مشعل نازل میکس

در صفحه مشعل به ذکر این نکته اشاره شد که لازمه هر فرآیند احتراق، وجود سوخت، حرارت و اکسید کننده (اکسیژن، هوا و …) است. اگر چه وجود این سه عنصر می تواند به تشکیل شعله بیانجامد، ولی وجود شعله به تنهایی کافی نیست. شعله ای را تصور کنید که بلافاصله پس از تشکیل شدن از بین برود (پایداری شعله) و یا با انتشار گازهای سیاه رنگ (دوده) همراه باشد. بنابراین در بحث احتراق صنعتی، تنها شروع واکنش و تشکیل شعله مد نظر نیست. از مشعل ها به همین علت استفاده می شود. یکی از انواع مشعل های صنعتی، مشعل مخلوط سرنازل یا مشعل نازل میکس (Nozzle-mix Burner) است. چیستی مشعل های مخلوط سر نازل و ساختار آن ها، مطلبی است که در این مقاله به آن پرداخته شده است. اگرچه آماده کردن این مطالب ساعت ها زمان برده است، خواندن آن فقط دقایقی از وقت گران بهای شما را خواهد گرفت. با ما همراه باشید.

تاریخچه مشعل های مخلوط سرنازل

استفاده از مشعل‌های معمولی به دوران بویلر‌های بخار کشتی باز می‌گردد، جایی که بویلر‌های بخار لازم بود تا آنجا که ممکن است کوچک و سبک نگه داشته شوند و نیاز به شعله با طول کوتاه وجود داشت. تا اواسط دهه 1980 که انتشار گازهای گلخانه‌ای مورد توجه قرار گرفت، مشعل‌های معمولی سبک غالبا در بویلر استفاده می‌شدند. طراحی این مشعل‌ها تنها بر اساس شکل شعله و پایداری آنها صورت می‌گرفت و انتشار آلاینده‌ های کربن مونوکسید، ناکس و ذرات معلق در آن‌ها مورد توجه قرار نمی‌گرفت.برای دستیابی به این اهداف مشعل‌هایی طراحی شد که معمولاً هوا و سوخت را با سرعت بالا با هم مخلوط و شعله‌ای به شدت پایدار ایجاد می‌کردند.

استفاده از مشعل های معمولی در کشتی ها

مشعل مخلوط سرنازل (nozzle-mix burner)

مشعل های مخلوط سرنازل یا مشعل غیر پیش آمیخته مشعلی است که در آن تمام یا قسمتی از هوای تئوری لازم برای احتراق گاز در دهانه و یا بعد از دهانه‌ی خروجی گاز و هوا، با گاز مخلوط می‌شود. در مشعل‌های غیر پیش آمیخته، سوخت از طریق نازل‌های سوخت و هوا از طریق دمنده، به صورت مجزا وارد مشعل می‌گردد و اختلاط آن‎ها از طریق ایجاد اغتشاش و چرخش در جریان به واسطه ادواتی همچون دیفیوزر و پره‌های چرخاننده جریان واقع در مسیر جریان، صورت می‌پذیرد. جهت ایجاد کم‌ترین میزان آلایندگی همزمان با دستیابی به بالاترین میزان راندمان مشعل، لازم است سوخت و هوا در تمامی نقاط شکل‌گیری شعله به صورت همگن و با نسبت مناسب وجود داشته باشد، بنابراین طراحی نازل‌ها به گونه‌ای است که سرعت و زاویه خروجی گاز از نازل‌ها 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 می‌شود 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 ناقص‌سوزی سوخت و عدم پایداری شعله خواهد شد.

مشعل مخلوط سرنازل

در مشعل‌های غیر پیش آمیخته، الگوی جریان داخل محفظه احتراق به‌گونه‌ای است که گردابه‌های تشکیل شده بر اثر گرادیان‌های سرعت، باعث خواهد شد محصولات احتراق وارد محل تشکیل شعله شوند و دمای پیک شعله را کاهش دهند. با کاهش دمای پیک شعله تولید آلایندگی ناکس کاهش می‌یابد. در شکل زیر شماتیکی دو بعدی، از مشعل‌های غیر پیش آمیخته با احتراق مرحله ای آورده شده است. احتراق مرحله ای یکی از روشهایی است که برای کاهش انتشار آلاینده ها مورد استفاده قرار می گیرد. راجع به این تکنولوژی میتونید اینجا بیشتر یاد بگیرید.

شماتیک مشعل مخلوط سرنازل

مشعل پیش مخلوط یا پریمیکس (premix burner)

جهت افزایش میزان اختلاط سوخت و هوا و در پی آن افزایش کیفیت احتراق مشعل، ایده طراحی مشعل‌های پیش‌ آمیخته شکل گرفته است. مطابق استاندارد ملی 7595 مشعل پیش‌ آمیخته، مشعلی است که در آن تمام یا قسمتی از هوای تئوری برای احتراق کامل گاز، قبل از دهانه‌ی خروجی میکسر، با گاز مخلوط می‌شود. این اختلاط می‌تواند قبل یا بعد از دمنده انجام شود. اگر این اختلاط قبل از دمنده رخ دهد، مطابق شکل اول، مشعل پریمیکس است و اگر بعد از دمنده انجام شود، پست میکس نامیده می‌شود که در شکل دوم نشان داده شده است.

شماتیک مشعل پیش آمیخته، پیش مخلوط یا پریمیکس

شماتیک مشعل پست میکس

در مشعل‌های پریمیکس، سوخت و هوا قبل از دمنده وارد یک ونتوری می‌شوند و اختلاط اولیه انجام می‌گردد، 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 تنها نیازمند جرقه، جهت اشتعال است. در مشعل‌های پست میکس همانند مشعل‌های غیر پیش آمیخته، سوخت و هوا از مسیرهای مستقل وارد می‌گردند و جهت اختلاط سوخت و هوا از میکسر بعد از دمنده استفاده می‌شود.

مشعل پیش آمیخته جزیی (partially premixed burner)

در این مشعل‌ها می‌توان بخش کوچکی از سوخت و هوا را قبل از خروج از نازل‌های گاز به صورت پیش مخلوط با یکدیگر مخلوط نمود. نحوه اختلاط سوخت و هوا در این مشعل‌ها در شکل زیر، نشان داده شده است. این اختلاط جزئی جهت کمک به پایداری شعله و کاهش آلایندگی‌ های ناشی از احتراق انجام می‌گردد. این مشعل‌ ها با عنوان مشعل‌ های پیش آمیخته جزئی شناخته می‌شوند.

مشعل پیش آمیخته جزیی