التحكم في الاحتراق في فرن الغاز الطبيعي: نسبة الهواء إلى الوقود، والهواء الزائد، وتحليل الاحتراق

التحكم في الاحتراق في فرن الغاز الطبيعي: نسبة الهواء إلى الوقود، والهواء الزائد، وتحليل الاحتراق

يُعدّ التحكم في الاحتراق الجانب الأكثر إهمالاً في تشغيل أفران الغاز. تعمل معظم أفران الغاز بكمية زائدة من الهواء، مما يُهدر الوقود ويُقلل الكفاءة. يُحقق الموقد المُضبوط بدقة، بنسبة الهواء إلى الوقود الصحيحة، توفيرًا في الوقود يتراوح بين 5 و15%، وانخفاضًا في انبعاثات أول أكسيد الكربون يتراوح بين 20 و50%. عملية الضبط بسيطة، لكنها تتطلب دقةً في التفاصيل ومراجعةً دورية. إليكم الإطار الذي أستخدمه عند مراجعة تشغيل فرن الغاز.

أساسيات كيمياء الاحتراق

يتكون الغاز الطبيعي في معظمه من الميثان (CH4) مع كميات أقل من الإيثان والبروبان والغازات الخاملة. تفاعل الاحتراق الكامل مع الأكسجين النقي هو:

CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O

عمليًا، يتكون هواء الاحتراق من خليط من الأكسجين (21%) والنيتروجين (79%). تبلغ نسبة الهواء إلى الوقود المثالية للغاز الطبيعي من 9.5 إلى 10.5 متر مكعب من الهواء لكل متر مكعب من الغاز، وذلك تبعًا لتركيب الغاز. وتكون نسبة الهواء إلى الوقود الفعلية في الفرن دائمًا أعلى من النسبة المثالية، نظرًا للحاجة إلى كمية إضافية من الهواء لضمان الاحتراق الكامل.

الهواء الزائد هو الهواء المُزوَّد بما يتجاوز النسبة المطلوبة في الاحتراق. ويُعبَّر عنه كنسبة مئوية من الهواء في الاحتراق. على سبيل المثال، 10% هواء زائد يعني أن نسبة الهواء إلى الوقود الفعلية هي 1.10 ضعف النسبة في الاحتراق.

لماذا يُعدّ الهواء الزائد أمراً مهماً؟

يُعدّ وجود كمية زائدة من الهواء ضروريًا لضمان الاحتراق الكامل. أما في حال نقص الهواء، فيكون الاحتراق غير مكتمل، ويحتوي غاز العادم على أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات غير المحترقة. ويمثل أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات غير المحترقة وقودًا مهدرًا، ما يُشكّل مشكلة تنظيمية.

عند زيادة كمية الهواء، يمتص الهواء الزائد الحرارة من اللهب وينقلها إلى العادم، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة غازات العادم وانخفاض كفاءة استهلاك الوقود. أما الكمية المثلى من الهواء الزائد فهي أقل قيمة تحقق احتراقًا كاملًا مع انبعاثات منخفضة من أول أكسيد الكربون.

بالنسبة لمواقد الغاز الطبيعي، تتراوح نسبة الهواء الزائد المثلى بين 5 و10% للمواقد عالية السرعة، وبين 10 و20% للمواقد منخفضة السرعة التي تعمل بالغاز الطبيعي. وينبغي ألا تتجاوز انبعاثات أول أكسيد الكربون 50 جزءًا في المليون (مصححة إلى 3% أكسجين) عند هذه النسبة المثلى.

كيف يؤثر الهواء الزائد على الكفاءة

تُعدّ العلاقة بين زيادة نسبة الهواء وكفاءة استهلاك الوقود علاقةً وثيقة. فخفض نسبة الهواء الزائد من 20% إلى 10% يُحسّن كفاءة استهلاك الوقود بنسبة تتراوح بين 3 و5%. أما خفضها من 10% إلى 5% فيُحسّنها بنسبة تتراوح بين 1 و2% إضافية. وعند انخفاض نسبة الهواء الزائد عن 5%، ترتفع انبعاثات أول أكسيد الكربون بسرعة، ويُصبح خطر الاحتراق غير الكامل مُشكلةً تُهدّد السلامة وجودة الوقود.

في فرن غاز بقدرة 5 ميغاواط يعمل 6000 ساعة سنوياً، يؤدي تحسين الكفاءة بنسبة 5% إلى توفير 250 كيلوواط من مدخلات الوقود، أي ما يعادل 1.5 مليون كيلوواط ساعة من الغاز الطبيعي سنوياً. وبسعر 0.40 دولار أمريكي للمتر المكعب، يصل التوفير في تكاليف الوقود إلى ما بين 150,000 و200,000 دولار أمريكي سنوياً.

إجراء تحليل الاحتراق

يُجرى تحليل الاحتراق باستخدام جهاز تحليل غازات الاحتراق المحمول. يقيس الجهاز الأكسجين (O2)، وأول أكسيد الكربون (CO)، وثاني أكسيد الكربون (CO2)، وأكسيد النيتروجين (NO)، وثاني أكسيد النيتروجين (NO2)، ودرجة الحرارة في غاز العادم. يستغرق التحليل من 30 إلى 60 دقيقة لكل موقد، والإجراء كالتالي:

1. قم بتشغيل الفرن وارفع درجة حرارته إلى درجة حرارة التشغيل.

2. 2. أدخل المسبار في تيار غاز العادم بالقرب من الموقد.

3. 3. سجل تركيبة غازات الاحتراق عند معدل الاحتراق الحالي.

4. 4. اضبط نسبة الهواء إلى الوقود للوصول إلى قيمة الأكسجين المستهدفة.

5. 5. تحقق من أن نسبة أول أكسيد الكربون أقل من الحد المسموح به (عادةً 50 جزءًا في المليون مصححة إلى 3 بالمائة من الأكسجين).

6. 6. كرر ذلك لكل معدل إطلاق نار في نطاق التشغيل.

تتراوح نسبة الأكسجين المستهدفة في الموقد عالي السرعة المُستعاد للوقود بين 3 و5% (أي ما يعادل زيادة في الهواء بنسبة 15 إلى 25%). أما في الموقد منخفض أكاسيد النيتروجين المزود بنظام إعادة تدوير غازات الاحتراق، فتتراوح نسبة الأكسجين المستهدفة بين 5 و8%. ويجب ألا يتجاوز تركيز أول أكسيد الكربون 50 جزءًا في المليون عند نسبة الأكسجين المستهدفة.

إذا تجاوز تركيز أول أكسيد الكربون 50 جزءًا في المليون عند مستوى الأكسجين المستهدف، فإن الموقد يحتاج إلى صيانة. من أكثر الأسباب شيوعًا لارتفاع تركيز أول أكسيد الكربون: تآكل فتحات الموقد (يُستبدل الموقد)، واتساخ فتحات الموقد (يُنظف الموقد)، وعدم تطابق نسبة الهواء إلى الوقود (يُعاد ضبط وحدة التحكم في النسبة).

مشاكل الاحتراق الشائعة

المشكلة الأولى: زيادة نسبة الهواء في العادم. تظهر هذه المشكلة على شكل ارتفاع نسبة الأكسجين في العادم (أكثر من 5% في حالة الموقد عالي السرعة)، وارتفاع درجة حرارة العادم، وانخفاض كفاءة استهلاك الوقود. عادةً ما يكون السبب هو خلل في نسبة الهواء إلى الوقود، أو تسرب في صمام التحكم بالهواء، أو عدم محاذاة الموقد. ويتمثل الحل في إعادة ضبط النسبة، أو إصلاح صمام التحكم بالهواء، أو إعادة محاذاة الموقد.

المشكلة الثانية: ارتفاع نسبة أول أكسيد الكربون. تظهر الأعراض بارتفاع نسبة أول أكسيد الكربون في العادم عن 50 جزءًا في المليون، وظهور دخان في العادم، وربما تراكم السخام على المادة المراد حرقها. عادةً ما يكون السبب انخفاض نسبة الهواء إلى الوقود (نقص الهواء)، أو تلف الموقد، أو انسداد مدخل الهواء. الحل هو زيادة كمية الهواء، أو استبدال الموقد، أو تنظيف مدخل الهواء.

المشكلة الثالثة: ارتفاع نسبة أكاسيد النيتروجين. يظهر ذلك من خلال ارتفاع تركيز أكاسيد النيتروجين في العادم إلى أكثر من 100 جزء في المليون. عادةً ما يكون السبب هو ارتفاع معدل الاحتراق مع عدم كفاية إعادة تدوير غازات الاحتراق، أو عدم محاذاة الموقد، أو زيادة نسبة الهواء الزائد. يكمن الحل في تركيب أو ضبط مُعاد تدوير غازات الاحتراق، أو إعادة محاذاة الموقد، أو تقليل نسبة الهواء الزائد.

المشكلة الرابعة: احتراق غير منتظم. تتمثل الأعراض في تذبذب درجة حرارة الفرن، وتذبذب نسبة الأكسجين في العادم، وعدم انتظام التسخين. عادةً ما يكون السبب هو تلف وحدة التحكم في نسبة الاحتراق، أو تسرب في صمام التحكم بالهواء، أو تذبذب ضغط الغاز. ويتمثل الحل في استبدال وحدة التحكم، أو إصلاح صمام التحكم بالهواء، أو تركيب منظم ضغط غاز.

أنظمة التحكم في نسبة الهواء إلى الوقود

تستخدم أنظمة التحكم الحديثة لأفران الغاز وحدة تحكم بنسبة متقاطعة للحفاظ على نسبة الهواء إلى الوقود عند القيمة المثلى عبر نطاق الاحتراق بأكمله. يربط تصميم هذه الوحدة صمامات الهواء والغاز بحيث يكون الهواء دائمًا متقدمًا قليلًا عن الغاز (أو متأخرًا قليلًا، حسب نوع الموقد). يمنع هذا الموقد من أن يصبح خليط الوقود والهواء فقيرًا عند زيادة الاحتراق أو غنيًا عند تقليله.

يستخدم جهاز التحكم في نسبة الوقود مقياس تدفق الوقود (أو إشارة ضغط الغاز) ومقياس تدفق الهواء لحساب نسبة الهواء إلى الوقود الفعلية. تُقارن النسبة المحسوبة بالنسبة المستهدفة، ويتم تعديل مخمد الهواء للحفاظ على النسبة المستهدفة. كما يحتوي جهاز التحكم على مدخل ضبط من محلل الأكسجين، والذي يُصحح الانحراف طويل الأمد في نسبة الهواء إلى الوقود.

يحافظ جهاز التحكم الدقيق في نسبة الهواء إلى الوقود على هذه النسبة ضمن نطاق 2% من النسبة المستهدفة في كامل نطاق إطلاق النار. أما جهاز التحكم غير الدقيق فقد ينحرف بنسبة تتراوح بين 10 و20%، مما يؤدي إلى انخفاض الكفاءة وزيادة الانبعاثات.

الصيانة السنوية للاحتراق

توصي شركة مونتي إنتليجنس بإجراء صيانة دورية سنوية لجميع أفران الغاز. يقوم مهندس صيانة بإجراء هذه الصيانة، وتشمل: تحليل الاحتراق لكل موقد بثلاثة معدلات احتراق (منخفض، متوسط، مرتفع)، ومعايرة وحدة التحكم في نسبة الاحتراق، وفحص جهاز الإشعال وقضيب اللهب، وفحص صمام الهواء وصمام الغاز. تستغرق الصيانة من يوم إلى يومين لكل فرن، ويبلغ متوسط ​​توفير الطاقة من 3 إلى 8 بالمئة خلال الاثني عشر شهرًا التالية من التشغيل.

يتم استرداد تكلفة الصيانة الدورية خلال شهر إلى ثلاثة أشهر من خلال انخفاض تكلفة الوقود. كما تكشف الصيانة الدورية عن مشاكل في الموقد وأنظمة التحكم التي قد تتسبب في توقف غير مخطط له عن العمل إذا لم يتم إصلاحها.

تحدث إلى مونتي إنتليجنس حول ضبط الاحتراق

بالنسبة للمشترين المهتمين بتحسين أداء الاحتراق في أفران الغاز الموجودة لديهم، يمكن لشركة مونتي إنتليجنس الهندسية تحديد موعد لزيارة فنية وتقديم تقرير مكتوب يتضمن نتائج الاختبارات والتعديلات الموصى بها. تفضل بزيارةwww.cnlymonte.com/products-gas-furnace.html للاطلاع على مواصفات المنتج. لطلب زيارة صيانة، يرجى إرسال بريد إلكتروني إلى helenxu@cnlymonte.com مع كتابة "ضبط الاحتراق" في خانة الموضوع، بالإضافة إلى تفاصيل عن نوع الفرن، وطراز الموقد، وتكلفة الوقود الحالية.