوخت است که در صورت نشت یا عدم کنترل، می‌تواند خطراتی به همراه داشته باشد. گاز مایع در این مخازن تحت فشار بالا به حالت مایع نگهداری می‌شود، ولی در مشعل به حالت گازی مصرف شده و سوزانده می‌شود. برای تبخیر گاز مایع و تبدیل آن از حالت مایع به گازی انرژی لازم است.

از طرف دیگر، نرخ تبخیر باید متناسب با نرخ مصرف سوخت در مشعل باشد. تبخیر گاز مایع در مخزن تا حدی به صورت طبیعی انجام می‌شود. نرخ تبخیر طبیعی وابسته به دمای محیط و سطح تر(Wetted Area) مخزن گاز مایع است. در سیستم‌های با ظرفیت پایین، معمولاً نرخ تبخیر طبیعی کافی است، ولی در سیستم‌های صنعتی با ظرفیت بالا، نمی‌توان به تبخیر طبیعی اکتفا کرد. در این سیستم‌ها، برای تأمین جریان و فشار کافی و با ثبات گاز مایع از تجهیزاتی به نام تبخیرکننده استفاده می‌شود. استفاده از تبخیرکننده از مشکلاتی مانند یخ زدگی و تشکیل برفک روی تجهیزات نیز جلوگیری می‌کند.

دستگاه تبخیرکننده (vaporizers)

در دستگاه تبخیرکننده، LPG وارد شده و با دریافت حرارت تبخیر می‌شود تا برای استفاده در مشعل آماده شود. تبخیرکننده‌ها با حفظ یک دبی ثابت و پیوسته از گاز، اطمینان حاصل می‌کنند که گاز مایع به شکل پایدار و مناسب به مشعل منتقل می‌شود و از یخ‌زدگی تجهیزات جلوگیری می‌کنند. استفاده از این دستگاه‌ها موجب پایداری در فرآیند احتراق و عملکرد بهینه مشعل‌های صنعتی می‌شود. تبخیرکننده‌های گاز مایع (LPG) به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

تبخیرکننده‌های الکتریکی: در این نوع تبخیرکننده‌ها، جریان برق از میان یک المنت الکتریکی که در مخزن تبخیرکننده قرار دارد، عبور می‌کند و باعث گرم شدن آن می‌شود. این گرما موجب تبخیر گاز مایع می‌شود.

تبخیرکننده‌های شعله مستقیم: در این تبخیرکننده‌ها، مقدار کمی LPG سوزانده شده و از گرمای حاصل برای تبخیر حجم مورد نیاز گاز مایع استفاده می‌گردد. علت نام‌گذاری این تبخیرکننده‌ها آن است که شعله مستقیماً گاز مایع را گرم کرده و آن را به بخار تبدیل می‌کند. این نوع تبخیرکننده‌ها کاربرد بیشتری در صنعت احتراق گاز مایع دارند.

تبخیرکننده‌های با منبع حرارتی بخار یا آب گرم: در این روش، از یک مبدل حرارتی برای انتقال حرارت از بخار یا آب گرم به گاز مایع استفاده می‌شود. گاز مایع از یک سمت مبدل وارد شده و در سمت دیگر، بخار آب یا آب گرم جریان دارد. انرژی گرمایی بخار یا آب گرم باعث تبخیر گاز مایع می‌شود.

این سه دسته هر کدام با توجه به نیاز و ظرفیت مصرفی گاز مایع، کاربردهای خاصی دارند.

رگولاتور

جهت اجرای مخزن و تبخیرکننده (vaporizers) گاز مایع (LPG)، لازم است از دو رگولاتور استفاده شود. برای کسب اطلاعات بیشتر درباره رگولاتورهای خط گاز، می‌توانید مقاله “معرفی انواع رگولاتور گاز و بهترین برندهای آن” را مطالعه کنید.

رگولاتور اولیه: این رگولاتور که رگولاتور فشار بالا نیز نامیده می‌شود، وظیفه کاهش فشار گاز را از فشار مخزن (8 بار) به 1 بار دارد. این رگولاتور باید بعد از تبخیرکننده و در نزدیکی آن نصب شود تا فشار گاز پس از تبخیر به مقدار مناسب کاهش یابد.

رگولاتور ثانویه: این رگولاتور که با نام رگولاتور فشار پایین نیز شناخته می‌شود، فشار گاز را از 1 بار به فشار کاری مشعل کاهش می‌دهد. این رگولاتور باید در نزدیکی مشعل نصب شود تا گاز با فشار مناسب به مشعل منتقل شود.

پمپ گاز مایع

در صورتی که فاصله بین مجموعه مخزن و تبخیرکننده از مشعل زیاد باشد، استفاده از یک الکتروپمپ ضدجرقه ضروری است. این پمپ برای غلبه بر افت فشار و تضمین جریان مداوم گاز به مشعل نصب می‌شود.
نصب و اجرای مخزن، تبخیرکننده و سایر اجزاء سیستم LPG بر اساس استاندارد ملی 841 انجام می‌شود، که به ایمنی و کارایی سیستم‌های گاز مایع کمک می‌کند.

شکل 6 شماتیک لوله‌کشی بین تبخیرکننده و مخزن ذخیره را نشان می‌دهد که باید به دقت طراحی و اجرا شود تا از نشت و افت فشار بیش از حد جلوگیری کند و جریان گاز را به طور مؤثر مدیریت نماید.

استانداردهای آلایندگی حاکم بر احتراق سوخت مایع

احتراق سوخت مایع، به ویژه در صنایع و نیروگاه‌ها، می‌تواند منجر به تولید آلاینده‌های مختلفی شود که تأثیرات منفی بر سلامت انسان و محیط‌زیست دارند. به همین دلیل، استانداردهای آلایندگی به‌منظور کنترل و کاهش این آلاینده‌ها تدوین شده‌اند. مهم‌ترین استاندارد ملی در زمینه مشعل‌های با سوخت LPG استاندارد ملی 7595 با عنوان «مشعل های گازسوز دمنده‌دار، ویژگی ها و روش های آزمون» است. این استاندارد برای مشعل‌های صنعتی که با سوخت‌های گازی (مانند گاز طبیعی و گاز مایع) کار می‌کنند، الزامات طراحی، آزمایش و محدودیت‌های آلایندگی را مشخص می‌کند.

برای آشنایی بیشتر با استانداردهای ملی و بین‌المللی مرتبط با مشعل‌ها، می‌توانید مقاله “استانداردهای ملی و بین‌المللی مشعل‌های صنعتی” را مطالعه کنید.

میزان انتشار اکسیدهای نیتروژن ( Nox)

دمای شعله آدیاباتیک متان با 20% هوای اضافی حدوداً 1800 درجه سانتی‌گراد و دمای شعله آدیاباتیک LPG در همان شرایط حدوداً 1850 درجه سانتی‌گراد است. با توجه به دمای بالاتر شعله، سوخت گاز مایع در مقایسه با گاز طبیعی، مقدار بیشتری اکسید نیتروژن (NOx) تولید می‌کند. این آلاینده می‌تواند باعث آلودگی هوا، باران‌های اسیدی و مشکلات تنفسی شود. بر اساس اساندارد ملی 7595 و همچنین استاندارد اروپایی EN-676، مشعل‌های سوخت گاز مایع، از نظر میزان انتشار NOx مطابق جدول زیر دسته‌بندی می‌شوند.

میزان انتشار مونوکسید کربن (CO)

بر اساس استاندارد ملی 7595 و همچنین استاندارد EN-676، میزان انتشار CO نباید بیشتر از 100 میلی‌گرم بر کیلوات ساعت باشد.

چالش‌ها و راهکارهای احتراق سوخت گاز مایع

احتراق سوخت گاز مایع (LPG) در مشعل‌های صنعتی با هوای اجباری، فرآیند کلیدی در تولید انرژی و گرمایش است. این سوخت که مخلوطی از پروپان و بوتان است، دارای ارزش حرارتی بالایی بوده و تولید آلاینده کمتری نسبت به سوخت‌های مایع مانند گازوئیل و مازوت دارد.
بهینه‌سازی شرایط احتراق و استفاده از تجهیزاتی مانند تبخیرکننده‌ها، برای اطمینان از عملکرد ایمن و مؤثر سیستم‌های مبتنی بر سوخت گاز مایع ضروری است. همچنین، رعایت استانداردهایی مانند استاندارد ملی 7595 و استاندارد اروپایی EN-676، به کنترل میزان انتشار آلاینده‌های خطرناک و حفاظت از سلامت عمومی کمک می‌کنند.

در گروه رادمن، مشعل‌های مختلفی با سوخت گاز مایع (پروپان و بوتان) در ظرفیت‌های مختلف و با کلاس ناکس 2 و 3، تولید و در اختیار مشتریان محترم قرار می‌گیرد. بویلرهای چگالشی با سوخت LPG نیز از محصولات شرکت پاکمن هستند که تا ظرفیت 10 میلیون کیلوکالری بر ساعت، تولید شده و قابل عرضه به مشتریان محترم هستند.

گاز مایع، سوختی کارآمد برای صنعت

گاز مایع (LPG) به دلیل ویژگی‌هایی مانند ارزش حرارتی بالا، آلودگی کمتر، و قابلیت ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل آسان، یکی از بهترین گزینه‌ها برای استفاده در مشعل‌های صنعتی است. این سوخت نه‌تنها انرژی زیادی تولید می‌کند، بلکه در مقایسه با سوخت‌های مایع مانند گازوئیل و مازوت، آسیب کمتری به محیط‌زیست وارد می‌کند.
برای استفاده بهینه و ایمن از گاز مایع در مشعل‌های صنعتی، رعایت استانداردهای ایمنی، استفاده از تجهیزات مناسب مانند تبخیرکننده‌ها و رگولاتورها، و طراحی دقیق سیستم‌های مرتبط ضروری است. این اقدامات باعث بهبود عملکرد، کاهش خطرات، و کنترل انتشار آلاینده‌ها می‌شود.

گروه رادمن با تولید مشعل‌های پیشرفته و مطابق با استانداردهای بین‌المللی، راهکارهای مناسبی برای بهره‌برداری از گاز مایع ارائه می‌دهد. این محصولات نه‌تنها بازده بالایی دارند، بلکه به کاهش آلودگی هوا و حفظ محیط‌زیست نیز کمک می‌کنند. استفاده از گاز مایع به‌عنوان یک سوخت پاک و موثر، انتخابی هوشمندانه برای صنایع است که به بهبود بهره‌وری و پایداری کمک می‌کند.