یکی از کاربردهای آب در صنایع ، به کارگیری آن در دیگ­های بخار به منظور ایجاد بخار(Staem) و استفاده از آن برای تولید برق می­باشد. دیگ بخار یا بویلر در تعریف عبارت از مخزنی(Vessel) است که آب یا هر سیال دیگری حرارت داده می­شود. بخار یا سیال خارج شده از بویلر برای فرآیندهای گوناگون یا کاربردهای حرارتی استفاده می­شود. آبی که برای دیگ بخار به کار می­رود باید زلال، بدون سختی(Soft) ، فاقد گازهای اکسیژن و دی­اکسید کربن ، فاقد اسید آزاد و مواد آلی باشد. تغذیه دیگ­های بخار با آبهای معمولی ،   دشواری­های زیادی به وجود می­آورد که می­توان آنها را به سه بخش دسته بندی نمود:

الف) خوردگی  جداره بویلر، صفحات یا تیوب­های گرم کننده و میخ پرچ­ها که سبب ایجاد شیار، ترکیدگی دیگ بخار و گاهی سبب انفجار می­شود.
ب) کف کردن و جوشیدن شدید(غلیان) آب و انتقال ذرات آب غنی از نمک­های حلشده به قسمت­های دیگر  به ویژه توربین­های بخار که سبب بروز دشواری­های عمده­ای می­شود.

ج) تشکیل رسوب بر جداره دیگ بخار و لوله­های انتقال آب داغ که سبب ضخیم شدن جداره دیگ، کاهش میزان انتقال گرما، افزایش مصرف سوخت و بالا رفتن هزینه گرمایش و ... می­شود.

در ادامه هریک از این مشکلات ، چگونگی پیشگیری و جلوگیری از آنها به همراه آزمایش­های کنترل کیفیت آب­های صنعتی بررسی می­شود.

2-1) پدیده خوردگی  یا Corrosion

    خوردگی فلزات پدیدة مخرب و هزینه آفرینی است که همه ساله موجب هدر رفتن مبالغ هنگفتی از سرمایة کشورها می‌گردد. بنابر آمار منتشر شده در هر 10 ثانیه حدود 900 کیلوگرم آهن در سراسر جهان خورده می‌شود. چنین سرعت شگفت‌انگیزی باعث شده است تا 25 الی 35 درصد کل تولید فولاد جهان صرف جانشینی قطعات فرسوده شود. تخریب ماده(فلز)در اثر واکنش با یک محیط، خوردگی نامیده می‌شود. خوردگی بیشتر در مورد فلزات مطرح است و عمدتاً این پدیده براساس واکنش‌های شیمیایی یا الکتروشیمیایی فلزات یا آلیاژها صورت می‌گیرد. دو شیوه مهم تقسیم بندی خوردگی عبارتند از:

الف) ریخت‌شناسی یا مورفولوژی(Morphology )خوردگی

ب) مکانیزم خوردگی

 با این حال آنچه از دیدگاه سازوکار پدیدة خوردگی مهم است عبارت از چهار دسته زیر می‌باشد:

 1) خوردگی شیمیایی Chemical Corrosion

2) خوردگی الکتروشیمیایی Electrochemical Corrosion

3)  خوردگی بیوشیمیایی  Biochemical Corrosion

 4) خوردگی خشک  Dry Corrosion

    از چهار نوع ذکرشده، خوردگی عمدتاً از نوع الکتروشیمیایی می‌باشد. همچنین به سبب تعادلی بودن پدیدة خوردگی، انواع تعادل‌های الکتروشیمیایی (Electrochemical Equilibrium ) مورد نظرخواهد بود.

    واکنش‌های الکتروشیمیایی به بخش عمده‌ای از فرآیندهای مبادله الکترون گفته می‌شوند که در سطح مشترک(Interface )الکترود و محلول انجام گیرد. اگر طی واکنش الکترون‌ها مصرف شوند واکنش از نوع کاهش(Reduction ) و در صورت آزاد شدن الکترون‌ها واکنش ازنوع اکسایش(Oxidation) خواهد بود. به عبارتی هر الکترودی که بتواند در نقش دهنده الکترون(به گونه‌های درون الکترولیت) عمل کند، در سطح آن واکنش اکسایش انجام می‌گیرد؛ چنین الکترودی Anode است و برعکس الکترودی که بتواند نقش گیرنده الکترون را ایفاء نماید، جایگاه واکنش کاهش بوده و Cathode نامیده می‌شود. به عنوان مثال خوردگی آهن در محیط مرطوب که نقش محلول یا الکترولیت را ایفاء می‌کند، مجموع واکنش اکسایش Fe  به Fe2+  در قسمتی از آهن به عنوان آند و کاهش اکسیژن موجود در هوا(در محیط مرطوب) در قسمت دیگر آن یعنی کاتد، می‌باشد. واکنش‌های لازم در زیر آورده شده است:

 همان‌طوری‌که ذکر شد فرآیند الکتروشیمیایی خوردگی آهن در آب به گونة زیر می‌‌باشد:

Anodic Reaction           Fe(S)                            Fe2+(aq)  + 2e-

Cathodic Reaction       ½ O2  + H2O + 2e-                 2OH-(aq)   

Total Reaction             Fe2+(aq)  +  2OH-(aq)                  Fe(OH)2 (S)

    در سیستمی که با هوا تماس دارد اکسیژن مصرف شده به طور پی‌درپی جایگزین شده و بدین‌گونه خوردگی به طور پیوسته ادامه می‌یابد. البته در صورت عدم حضور اکسیژن، یون و یا مولکول‌های دیگری نظیر H+ و CO2 در کاتد وارد عمل می‌شوند و موجب پیشروی پدیده خوردگی می‌گردند؛ به عنوان نمونه می‌توان از حضور یون‌های هیدروژن و یا مولکول CO2   نام برد. واکنش‌های مربوط به شکل زیر می‌باشد.

Anodic Reaction           Fe(S)                         Fe2+(aq)  + 2e-

Cathodic Reaction        2H+ + 2e-                 H2(g)   

و یا در حضور دی‌اکسید کربن خوردگی به شیوه زیر پیش می‌رود:

Anodic Reaction           Fe(S)                             Fe2+(aq)  + 2e-

Cathodic Reaction   2CO2(g)  + 2H2O + 2e-                 2HCO3-(aq) + H2(g)   

                                   Fe2+(aq)  +  2HCO3-(aq)                   Fe(HCO3)2

                             Fe(HCO3)2  + 2H2O                  2Fe(OH)3 + H2 + 4 CO2

 

((محیط مرطوب))

 

                        Fe2+     Fe2++  2OH-(aq)                   OH-      OH-      OH-      OH-

                    Fe2        Fe2+                                O2     O2     O2     O2     O2

                                               Fe(OH)2

                                                      2e-                                    

                              Anode                                                 Cathode

                                                    

 

      البته در عمل، سیستم آند وکاتد نشان داده شده در شکل بالا به تعداد بسیار زیادی بر سطح یک فلز وجود دارد و علل پیدایش آن‌ها به ترتیب زیر پیش‌بینی شده است:

1- عدم یکنواختی در سطح فلز که ضمن ریخته‌گری(Casting) و دیگر عملیات فلزکاری(Metallurgy ) ایجاد می‌شود.

2-  کشش ناشی از جوشکاری(Welding )، شکل دادن و غیره.

3- اختلاف در ترکیب فلز در سطح.  برخی مواقع این امر ناشی از ناهماهنگی در ساختار ریز فلز                 (Micro structure) و یا وجود مواد ناخالص می‌باشد.

    لازم به ذکر است یکی از نمک‌های مهمی که ممکن است در آب موجود بوده و باعث خوردگی شدید دیگ بخار شود، MgCl2  است. مکانیسم خوردگی به شکل زیر پیشنهاد شده است:

MgCl2 + 2H2O                    Mg(OH)2 + 2HCl

Fe  +  2HCl                       FeCl2 + H2

Mg(OH)2 + 2 FeCl2                                Fe(OH)2 + MgCl2

    چنانکه مشاهده می‌شود طی روند خوردگی، MgCl2  تولید ‌شده و چرخه واکنش‌ها ادامه می‌یابد. از نمک‌های مهم دیگر MgSO4 می‌باشد، به ویژه زمانی‌که در مجاورت NaCl باشد، چراکه طی یک واکنش جانشینی دوگانه(Metathesis Reaction ) موجب ایجاد نمک کلراید منیزیم می‌گردد.

MgSO4 + 2 NaCl                         MgCl2 + Na2SO4

2-2 ) پدیده‎‎های  حمل،  کف و   غلیان  

    سه پدیده یاد شده از نظر کیفیت مشابه هم هستند و هر سه موجب می‎شوند مواد جامد محلول در آب جوشاورها آنرا ترک نمایند. در اثر این پدیده‎ها آب به صورت قطرات کوچک به همراه بخار داغ حمل و جوشاور را ترک می‎کند. ( یا به عبارتی به همراه Steam حرکت می‎کند)

        ·          پدیده ناخواسته کف( Foaming )، موجب بالا رفتن ظاهری سطح مایع در دیگ بخار می‎شود و این امر به آلوده شدن بخار داغ به وسیله قطرات مایع کمک شایانی می‎کند.

   ·    پدیده ناخواسته غلیان(Priming )، در واقع خروج قسمتی از آب دیگ بخار به وسیله بخار داغ است که این کار به شدت و با تناوب انجام می‎گیرد. در ضمن احتمال دارد این پدیده حتی قسمتی از لجن‎های دیگ بخار را هم به همراه بخار داغ خارج کند.

   ·    گاهی ممکن است بدون اینکه علائم مشخص کف کردن و غلیان وجود داشته باشد، قسمتی از مواد جامد درون بویلرها به وسیله بخار داغ حمل شود که این پدیده حمل(Carryover) نامیده می‎شود.

    چنانچه در یک بویلر کف و غلیان وجود داشته باشد، دیدن سطح واقعی آب درون دیگ از پنجره مربوط مشکل خواهد بود. همچنین خروج مواد جامد محلول به وسیله بخار می‎تواند موجب مشکلات فراوانی به ویژه در کارکرد توربین‎ها شود. بنابراین تا حد امکان می‎باید از ایجاد پدیده‎های یاد شده جلوگیری نمود.

علل ایجاد این پدیده‎ها به ترتیب زیر پیش‎بینی شده است:

1)  بالا بودن مقدار کل جامدات محلول یا TDS که موجب بالا رفتن نقطه جوش محلول می‎شود و از این رو انرژی سینتیک ذرات بخار افزایش یافته و موجب می‎شود این ذرات به هنگام جدا شدن از سطح مایع قسمتی از مایع را نیز با خود حمل کنند.

2)  گازهای محلول در آب موجب تشکیل حباب‎های عایق حرارتی در جداره درونی سطح بویلر می‎شود که مانع انتقال حرارت شده و بدین گونه موجب افزایش آنی و منطقه‎ای دما می‎شود(Hot Zone) و بخارات حاصل که دارای انرژی زیادی هستند قادرند تا قطرات مایع را نیز حمل نمایند.

3)  وجود مواد فعال سطحی(Surfactants ) که کشش سطحی(Surface Tension) را کاهش می‎دهند (نظیر کف‎کننده‎ها، پاک‎کننده‏‎ها، و  …).

4)     وجود قابل توجه قلیائیت کل(Total Alkalinity)

5)     وجود مواد معلق و کلوئیدی در آب دیگ بخار به ویژه سیلیس.

6)      استفاده بیش از حد مجاز ظرفیت بویلر.

2-3) انواع رسوب­ در بویلرها   Boiler Deposits

     اگرچه بیشترین ماده­ای که بر جدار بویلرها رسوب می­کند و بیشترین مشکلات را به وجود                 می­آورد، کربنات کلسیم است اما مواد دیگری هم در رسوبات موجود می­باشد. در                       پژوهش­هایی که با استفاده از پرتونگاری X  بر روی تعداد زیادی از رسوبات انجام شده است وجود ترکیبات فهرست شده در جدول زیر به اثبات رسیده است.

مواد تشکیل دهنده Scale بویلرها

Name(Mineralogy)

Chemical Formula

Acmite

Na2O. Fe2O3. 4SiO2

Analcite

Na2O. Al2O3  , 4SiO2.H2O

Aragonite

CaCO3

Anhydrite

CaSO4

Brucite

Mg(OH)2

Pectolite

Na2O , 4CaO , 6SiO2 . H2O

Thenardite

Na2SO4

Xonotlite

5CaO , 5SiO2 .H2O

Serpentine

3MgO , 2SiO2 .2H2O

Calcite

CaCO3

Cancrinite

4Na2O , CaO , 4Al2O3, 2CO2, 9SiO2 . 3H2O

Quartz

SiO2

Magnetite

Fe3O4

Nozelite

4Na2O , 3Al2O3, 6SiO2 , SO4

Hematite

Fe2O3

Hydroxyapatite

Ca10(OH)2(PO4)6

Wallastonite

CaSiO3

·        مشکلات ناشی از تشکیل رسوب و چسبیدن آن بر جداره بویلر

1) ضخیم شدن جداره بویلر موجب پایین آمدن رسانش گرمایی آن  شده و در نتیجه ، مصرف سوخت برای تولید بخار بیشتر شده  و هزینه بالا می­رود. دلیل این مسئله پایین بودن رسانش گرمایی رسوب نسبت به فلز است به عنوان مثال رسانش گرمایی در مورد فلز مس برابر 330 Cal/m2.hr برای فولاد برابر                                Cal/m2.hr 40 ، برای رسوب کربناتی برابر 6.3 Cal/m2.hr، برای رسوب سولفاتی برابر 2.6 Cal/m2.hr و برای رسوب سیلیسی برابر 0.2 Cal/m2.hr است.

2) گرم شدن بیش از حد بدنه فلزی بویلر، کاهش مقاومت مکانیکی، ایجاد برجستگی­ها و ترکیدگی لایه­های رسوبی در محل این برجستگی­ها. در بویلرهای جدید تشکیل رسوب به ضخامت چند دهم میلی­متر سبب افزایش دمای بدنه فولادی بویلر به  حدود 600 oC می­شود. این بالاترین دمایی است که در آن فولاد مقاومت مکانیکی خود را حفظ می­کند.

3) نفوذ آب از محل ترکیدگی­های رسوب و رسیدن آن به بدنه داغ بویلر، که موجب بروز شکنندگی قلیایی و یا تفکیک آب و تولید هیدروژن و اکسیژن و خوردگی در جدارد بویلر می­شود.

4) کاهش گنجایش بویلر و کاهش میزان بخار به میزان 10-12% ظرفیت اولیه بویلر.

5) کنده شدن احتمالی لایه رسوبی در برخی نقاط بویلر و لوله­های انتقال آب داغ و تماس آب با بدنه فلزی بسیار داغ بویلر و احتمال انفجار

6) گاهی وجود مواد روغنی در آب سبب سخت شدن لایه رسوبی، هیدرولیز روغن و تولید اسید چرب شده و امکان خوردگی را افزایش می­دهد. همچنین بالا رفتن دمای جوش آب طی این کنش­ها و واکنش­ها موجب انتقال ذرات جامد به دیگر بخش­های سیستم می­شود. 

 

 

تعریف heat rate : 

هیت ریت برعکس راندمان است چه فرمولی و چه در مفهوم. 

راندمان برابر است با خروجی سیستم یا کار نسبت به انرژی ورئودی یا خرج شده در سیستم و هرچه راندمان بالاتر یعنی صورت کسر بزرگتر یا مخرج کسر کوچکتر شود بهتر است. 

در هیت ریت انرژی مصرفی نسبت به کار خروجی است و هر چه کمتر باشد بهتر است زیرا صورت کسر کوچکتر و مخرج کسر بزرگتر است که در واقع میزان انرژی هزینه شده برای بدست آوردن کار خروجی می باشد.