مشعل

همه ما از زمان کودکی اسم مشعل را در ذهن داریم. در مسابقات المپیک، انیمیشن ها، فیلم ها و سریال ها از چنین تجهیزی برای ایجاد روشنایی استفاده می گردید. بزرگتر که شدیم، شعله آن را در پالایشگاه ها، از دور میدیم و درخشش آن ها را در شب به خاطر داریم. به همین خاطر سوالاتی در ذهن ما شکل گرفت، سوالاتی مانند:

1. 1. مشعل چیست؟
   2. کاربرد آن در صنعت؟
   3. انواع مشعل های صنعتی کدامند؟
   4. مشعل بویلر، مشعل نیروگاه و مشعل کوره چه تفاوتی با هم دارند؟
   5. سوخت مورد استفاده در مشعل چیست؟ مشعل مازوت سوز چه تفاوت هایی با مشعل گازوئیلی و یا مدل های گازسوز دارد؟

برای پاسخگویی صحیح و کامل به این سوالات لازم است ابتدا احتراق و کاربردهای آن به خوبی تعریف و مشخص شوند، پس با ما همراه شوید.

مقدمه

احتراق صنعتی یک فرآیند پیچیده است که به طور مستقیم یا غیر مستقیم بر تمام بخش های زندگی انسان اثر گذار است. در صنعت تاسیسات و سیستم‌ های سرمایش و گرمایش، تولید برق در نیروگاه ها، حرکت اتومبیل ها، هواپیما ها و فضاپیما ها تا پخت و پز های خانگی و صنعتی، دیگ های آبگرم و بخار، کوره های عملیات حرارتی چهت پخت سیمان و شیشه و دیگر فرآیندهای مشابه، از احتراق به عنوان بخش جدا نشدنی استفاده می شود.

فرآیند احتراق به صورت یک واکنش شیمیایی بین سوخت و اکسیژن تعریف می ‌شود که با تولید انرژی همراه است. برای انجام این واکنش به سه جز نیاز است که عبارتند از:

1. 1. سوخت
   2. هوا
   3. گرما

این سه جز اضلاع یک مثلث هستند که به آن مثلث احتراق گفته می‌شود. در صورت حذف حداقل یک ضلع از این مثلث، احتراق صورت نخواهد گرفت.

مثلث احتراق

اکنون زمان آن رسیده که پاسخ سوال «مشعل چیست» را بیان کنیم. در دوره آموزش مشعل های صنعتی نیز که به زودی در این سایت ارائه خواهد شد، می توانید پاسخ سوال های مشابه را بیابید.

مشعل چیست؟

تولید انرژی در فرآیند احتراق به دستگاهی نیاز دارد که همزمان با کنترل نرخ انرژی تولید شده، از ایمنی بالایی برخوردار باشد. برای رسیدن به این هدف، انواع مشعل (Burner) متناسب با کاربرد مورد نظر، ظرفیت، سوخت مورد استفاده و غیره طراحی و ساخته شده است. مشعل ها با مخلوط کردن مقدار مشخصی از هوا و سوخت بر اساس ظرفیت (محاسبه مصرف سوخت مشعل روابط خاصی دارد که در جای خود به آن اشاره خواهد شد) و پس از تامین انرژی اولیه احتراق (با استفاده از تجهیزاتی مانند جرقه زن و یا پایلوت)، انرژی سوخت را به انرژی حرارتی تبدیل کرده و پایداری فرآیند احتراق را تصمین می کنند.

شماتیک مشعل

به منظور ارائه یک پاسخ دقیق، کامل و علمی به سوال مطرح شده، می توان گفت که برنر یک دستگاه مکانیکی-الکترونیکی است که شرایط زیر را فراهم می‌سازد:

• • قابلیت تنظیم میزان سوخت و میزان اکسید کننده ورودی جهت تامین نرخ مشخصی از انرژی را داشته باشد (با توجه به ظرفیت مشعل)
  • ساختار و طراحی آن باید به ‌گونه‌ای باشد که اختلاط کامل جریان سوخت و هوا، پیش از شروع واکنش احتراق فراهم شود.
  • لازم است طراحی مشعل های صنعتی به گونه ای باشد که قابلیت کنترل شعله مشعل جهت تضمین ایمنی و نیز جلوگیری از پراکنده شدن شعله جهت انتقال حرارت همگن و جلوگیری از آسیب به سایر تجهیزات را دارا باشد.
  • مشعل باید برای محدوده‌ ای از ظرفیت های حرارتی قابلیت کارکرد و تنظیم داشته باشد، به عبارتی به صورت چند مرحله ای و یا مادولار عمل نمایند. کنترلر مشعل این وظیفه را به عهده دارد.

در طراحی برنرها لازم است حفاظت از محیط زیست و مباحث مرتبط به گرمایش جهانی در نظر گرفته شده و با ایجاد احتراق کامل و استفاده از سوخت های مناسب، میزان انتشار آلاینده ها به حداقل برسد. حد مجاز انتشار آلاینده ها، در انواع مشعل های صنعتی، در استاندارد 7595 ملی آورده شده است.

دسته بندی مشعل ها

مشعل‌ها براساس معیارهای متفاوتی دسته‌بندی می شوند که در ادامه رایج‌ترین آن ها آورده شده است. از نظر سوخت مصرفی، انواع مختلف این وسیله را می توان در چند دسته کلی زیر قرار داد:

• • مشعل گازی
  • مشعل گازوئیلی
  • مشعل مازوت‌ سوز
  • مشعل دوگانه یا چندگانه سوخت (گاز-گازوئیل، گاز-مازوت، گاز-گازوئیل-مازوت)
  • مشعل با سوخت جامد

همچنین از نظر نحوه اختلاط سوخت و هوا، مشعل‌ها در چند دسته زیر قرار می گیرند:

• • مشعل پیش مخلوط یا پریمیکس
  • مشعل غیر پیش مخلوط

 دسته بندی دیگری که برای مشعل‌های صنعتی ارائه شده است، براساس تامین هوای مورد نیاز فرآیند احتراق می باشد، که عبارتند از:

• • مشعل دمنده دار (مکانیکی)
  • مشعل های اتمسفر

به طور کلی اجزای اصلی برنر شامل سیستم تامین هوا، سیستم سوخت رسانی، سری احتراقی و سیستم برق که خود شامل مدار قدرت و مدار فرمان است، می شود. در شکل زیر اجزای اصلی یک مشعل صنعتی نشان داده شده است.

اجزای اصلی مشعل دیگ بخار- ساخت شرکت Wieshaupt

کاربرد مشعل چیست؟

درک هدف از فرآیندی که برنر برای آن طراحی می گردد، امری ضروری است. در ادامه به طور مختصر، متداول ترین کاربرد مشعل‌ها در صنایع مختلف آورده شده است.

کاربرد مشعل های صنعتی در تولید فلزات

فلزات به طور ناخالص در طبیعت وجود دارند، بنابراین جهت جداسازی ناخالصی ها لازم است ابتدا در مخازن مشخص ذوب و سپس در آزمایشگاه، نمونه‌برداری شده و ترکیب آن مشخص گردد. در نهایت برای رسیدن به ترکیب مورد نظر ممکن است ماده یا موادی به آن اضافه و یا حذف شود. به دلیل بالا بودن دمای ذوب فلزات، مشعل‌ کوره، با ظرفیت حرارتی بالا، اغلب در این صنایع برای ذوب فلز و آماده‌سازی آن برای عملیات‌های بعدی استفاده می‌شود. به عنوان مثال، شمش ‌های فلزی ممکن است در یک محل تولید گردند و سپس برای تبدیل شدن به شکل مورد نظر به مکانی دیگر ارسال شوند. اگرچه این فرآیند‌ها از نظر اقتصادی ممکن است کارا و پر‌بازده باشند، اما به دلیل استفاده از حرارت‌دهی زیاد از دیدگاه انرژی و آلایندگی بازده مناسبی ندارند. مشعل‌ها علاوه بر واحد ذوب فلز در واحد پیش‌ گرمایش نیز استفاده می‌شوند. برای جلوگیری از شوک حرارتی و ایجاد تنش، قبل از ذوب فلز، عملیات پیش ‌گرمایش صورت می‌گیرد.

کاربرد برنر در صنایع فلزی

کاربرد مشعل در تولید مواد معدنی

از متداول ترین فرآیند های تولید مواد معدنی می توان به تولید شیشه، سیمان، آجر، مواد نسوز و سرامیک اشاره کرد. اکثر فرآیند ‌ها در تولید مواد معدنی به صورت پیوسته انجام می‌شوند و از انواع مختلفی مشعل کوره و نیز محفظه احتراق استفاده می‌شود.

کاربرد مشعل در تولید شیشه

کاربرد مشعل در صنایع شیمیایی

در تمامی کاربردها در صنایع پتروشیمی و پالایشگاهی، معمولا دمای پایین‌تری در فرآیند‌ها نیاز است. ترکیبات سوختی که در این صنعت برای احتراق در کوره‌ها و بویلر‌ها استفاده می‌شود، نسبت به سایر صنایع بسیار متنوع است و غالبا از سوخت ‌های گازی که حاوی مقادیر معینی هیدروژن، متان، پروپان و همچنین نیتروژن و کربن دی اکسید هستند، استفاده می‌شود. یکی‌دیگر از وجوه تمایز نسبت به سایر صنایع، استفاده از مشعل‌ های اتمسفر یا جابه‌جایی طبیعی است، که نیازی به دمنده برای تامین هوای احتراق ندارند و نسبت به تغییرات شرایط محیطی مانند دما، رطوبت و سرعت جریان باد بیشتر حساس هستند.

کاربرد مشعل در صنایع شیمیایی

کاربرد مشعل در صنایع زباله‌سوز

این صنایع به دنبال حذف و یا کاهش محصولات زائد هستند و از احتراق و سوزاندن این محصولات برای رسیدن به هدف خود استفاده می‌کنند. 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.

کاربرد مشعل در بویلرهای صنعتی و تولید انرژی

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 غیره از مشعل بویلر (دیگ بخار) استفاده می‌شود.

کاربرد مشعل در بویلرهای صنعتی

کاربرد مشعل های صنعتی در انواع خشک کن

مشعل‌ها در طیف گسترده‌ای از کاربردهای خشک کردن در دمای پایین و برای حذف آب اضافه شده به محصول در طی فرآیند تولید استفاده می‌شوند. این فرآیندها شامل تولید کاغذ، چاپ و انتشار، تولید پارچه و فرآوری مواد غذایی می‌شود.

آلایندگی‌های احتراق

تلاش‌های بسیاری توسط سازمان ‌های مختلف در سراسر دنیا برای بهبود روش‌ های موجود و توسعه روش‌ های جدید، به منظور به حداقل رساندن آلودگی ‌های ناشی از احتراق در حال انجام است. از مهمترین آلاینده های ناشی از احتراق می توان به CO ,NOx ,N2O و SO2 اشاره کرد. انتشار NO و SO2 در بیشتر مواقع به عنوان آلاینده‌ های اصلی هوا به شمار می‌رود. در اتمسفر، NO2 و SO2 می‌توانند با آب واکنش داده و نیتریک اسید و سولفوریک اسید تولید کنند و یا در واکنش با آمونیاک یا هر کاتیون موجود، ذرات نیترات آمونیوم یا سولفات را تشکیل دهند. اندازه این ذرات در حدود 1/0 میکرومتر است. نیتروژن مونوکسید (NO) جزء گاز های بی‌رنگ است که برای سلامت انسان و موجودات زنده مضر است، اما اثر این گاز به میزان قابل توجهی کم‌تر از مقدار معادل نیتروژن دی اکسید (NO2) است. در اتمسفر و دستگاه‌های صنعتی، NO با O2 واکنش می‌دهد و گاز NO2 را تشکیل می‌دهد، که یک گاز قهوه‌ای رنگ مضر است و موجب تنگی نفس در انسان می‌شود.

طی قرن گذشته، انتشار جهانی اکسیدهای نیتروژن که در اصطلاح به آن ناکس گفته می‌شود، در جو به طور پیوسته در حال افزایش بوده است. به دلیل اثرات مخرب اکسید های نیتروژن بر سلامت جامعه و بر محیط زیست، انتشار این گاز از منابع احتراق در کشور‌های صنعتی مورد ارزیابی قرار گرفته است. به منظور کاهش انتشار آلاینده ‌ها، انواع فناوری‌ برای کنترل ناکس ناشی از منابع احتراق توسعه یافت. توسعه این فناوری‌ ها به درک از واکنش‌‌ های شیمیایی اکسیدهای نیتروژن وابسته است. پارامتر های اصلی مربوط به واکنش‌‌های تشکیل ناکس شامل دمای احتراق، غلظت اکسید کننده و مدت زمان حضور آن در ناحیه احتراق با درجه حرارت بالا است، که هرگونه تغییرات در این پارامتر ها منجر به کاهش یا افزایش تشکیل ناکس می‌شود. با این حال، کاهش دمای احتراق از طریق روش‌‌هایی همانند بهینه‌ سازی هندسه، گردش مجدد گاز های خروجی و تزریق آب یا بخار به دست می‌آید.

قبل از بررسی روش های کاهش آلاینده ناکس، لازم است به بررسی مفاهیم نسبت هم ارزی، میزان هوای اضافه و تاثیر آن بر نرخ انتشار آلاینده های ناکس و کربن مونوکسید بپردازیم.

فرآیند احتراق استوکیومتری هیدروکربن با ساختار شیمیایی CxHy مطابق با معادله زیر صورت می گیرد:

حداقل مقدار هوایی که برای احتراق کامل کربن، هیدروژن و یا هر عنصر دیگر در سوخت مورد نیاز است، مقدار هوای نظری نام دارد. با این وجود در عمل، احتراق کامل هنگامی رخ می‌دهد که مقدار هوای تامین شده تا حدودی بیشتر از مقدار هوای نظری باشد. بنابر این به منظور تعیین میزان هوای اضافی مورد نیاز جهت احتراق، دو پارامتر AF و λ تعریف می‌شود. نسبت هوا به سوخت (AF)، مطابق معادلات زیر به ترتیب بر مبنای جرمی و مولی تعریف می­ شود.نسبت هم ارزی مطابق با معادله زیر به صورت نسبت نظری هوا به سوخت تقسیم بر نسبت واقعی هوا به سوخت تعریف می‌شود:

در صورتی که ϕ < 1 باشد، مخلوط از نظر سوخت رقیق و در صورتی که ϕ > 1 مخلوط از نظر سوخت غنی نامیده می‌شود. مقدار واقعی هوای به کار رفته را می‌توان برحسب درصد هوای اضافه به صورت معادله زیر بیان کرد.

در صورت بروز احتراق ناقص، محصولات جانبی به عنوان آلاینده‌ های احتراق تولید می‌گردند. از مهمترین آلاینده‌‌ های احتراق می توان به کربن‌ مونوکسید و ناکس اشاره کرد. با تنظیم میزان هوای اضافی، می‌توان آلاینده‌ های ناشی از احتراق را کنترل نمود. در شکل زیر میزان تولید آلاینده‌ های کربن‌ مونوکسید و ناکس بر حسب نسبت هوا به سوخت در یک فرآیند احتراقی نشان داده شده است. میزان تولید ناکس در نسبت هوا به سوخت استوکیومتری، در حالت بیشینه است و با کاهش نسبت هوا به سوخت، تولید آلاینده ناکس کاهش می‌یابد. در این حالت، انتشار کربن‌مونوکسید افزایش خواهد یافت. با افزایش هوای اضافی نسبت به هوای استوکیومتری، انتشار آلاینده‌ های کربن‌ مونوکسید و ناکس به طور همزمان، کاهش خواهد یافت. با این حال با افزایش بیش از حد این نسبت، از یک سو دمای شعله مشعل کاهش یافته و از سوی دیگر اتلافات دودکش افزایش می‌یابد. این دو در مجموع موجب کاهش بازده احتراق می‌شوند. لذا همواره در هر فرآیند احتراقی میزان هوای اضافی بهینه‌ باید لحاظ گردد. مطابق با استاندارد 7595 برای مشعل‌ ها در بیشینه ظرفیت، مقدار هوای اضافی می‌تواند تا 20% باشد. در ظرفیت کمینه در مشعل‌ های چند مرحله ای یا مادولار با نسبت تبدیل بالای 1:4، مقدار هوای اضافی می‌تواند تا 30 درصد نیز افزایش یابد. در برنر های پیش مخلوط یا پریمیکس، در ظرفیت بیشینه، هوای اضافی تا 30% مجاز است.

نمودار میزان غلظت آلایندگی بر حسب نسبت هوا به سوخت

روش های کاهش آلاینده های احتراق در مشعل

بازگردانی محصولات احتراق

بازگردانی گازهای خروجی از دودکش، فرآیندی است که باعث می‌شود محصولات احتراق مجددا به ناحیه تشکیل شعله مشعل بازگردانده شوند. در ابتدا به نظر می‌رسد که بازگردانی گازهای داغ دودکش به ناحیه شعله موجب افزایش تولید ناکس گردد، زیرا نرخ انتشار آلاینده ناکس با افزایش دما رابطه مستقیم دارد، اما توجه به این نکته ضروری است که دمای گازهای داغ خروجی از دودکش به مراتب کم‌تر از دمای شعله است، بنابراین موجب کاهش دما و درنتیجه کاهش تولید ناکس خواهد شد. در روش دیگر محصولات احتراق از کوره به درون مسیر تعبیه شده در سری حرارتی مشعل بازگردانی می شود.

شماتیک روش بازگردانی محصولات احتراق

تعویض سوخت مشعل

تعویض سوخت یکی از راه‌های آسان جهت کاهش آلاینده ها است. به عنوان نمونه، احتراق در مشعل گازوئیلی که دارای ترکیبات نیتروژن است، باعث تشکیل ناکس سوختی می‌شود. گاز طبیعی معمولا فاقد و یا دارای مقادیر بسیار کم مولکول نیتروژن است. جایگزینی جزئی یا کامل گازوئیل با گاز طبیعی می‌تواند میزان انتشار ناکس را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.

آلایندگی سوخت های مختلف با یکدیگر فرق دارد!

تعویض اکسید کننده

هوا رایج‌ترین اکسید کننده است. در احتراق با استفاده از اکسیژن خالص به عنوان جایگزین هوا، می‌توان به کاهش قابل توجهی از ناکس دست پیدا کرد. به عنوان مثال در احتراق متان، اگر هوا که از 79 درصد نیتروژن در واحد حجم تشکیل شده است، با اکسیژن خالص جایگزین شود، می‌تواند ناکس را به طور کامل از چرخه فرآیند حذف کند، زیرا در این حالت هیچ مولکول نیتروژنی برای تولید ناکس وجود ندارد.

اجزای تشکیل دهنده هوا

مقدار هوای اضافه

بیشتر فرآیند‌ های احتراق برای عملکرد در نزدیکی شرایط استوکیومتری با میزان هوای اضافی کم، به منظور به حداکثر رساندن بازده حرارتی همزمان با کاهش انتشار ناکس، طراحی شده‌اند. کاهش سطح هوای اضافی معمولا منجر به شکل‌ گیری کربن ‌مونوکسید می‌شود. یک فرآیند احتراق مطلوب، با پایین بودن انتشار آلاینده‌ های ناکس و کربن مونوکسید به طور همزمان رخ خواهد داد. بنابر این سیستمی که برای به حداقل رساندن هر دو معیار آلایندگی طراحی شده است، اغلب در کم‌ترین سطح هوای اضافی ممکن بدون انتشار مقادیر بالای کربن مونوکسید عمل می‌کند. لذا مقدار هوای مورد نیاز مشعل به شدت بر مقدار تولید آلاینده ها موثر است.

احتراق بدون شعله

احتراق بدون شعله (MILD or Flameless Combustion) برای کاهش انتشار گاز ‌های گلخانه‌ ای و در عین حال حفظ بازده حرارتی در سیستم‌ های احتراقی توسعه یافته است. از ویژگی‌ های بارز این نوع از احتراق می‌توان به کاهش آلاینده‌ ها، توزیع همگن دمای شعله مشعل، کاهش آلودگی صوتی و کاهش تنش‌ های حرارتی اشاره کرد. احتراق بدون شعله با چشم غیر مسلح قابل دیدن نیست. دمای بالا در دیواره محفظه احتراق و تششع زیاد از آن، باعث خستگی چشم ببیننده و عدم مشاهده شعله می‌شود.

احتراق بدون شعله

مرحله بندی هوا/ سوخت

احتراق مرحله‌ ای (Staged Combustion) روشی موثر برای کاهش ناکس است. در روش مرحله بندی، مقداری از سوخت یا اکسید کننده و یا هر دو، قبل از ناحیه احتراق اصلی اضافه می‌شوند. امکان دارد مقادیر سوخت یا اکسید کننده به صورت مرحله‌ به مرحله، به مشعل تزریق شوند. برای نمونه امکان دارد مقادیر سوخت در دو مرحله اولیه و ثانویه، به صورت بخشی از کل سوخت ورودی، به ناحیه تشکیل شعله تزریق شوند و تعادل شیمیایی در محل حضور شعله ایجاد گردد.

شماتیک روش مرحله بندی هوا/ سوخت

این شیوه باعث تشکیل منطقه سوخت رقیق می‌شود که در مقایسه با شرایط استوکیومتری، تمایل کم‌تری برای تشکیل ناکس دارد. اکسیژن اضافی موجود در مرحله اولیه برای احتراق سوختی که در مرحله دوم و سوم اضافه می‌گردد، مورد استفاده قرار می‌گیرد. شرایط استوکیومتری کلی در این روش همانند یک مشعل معمولی است. دمای پیک شعله در روش مرحله بندی سوخت بسیار پایین‌تر از حالت عادی است، زیرا فرآیند احتراق به صورت فاصله‌ دار انجام می‌ گیرد در حالی که گرما به طور هم زمان از شعله منتشر می‌ شود. دمای پیک شعله کم‌ تر، در سوخت مرحله‌ ای، به کاهش انتشار ناکس کمک می‌ کند.

تزریق آب

یکی از روش‌های کاهش ناکس، تزریق آب به داخل شعله مشعل است. در این حالت آب، گرمای شعله را جذب می‌کند و مقداری از انرژی حاصل از احتراق را به همراه محصولات احتراق خروجی از دودکش به بیرون از محفظه هدایت می‌کند. این روش موجب کاهش راندمان احتراق خواهد شد. ایده دیگر استفاده از بخار است. استفاده از بخار آب در مقایسه با آب مایع مزایای بسیاری دارد. دمای بخار بسیار بیشتر از آب مایع و شامل گرمای نهان تبخیر است که برای تبدیل آب به بخار لازم است.

معرفی مشعل های پیش مخلوط (پریمیکس) و غیر پیش مخلوط

گاز طبیعی یکی از رایج‌ترین سوخت‌های مورد استفاده در برنر ‌ها است. از علل پر کاربرد بودن این سوخت می‌ توان به قیمت مناسب، دسترسی آسان و آلایندگی پایین اشاره کرد. مشعل‌های گازسوز بر اساس محل اختلاط سوخت و هوا در دو طبقه مشعل‌ های پیش آمیخته (Premix Burner) و مشعل های غیر پیش آمیخته (Non Premix Burner)، تقسیم‌بندی می‌شوند. در شکل زیر شماتیک این دو تجهیز آورده شده است.

شماتیک مشعل پیش‌ آمیخته

شماتیک مشعل غیر پیش آمیخته

مشعل غیر پیش مخلوط، دستگاهی است که در آن تمام یا قسمتی از هوای تئوری لازم برای احتراق گاز در دهانه و یا بعد از دهانه‌ ی خروجی گاز و هوا با گاز مخلوط می‌ شود. در مشعل‌ های غیر پیش مخلوط، سوخت با استفاده از نازل و از طریق دمنده، به صورت مجزا وارد می‌ شود و اختلاط آن ها از طریق ایجاد اغتشاش و چرخش در جریان به واسطه تجهیزاتی همچون دیفیوزر و پره‌ های چرخاننده جریان، واقع در مسیر جریان، صورت می‌پذیرد. جهت ایجاد کم‌ترین میزان آلایندگی، همزمان با دستیابی به بالاترین میزان راندمان، لازم است سوخت و هوا در تمامی نقاط شکل‌ گیری شعله، به صورت همگن و با نسبت مناسب وجود داشته باشند. بنابراین طراحی نازل‌ مشعل به گونه‌ ای است که سرعت و زاویه خروجی گاز از آن متناسب با سرعت و جهت جریان هوا باشد. در غیر این صورت برای مثال اگر سرعت هوا بسیار بیشتر از سرعت گاز باشد، گاز بدون واکنش با هوا از محفظه احتراق خارج شده و باعث تولید کربن مونوکسید خواهد شد. همچنین اگر زاویه خروج گاز متناسب با جهت جریان هوا نباشد، برای مثال جریان هوا و گاز با هم موازی باشند، اختلاط مناسب صورت نمی‌پذیرد و باعث ناقص‌ سوزی سوخت و عدم پایداری شعله مشعل هواگاز خواهد شد.

نمونه ای از شعله مشعل غیر پیش مخلوط/نازل میکس/ ساخت شرکت رادمن-پاکمن

در این مشعل‌‌ها می‌ توان بخش کوچکی از سوخت و هوا را قبل از خروج از نازل‌ های گاز، با یکدیگر مخلوط نمود. نحوه اختلاط سوخت و هوا در این تجهیزات، در شکل زیر نشان داده شده است. این اختلاط جزئی جهت کمک به پایداری شعله و کاهش آلایندگی‌ های ناشی از احتراق انجام می‌ گردد. به تجهیزات با این مکانیزم، مشعل‌ های پیش مخلوط جزئی (Partial Premix  Burners) گفته می‌شود. در مشعل‌ های غیر پیش مخلوط، الگوی جریان داخل محفظه احتراق به‌گونه‌ ای است که گردابه‌ های تشکیل شده بر اثر گرادیان ‌های سرعت، سبب ورود محصولات احتراق به محل تشکیل شعله خواهد شد که کاهش دمای پیک را به دنبال دارد. با کاهش دما، تولید آلاینده ناکس کاهش می‌یابد.

شماتیک مشعل پیش‌ مخلوط جزئی

جهت افزایش میزان اختلاط سوخت و هوا و در پی آن افزایش کیفیت احتراق مشعل، ایده طراحی مشعل‌ های پیش‌ آمیخته شکل گرفته است. مطابق استاندارد ملی 7595 مشعل پیش‌ آمیخته، وسیله ای است که در آن تمام یا قسمتی از هوای تئوری برای احتراق کامل گاز، قبل از دهانه‌ی خروجی میکسر، با گاز مخلوط می‌ شود.

در مشعل‌ های پیش مخلوط، سوخت و هوا قبل از دمنده وارد یک ونتوری می‌شوند و اختلاط اولیه صورت می‌گیرد. در ادامه با عبور از دمنده، اختلاط سوخت و هوا کامل شده و آماده دریافت انرژی اولیه جهت احتراق کامل خواهند بود. ترکیب سوخت و هوا در گذر از دمنده و سری احتراق برای مشتعل شدن فقط به جرقه نیاز دارد.

نمونه ای از مشعل های پیش مخلوط در شکل زیر آورده شده است.

اجزای مشعل پیش مخلوط ساخت شرکت پاکمن

سری حرارتی در مشعل های پیش مخلوط از یک محفظه استیل با روکشی از جنس الیاف فلزی ساخته شده است. مواد تشکیل دهنده این روکش ترکیب آهن، کروم و آلومینیوم است که با درصدهای متفاوتی در حال حاضر توسط کشورهای هلند، آلمان، ترکیه، چین و آمریکا ساخته می‌شوند. این روکش حرارتی نفوذ پذیر، بخش عمده انتقال حرارت را از طریق مکانیزم تشعشعی آزاد می‌ نماید که قسمتی از این تشعشع از سطح داغ سری حرارتی و بقیه آن از تشعشع گاز های داغ احتراق صورت می‌ گیرد. سری حرارتی به روش‌‌های متفاوتی تولید می‌ گردد، دو روش از مرسوم‌ ترین روش‌ های تولید، بافته شدن الیاف به شکل استوانه‌ های باریک درهم (Woven material) و روش شکل‌دهی تحت خلاء (Sintered material) است.

انواع سری حرارتی مشعل پیش مخلوط

سری حرارتی در مشعل‌ های پریمیکس – ساخت شرکت Bekaert

سری حرارتی فایبرمتال شرکت Bekaert – مشعل پست میکس RPB-M-110/PM تولید شرکت پاکمن