what is combustion
ما هو الأحتراق؟
هو عبارة عن تفاعل المواد الكيمياوية (الوقود Fuel ) مع مادة مؤكسدة (الأوكسجين عادةً) يصحبه تولد حرارة ولهب.
كما يمكن أن يعرّف على أنه عبارة عن تفاعل بين العناصر والمركبات والمواد والأوكسجين لأنتاج نواتج الأحتراق كتفاعل الوقود مع الأوكسجين يصحبه عادة ً اللهب وتولد الحرارة.
وهناك ثلاثة أنواع من الوقود هي:
(1) الوقود الصلب كالفحم.
(2) الوقود السائل كالنفط ومشتقاته.
(3) الوقود الغازي كالغاز الطبيعي والغاز الصناعي.
عندما تحترق مادة فأن عملية الأحتراق هذه تولد طاقة حرارية معينة تختلف من مادة لأخرى حسب تركيب تلك المادة وحجم جزيئاتها ، مثال على ذلك:
C + O2 = CO2 +Heat of Combustion ΔHCO2
حيث أن ΔHCO2 هو حرارة الأحتراق ل CO2
CH4 + O2 = CO2 + H2O + Heat of Combustion ΔHCH4
حيث أن ΔHCH4 هو حرارة الأحتراق ل CH4
أن الوقود النفطي يتكون من مواد هيدروكاربونية تختلف فيما بينها بالكثافة أو الـ (API). لذا عند مقارنة الحرارة الناتجة من أحتراق أوزان متساوية من مشتقات نفطية مختلفة الكثافة يلاحظ أنه كلما كانت الكثافة (أو الوزن النوعي) للمشتق قليل (أي إذا كان خفيفاً) كانت الحرارة الناتجة أعلى. ويُعبّر في الصناعة النفطية عن الكثافة أو الوزن النوعي بالنسبة للمشتقات النفطية بدرجة API.
ولأغراض المقارنة فأن الوزن النوعي 10 للماء والنفط الخام (34-36) ، وكلما كان قيمته عالية للمنتوج كان الوقود خفيفاً والعكس صحيح أي كلما كانت القيمة قليلة كان الوقود ثقيلاً.
الكمية النظرية للأوكسجين Theoretical Oxygen والهواء اللازم للأحتراق Air Required for Combustion :
هي الكمية اللازمة من الأوكسجين أو من الهواء لحرق الكاربون والهيدروجين والكبريت وتحويلها الى ثاني أوكسيد الكاربون وماء وثاني أوكسيد الكبريت. والمعادلة الكيمياوية التالية توضح الصيغة العامة لأحتراق الوقود وعدد جزيئات الأوكسجين اللازمة للأحتراق:
CmHn + (4m+n/4)O2 = mCO2 +n/2 H2O
لذلك فأن وزناً جزئياً واحداً من الميثان مثلاً يحتاج الى وزنين جزئين من الأوكسجين لحرقه حرقاً تاماً ، وينتج من هذا الأحتراق وزن جزيئي واحد من ثاني أوكسيد الكاربون ووزنان جزيئيان من الماء ، أما إذا أستعملنا الهواء للأحتراق فيصحب كل جزيئة من الأوكسجين عندئذ 79/21 = 3.76 جزيئة من النتروجين الذي لا يشترك في عملية الأحتراق ويخرج مع الغازات الناتجة من الأحتراق بدون أي تغيير.
أن تحديد حجوم الأوكسجين والهواء يعتبر من الضروريات الأساسية لعمليات الحسابات الهندسية لتصميم أجهزة الأحتراق ، وبحسب حجم الأوكسجين النظري اللازم لحرق أي وقود بواسطة التحليل المطلق للوقود ، حيث يستخرج وزن الكاربون والهيدروجين والكبريت والأوكسجين المؤلفة لباوند واحد من الوقود.
الهواء الفائض Excess Air:
وهو النسبة بين الهواء الكلي المستعمل في الأحتراق الى الهواء النظري اللازم للأشتعال ، وعادة ً يحتاج الوقود عند الأحتراق الى كمية هواء أكثر من الكمية النظرية اللازمة للأحتراق وذلك لضمان أختلاط كافة جزيئات الوقود بالأوكسجين وحدوث الأشتعال التام:
ρ air = 0.0012943 Kg/m3 at 1 atm & 25°C
أن تفاعلات الأحتراق لا تحدث كلها بصورة كاملة (وتكوين نواتج الأحتراق المذكورة) ما لم توجد زيادة من الأوكسجين أو الهواء. وفي الأفران الصناعية في الوحدات التشغيلية ، يتحكم المشغل في أجهزة ووسائل زيادة الهواء المتوفرة لديه في الفرن لأعطاء زيادة مناسبة عند ظهور دخان في غازات المدخنة (أو عند ظهور أول أوكسيد الكاربون فيها في حالة وجود وسائل تحليل آلية تؤشر ذلك) ونادراً ما يوجد غاز أول أوكسيد الكاربون في غازات المدخنة بسبب أستعمال نسبة جيدة للهواء الفائض قد تصل الى 30% ، هذا على أفتراض كون المشاعل جيدة وسليمة ، أن كمية الهواء الفائض قد تصل الى 70% في بعض التطبيقات ، إلا أنها عملياً تكون أقل من ذلك ، ويمكن التحكم بكمية الهواء وصولاً الى الكمية المطلوبة والأقتصادية وبدرجة عالية من الدقة ، بالمراقبة الجيدة للظروف التشغيلية للفرن وهناك العديد من المؤشرات التي تساعد في أنجاز المهمة (كطول الشعلة ، ولونها ، ووجود دخان ، وحرارات الفرن .. ألخ) ، إلا أنه توجد أجهزة حديثة تلحق بالفرن تعمل بصورة تلقائية يمكنها السيطرة بشكل كامل على ظروف الأحتراق وتحقيق درجة عالية من أقتصاد الوقود بأنواعه المألوفة ، وعملياً في التصاميم الحديثة يستعمل 25% هواء فائض لغاز الوقود ، 40% هواء فائض لزيت الوقود.
حساب الحرارة الناتجة من الأحتراق:
عند أحتراق كمية معينة من الوقود بواسطة الأوكسجين النقي أو بواسطة الهواء سوف تنتج غازات تتضمن كلاً من CO2 – بخار الماء – SO2 وكذلك تنتج حرارة أولية من الأحتراق هي القيمة الحرارية الصغرى Net Heating Value ثم يبدأ بخار الماء بالتكثف معطياً كمية من الحرارة التي إذا جمعت مع الحرارة الأولية تنتج ما يسمى بالقيمة الحرارية العليا Gross or High Heating Value ولكن بالنسبة للعمليات التصنيعية نلاحظ أن بخار الماء الموجود مع نواتج الأحتراق في مداخن المراجل البخارية والأفران لا يتكثف ، لذا نستخدم Net H.V في الحسابات الهندسية في الأجهزة الحرارية المختلفة .
حرارة الأحتراق Heat of Combustion :
وهي كمية الحرارة المتحررة من أحتراق وحدة كمية معينة من الوقود.
القيمة الحرارية الصغرى Net heating Value :
وهي كمية الحرارة المتحررة من أحتراق باوند واحد من الوقود عند درجة حرارة 60°F وتبريد نواتج الأحتراق الى نفس الدرجة ، وتحسب بوحدات Btu/lb للوقود السائل والصلب ، وبوحدات Btu/ft3 للوقود الغازي.
القيمة الحرارية العليا Gross or High heating Value :
وهي كمية الحرارة المتحررة من أحتراق باوند واحد من الوقود عند درجة حرارة 60°F وتبريد نواتج الأحتراق الى نفس الدرجة مضافاً اليها الحرارة الناتجة من تكثيف بخار الماء الموجود في الغازات الناتجة.
وبالنسبة للعمليات التصنيعية فأن بخار الماء الذي يوجد في المدخنة أو مع الغازات الناتجة لا يتكثف لذا يستخدم Net H.V. دائماً.
الحرارة الناتجة من تكثيف بخار الماء ΔHH2O :
أن كمية الحرارة المتحررة من تكثيف باوند واحد بخار الماء عند 60°F تعادل 1058.2 Btu .
أن كمية الحرارة المتحررة من تكثيف ا قدم مكعب من بخار الماء عند 60°F تعادل 50.3 Btu . أي أن :
ΔHH2O = 1058 Btu/bl = 50.3 Btu/ft3
ولحساب Net H.V. نستخدم المعادلة التالية:
Net H.V. = gross H.V. – ΔHH2O