پارامترهای مهم در طراحی بویلر:
1-natural circulation
2-pitch point
3-approach point
4-dew point
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.
سلام
ممنون از مقالات مفیدتون درباره بویلر و محاسبات آن