مشعل‌های صنعتی نقش حیاتی در فرآیندهای مختلف صنعتی ایفا می‌کنند و انتخاب صحیح آن‌ها می‌تواند تأثیر زیادی بر کارایی و کاهش آلاینده‌های زیست‌محیطی داشته باشد. درک ویژگی‌ها و عملکرد مشعل‌ها برای کاربران بسیار مهم است. یکی از موارد مهم در انتخاب مشعل‌های صنعتی، نوع فرآیند صنعتی، میزان مجاز انتشار آلاینده‌های زیست‌محیطی و ویژگی‌های شعله است که باید به آن‌ها توجه شود. در اکثر صنایع از مشعل‌های نازل میکس استفاده می‌شود. بنابراین، آشنایی با مشعل‌های نازل میکس و اجزا و ساختار آن‌ها که در صنایع مختلف استفاده می‌شوند، به کاربر در انتخاب بهتر مشعل کمک می‌کند. در این مقاله به صورت خلاصه به تعریف مشعل نازل میکس، اجزا، آلایندگی‌ها و نوع شعله این مشعل‌ها پرداخته شده است.
مشعل نازل میکس چیست؟
مشعل‌ها بر اساس نحوه مخلوط شدن سوخت و هوا به دو نوع تقسیم می‌شوند: مشعل‌های نازل میکس و مشعل‌های پیش‌مخلوط.
- مشعل نازل میکس: در این نوع مشعل، سوخت و هوا تا قبل از خروج از نازل، جدا از هم حرکت می‌کنند. هوا و سوخت تازه وقتی که به دهانه‌ی نازل یا بعد از آن می‌رسند، با هم ترکیب می‌شوند و احتراق صورت می‌گیرد.
- مشعل پیش‌مخلوط: در این نوع مشعل، هوا و سوخت قبل از اینکه به نازل برسند، با هم مخلوط می‌شوند و سپس به سمت شعله حرکت می‌کنند.
به بیان ساده‌تر، تفاوت اصلی این دو نوع مشعل در این است که در مشعل نازل میکس، هوا و سوخت در لحظه‌ی احتراق با هم ترکیب می‌شوند، اما در مشعل پیش‌مخلوط، این ترکیب قبل از خروج از نازل اتفاق می‌افتد.
در مشعل‌های نازل میکس، سوخت از طریق نازل‌های سوخت و هوا نیز به صورت جداگانه توسط دمنده وارد مشعل می‌شود. اختلاط سوخت و هوا از طریق ایجاد اغتشاش و چرخش در جریان انجام می‌گیرد. این اغتشاش با استفاده از تجهیزاتی مانند دیفیوزر و پره‌های چرخان در مسیر جریان ایجاد می‌شود.
برای کاهش آلایندگی و افزایش راندمان، سوخت و هوا باید به‌صورت یکنواخت و با نسبت مناسب در شعله ترکیب شوند. نازل‌ها طوری طراحی می‌شوند که سرعت و زاویه گاز با جریان هوا هماهنگ باشد تا احتراق بهینه و آلایندگی کم‌تری ایجاد شود. عدم هماهنگی سرعت یا زاویه باعث ترکیب نامناسب، سوختن ناقص و تولید گازهای سمی مانند CO می‌شود.
آلایندگی مشعل نازل میکس
آلاینده‌های زیست محیطی در مشعل‌های نازل میکس با توجه به نوع سوخت شامل کربن مونوکسید، اکسیدهای نیتروژن (ناکس) و اکسیدهای گوگرد (ساکس) می‌شوند. برای کاهش میزان انتشار آلاینده کربن مونوکسید باید اختلاط سوخت و هوا در مشعل بصورت کامل صورت پذیرد. از فناوری‌هایی همچون مشعل‌های لوناکس، بازگردانی محصولات احتراق و مرحله‌بندی سوخت یا هوا برای کاهش انتشار آلاینده ناکس (NOx) استفاده می‌گردد. در فرآیند سوخت‌های مایع به دلیل وجود گوگرد در ترکیب آن‌ها انتشار اکسیدهای گوگرد اجتناب ناپذیر است. برای کاهش انتشار اکسیدهای گوگرد لازم است گوگرد موجود در سوخت تصفیه گردد.
میزان انتشار آلاینده در مشعل‌های نازل میکس وابستگی زیادی به طراحی مشعل دارد. مشعل‌های رادمن با آلایندگی مطابق استانداردهای BS EN 676 و BS EN 267 طراحی و تولید شده و می‌توانند استاندارد آلایندگی تا کلاس ناکس 3 را فراهم کنند. همچنین با اضافه کردن سیستم FGR می‌توان میزان انتشار ناکس در مشعل‌های نازل میکس را کاهش داد که این امکان نیز در مشعل‌های رادمن در نظر گرفته شده است.
کاربرد مشعل نازل میکس
مشعل‌ها یک جز کلیدی در احتراق صنعتی هستند. برای طراحی مؤثر مشعل، درک کامل از فرآیندی که قرار است مشعل در آن استفاده شود، بسیار مهم است. در صنایع مختلف با توجه به نوع فرآیند، دمای مورد نیاز در کوره، هندسه کوره و پارامترهای دیگر مشعل‌های نازل میکس با ساختارهای متفاوت استفاده می‌گردد. در این بخش به طور مختصر به معرفی متداول‌ترین کاربردهای مشعل در صنایع مختلف پرداخته شده است.
1- بویلرهای تولید آب گرم یا بخار: بویلرها برای اهداف و مجموعه کاربردهای متنوعی استفاده می‌شوند. به عنوان مثال برای تولید آب داغ یا آبگرم برای مصارف گرمایشی، تولید بخار به منظور استفاده در صنایع محرک یا برای استرلیزه کردن مواد در صنعت، تولید هوای گرم و … از بویلر استفاده می‌شود. کاربرد مشعل در بویلرها محدوده گسترده‌ای از بویلرهای تک مشعل در بیمارستان‌ها، مدرسه‌ها، کسب و کارهای کوچک تا بویلرهای چند مشعل در نیروگاه را پوشش می‌دهد.
2- تولید فلزات: فرآیند تولید فلزات مغناطیسی مانند آهن یا غیرمغناطیسی مانند آلومینیوم از ابتدای فرآیند ذوب تا شکل دهی از مشعل‌ها به عنوان منبع گرما استفاده می‌شود. در این صنایع از مشعل‌های با سرعت بالا، مشعل‌های بازیاب و مشعل‌های لوله تشعشعی استفاده می‌گردد.
3- تولید مواد معدنی: از فرآیندهای تولید مواد معدنی متداول می‌توان به تولید شیشه، سیمان، آجر، مواد نسوز و سرامیک اشاره کرد. این فرآیندها به طور معمول به حرارت با دمای بالا برای ذوب نیاز دارند. در این صنایع از مشعل‌های با سرعت بالا، مشعل‌های بدون شعله، مشعل‌های اکسیژن‌سوز و مشعل‌های روتاری کیلن استفاده می‌شود.
4- صنایع شیمیایی: ترکیبات سوختی که در این صنعت برای احتراق در کوره‌ها و بویلرها استفاده می‌شود، نسبت به سایر صنایع بسیار متنوع است. غالبا از سوخت‌های گازی استفاده می‌شود که شامل مقادیر معینی هیدروژن، متان و پروپان هستند. همچنین، نیتروژن و کربن دی‌اکسید نیز در این سوخت‌ها وجود دارد. یک بویلر یا کوره ممکن است نیاز به احتراق با چند سوخت داشته باشد، لذا اهمیت وجود مشعل‌های چندگانه‌سوز مشخص می‌شود. یکی دیگر از ویژگی‌های منحصر به فرد در این صنعت، استفاده از مشعل‌های با جابه‌جایی طبیعی است. این مشعل‌ها نیازی به دمنده برای تأمین هوای احتراق ندارند. همچنین، نسبت به تغییرات محیطی مانند دما، رطوبت و سرعت جریان باد حساس‌تر هستند.
5- صنایع زباله سوز: اگرچه زباله‌ها ارزش حرارتی بالایی ندارند و نمی‌توانند به تنهایی به عنوان سوخت استفاده شوند اما ممکن است از خود این محصولات نیز به عنوان سوخت برای تولید حرارت استفاده شود.
اجزا مشعل نازل میکس
اجزای اصلی مشعل‌های نازل میکس شامل سیستم تامین هوای مشعل، سیستم سوخت‌رسانی، سری احتراقی و سیستم برق که خود، شامل مدار قدرت و مدار فرمان است، می‌شود. در ادامه برای نمونه اجزا یک مشعل با کاربری در بویلر آورده شده است. بطور کلی در همه مشعل‌ها از این اجزا استفاده می‌شود گرچه طراحی و هندسه آن‌ها بسته به نوع کاربری و شرایط کاری تغییر می‌کند.
1. سیستم تامین هوای مشعل
شامل دمپر هوای ورودی، سایلنسر، فن و الکتروموتور می‌شود که وظیفه تامین هوای احتراق و کنترل جریان هوا را به‌عهده دارد.
2. سری احتراقی مشعل
شامل لوله‌های انتقال دهنده سوخت در داخل مشعل، نازل‌های سوخت گازی یا مایع، دیفیوزر یا سویرلر، پایدار کننده شعله و جرقه‌زن است. سری احتراق مشعل وظیفه اختلاط متناسب سوخت و هوا جهت ایجاد شعله‌ای پایدار با کمترین آلایندگی زیست محیطی (ناکس و کربن مونوکسید) را به عهده دارد.
3. شعله پوش خارجی
شعله‌پوش خارجی مشعل نقش به سزایی در شکل و سرعت شعله ایفا می‌کند. تنظیم سرعت شعله، باعث جلوگیری از برگشت شعله به داخل مشعل می‌شود. شعله‌پوش بسته به کاربرد مشعل می‌تواند شکل‌های مختلفی داشته باشد. در شکل زیر نمونه‌ای از این شعله‌پوش‌ها آورده شده است.
4. سیستم سوخت رسانی
سیستم سوخت‌رسانی شامل تمام اجزای لازم برای تأمین و انتقال سوخت مایع یا گازی به مشعل‌هاست. طراحی این سیستم‌ها بر اساس استانداردهای مشخصی انجام می‌شود تا عملکرد بهینه و ایمنی بالایی داشته باشند.در سوخت گازی این سیستم شامل فیلتر، رگولاتور، شیرهای ایمنی و اصلی، نشانگرهای فشار، ریلیف ولو و سایر اداوت می‌شود.در سوخت مایع این سیستم شامل پمپ و الکتروموتور، رگولاتور، لنس و شیرهای ایمنی و سیستم لوله کشی سوخت می‌شود.
5. سیستم ایمنی
سیستم ایمنی مشعل شامل آشکارساز شعله و کلیدهای فشار کمینه و بیشینه هوااست. آشکارساز شعله با تشخیص وجود یا عدم وجود شعله، ایمنی بویلر را تضمین می‌کند و در صورت عدم تشخیص شعله، مشعل را خاموش کرده و از انفجار جلوگیری می‌کند. انواع آشکارسازها شامل ، ماوراء بنفش، مادون قرمز و فرکانسی هستند.
کلید فشار کمینه، کاهش فشار هوا را تشخیص داده و فرمان خاموشی مشعل را می‌دهد. همچنین، کلید فشار بیشینه در صورت افزایش فشار محفظه احتراق (مثلاً به‌دلیل انسداد دودکش) از بازگشت شعله و گاز به داخل مشعل جلوگیری می‌کند.
6.سیستم کنترل مشعل
سیستم کنترل مشعل بسته به نوع عملکرد مشعل شامل اکچواتورهای نصب شده در مسیر دمپر هوا و خط سوخت گاز یا سوخت مایع، پردازنده مرکزی، کنترل بار و رابط کاربری است.
7.سیستم برق مشعل
این سیستم شامل مدار فرمان، مدار قدرت، سیم کشی و ادوات حفاظتی برق مشعل است. مدار قدرت وظیفه راه‌اندازی الکتروموتورهای مشعل (الکتروموتور فن و پمپ سوخت مایع) را به عهده دارد.
شعله مشعل‌های نازل میکس
در مشعل‌های نازل میکس، سوخت و اکسیدکننده به صورت جداگانه وارد مشعل می‌شوند و در سری احتراقی با هم مخلوط می‌شوند. سپس این مخلوط به محفظه احتراق منتقل می‌شود. وقتی مخلوط سوخت و هوا به محفظه وارد می‌شود، احتراق همزمان با نفوذ مولکول‌های سوخت در اکسیدکننده آغاز می‌شود. شدت احتراق در این نوع مشعل‌ها بستگی به میزان اختلاط سوخت و اکسیدکننده دارد. واکنش احتراق در شعله‌های نفوذی از حد بالای اشتعال‌پذیری سوخت آغاز می‌شود و تا حد پایین ادامه می‌یابد.
این نوع شعله به دلیل کاربردهای صنعتی آن از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است و بسیاری از کوره‌های صنعتی و سامانه‌های حرارتی از این نوع شعله بهره می‌گیرند. لذا کنترل پارامترهای شعله نفوذی نظیر میزان تولید NOx، ابعاد شعله، پایداری آن و … مورد توجه است. در همین راستا از روش‌های مختلفی جهت کنترل شعله، نظیر سرعت جریان، رقیق‌سازی، پیش گرمایش، هندسه مشعل، فشار و گرانش می‌توان بهره برد.
سامانه‌های حرارتی با توجه به نوع فرآیند، هندسه محفظه احتراق، دمای فرآیند، میزان اکسیژن موجود در محفظه احتراق، الزامات زیست محیطی و سایر شرایط لازم است مشعل‌های اختصاصی خود را داشته باشند. برای مثال در صورت نیاز کوره به الگوی دمایی یکنواخت لازم است محصولات احتراق با سرعت بالا وارد کوره شوند، لذا استفاده از مشعل‌های با سرعت بالا در این کوره‌های پیشنهاد می‌گردد.
در بویلرهای فایر تیوب لازم است از مشعل با شعله کشیده و با قطر کم استفاده گردد که در این مشعل‌ها عموما از دیفیوزر در سری احتراقی مشعل استفاده می‌گردد. این در حالی است که در بویلرهای واترتیوب به دلیل ساختار محفظه احتراق آن لازم است از یک مشعل با شعله با طول کوتاه و قطر زیاد استفاده گردد که در این مشعل‌ها عموما از یک سویرلر در سری احتراقی استفاده می‌گردد تا سرعت محوری را به سرعت شعاعی و مماسی تبدیل کند. با این کار طول شعله کاهش پیدا کرده و قطر شعله افزایش می‌یابد. در ادامه انواع شعله مشعل‌های متداول برای کاربری‌های مختلف آورده شده است.
مزایا و معایب استفاده از مشعل‌های نازل میکس در مقایسه با سایر انواع مشعل‌ها
مشعل‌های نازل میکس با طراحی خاص خود مزایا و معایبی دارند که بسته به کاربردهای صنعتی باید در نظر گرفته شوند.
مزایای مشعل‌های نازل میکس
مشعل‌های نازل میکس با طراحی خاص خود، کارایی و انعطاف بالایی در صنایع مختلف ارائه می‌دهند.
پایداری شعله: در مشعل‌های نازل میکس، فرآیند اختلاط سوخت و هوا در لحظه احتراق صورت می‌گیرد. این امر باعث ایجاد شعله‌ای پایدار و قابل کنترل می‌شود که در بسیاری از کاربردهای صنعتی، از جمله بویلرهای بزرگ و کوره‌های صنعتی، اهمیت دارد.
انعطاف‌پذیری در سوخت: مشعل‌های نازل میکس قابلیت کار با انواع سوخت‌های گازی یا مایع و شرایط مختلف صنعتی را دارند. این انعطاف‌پذیری، آن‌ها را برای کاربردهای متنوعی مناسب می‌کند.
عدم وجود فلش بک و خطر انفجار: در مشعل‌های نازل میکس به دلیل عدم وجود مخلوط سوخت و هوا در مشعل امکان ایجاد پدیده فلش بک وجود ندارد. در نتیجه امکان ایجاد انفجار در مشعل وجود ندارد. این مشعل‌ها به ادوات خاص و ضد انفجار مانند فن ضد جرقه نیاز ندارند.
کاربرد در صنایع مختلف: این مشعل‌ها در تمامی صنایع که به دمای بالای احتراق یا طراحی ویژه نیاز دارند، مانند صنایع تولید بخار و آب گرم، فلزی، سرامیک، معدنی، شیمیایی و زباله‌سوزی، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
معایب مشعل‌های نازل میکس
مشعل‌های نازل میکس نیازمند تجهیزات دقیق و نگهداری مناسب هستند.
آلایندگی بالا: مشعل‌های نازل میکس در مقایسه با مشعل‌های پیش‌مخلوط دارای آلایندگی بالاتری هستند.
حساسیت به شرایط محیطی: عملکرد این مشعل‌ها ممکن است تحت تأثیر تغییرات فشار، دما یا کیفیت سوخت قرار گیرد. به همین دلیل نیاز به نگهداری و پایش دقیق دارند.
هزینه‌های تعمیر و نگهداری: به دلیل طراحی پیچیده و استفاده از قطعات پیشرفته مانند دیفیوزرها و نازل‌های خاص، هزینه‌های تعمیر و نگهداری این مشعل‌ها نسبت به برخی انواع دیگر بالاتر است.
نوآوری در احتراق؛کاهش آلاینده‌ها با مشعل‌های نازل میکس
مشعل‌های نازل میکس با ترکیب همزمان سوخت و هوا، شعله‌ای پایدار و آلایندگی کم ایجاد می‌کنند و در صنایعی مثل بویلرها، تولید فلزات و زباله‌سوزی کاربرد دارند. این مشعل‌ها با کاهش آلاینده‌هایی مانند CO، NOx و SOx و بهبود راندمان انرژی، انتخابی مناسب برای کاهش اثرات زیست‌محیطی هستند.
شرکت رادمن با دانش فنی بالا به طراحی و تولید مشعل‌های نازل میکس مطابق استانداردهای ملی و بین‌المللی می‌پردازد. مشعل‌های رادمن با تمرکز بر کاهش آلاینده‌ها و بهینه‌سازی مصرف انرژی طراحی می‌شوند و می‌توانند فرآیندهای احتراق را در صنایع مختلف بهبود ببخشند.
