بخش اول
با تمام کوشش هائی که صرف بهبودسازی خارجی آب تغذیه به دیگ بخار با استاندارد از روش آهک داغ همراه با مبادله گر یونی و عبور آب مقطرهای سرد و گرم برگشتی از دستگاه های پولیشر و روغن گیر در صنعت صورت میگیرد.
با این وجود نشت و نفوذ عوامل سختی زا نظیر یون های کلسیم و منیزیم به سیستم آب تغذیه و توانائی ترکیبی این کاتیون ها با آنیون های موجود منجر به تشکیل رسوبات چسبنده مخصوصا در سطوح داخلی لوله ناقل آب که در معرض شعله های آتش قرار دارند میگردند.
ادامه آن موجب افزایش درجه حرارت در پوسته خارجی لوله ها میشود که در نهایت منتهی به از کار افتادگی دیگ بخار خواهد شد، لذا لزوم بهبودسازی داخلی آب تغذیه به دیگ بخار از هر نظر ضروری است.
کنترل تشکیل رسوب در دیگ بخار (Boiler Deposit Formation And Control)
شرایط بهبودسازی آب تغذیه به دیگ بخار مربوط به فشار عملیاتی، طراحی، مقدار انتقال حرارت و استفاده از بخار تولید شده میباشد. بیشتر آب های مصرفی جهت تغذیه به دیگ بخار از طریق نرم سازی با مبادله گرهای یونی یا آب عاری از آنیون و کاتیون تامین میشود.
هر چند میزان سختی آب های مصرفی در دیگ بخار بین ۰۱/۰ الی ۲ قسمت در میلیون است ولی همین مقدار به ظاهر ناچیز میتواند باعث تشکیل رسوب در دیگ بخار گردد.
کربنات کلسیم Calcium Carbonat
حلالیت کربنات کلسیم در صورت موجود نبودن دی اکسیدکربن در محیط برابر ۱۴ قسمت در میلیون در ۲۵ درجه سانتی گراد است. چنانچه دی اکسیدکربن در محیط یافت گردد، فعل و انفعالاتی در شرح زیر بین کربنات کلسیم و دی اکسیدکربن انجام میشود که نتیجه آن تشکیل بی کربنات کلسیم است.
حلالیت بی کربنات کلسیم در ۲۵ درجه سانتی گراد بین ۳۰۰ الی ۴۰۰ قسمت در میلیون میباشد.
CaCo۳ +Co۲ +H۲o?ca(HCO۳)۲
به عبارت دیگر، چنانچه آبی محتوی بیکربنات کلسیم باشد، در اثر حرارت تبدیل به اجزاء زیر میگردد:
↓ca(HCO۳)۲ ?CaCo۳ ? + Co۲ ?+ H۲o
قدرت رسوب گذاری کربنات کلسیم از طریق اندلیس لانژلیر مشخص میگردد که مربوط به مقدار نمک های محلول، درجه حرارت، سختی کلسیمی، قلیائیت کل و PH میباشد.
چنانچه عامل بالقوه ای جهت تشکیل رسوب در قسمت های قبل از دیگ بخار موجود باشد، برای جلوگیری از تشکیل آن لازم است دقت بیشتری نسبت به بهبودسازی خارجی جهت حذف یا کاهش کلسیم یا قلیائیت اقدام نمود.
ضمنا استفاده از مواد شیمیایی کنترل کننده رسوب همراه با پخش کننده های آلی که مانع از چسبیدن و رسوب کردن میشوند توصیه گردیده است.
رسوبات فسفاتی Phosphate Deposits
استفاده نادرست از فسفات یا قلیا به تنهائی و یا مخلوطی از آنها در تجهیزات قبل از دیگ بخار موجب تشکیل رسوب در قسمت های مختلف آن به جای دیگ بخار خواهد گردید.
فعل و انفعالات ناخواسته زیر موجب تشکیل رسوب به شرح زیر میگردد.
? ۳ca+۲+۲Po۰۳۴ ?ca۳ (po۴)۲
↓ca+۲+HCO–۳ +OH–? caco۳ ? +H۲o
↓? Mg+۲ +۲OH– ?Mg(OH)۲
↓? ۳Mg+۲ +۲OH +2sio-۲۳ + H۲o ?2Mg sio۳ Mg(OH)۲ H۲o
↓? ۴Mg+۲ +۲OH +2po۴ -۳ ?۲Mg (po۴)۲ Mg(OH)۲
تشکیل فسفات کلسیم و سیلیکات منیزیم در داخل دیگ بخار به دلیل خارج شدن آنها از طریق زیرآب قابل قبول میباشد ولی تشکیل آنها در قسمت های مختلف قبل از دیگ بخار به دلیل عدم امکان خارج نمودن آنها به هیچ وجه مطلوب نخواهد بود.
فسفات منیزیم و کربنات کلسیم هر دو از رسوبات چسبنده میباشند، لذا از حضور آنها در قسمت های قبل از دیگ بخار و داخل دیگ بخار باید جدا خودداری نمود.
حداقل نمودن رسوبات فسفاتی
جهت حداقل نمودن رسوبات فسفاتی در تجهیزات قبل از دیگ بخار بهتر است فسفات مستقیما به داخل دیگ بخار تزریق گردد. تزریق مواد قلیائی به قسمت های قبل از دیگ بخار، حداقل اقدامی است که برای کنترل خوردگی صورت میگیرد.
چنانچه موانعی در شرایط تزریق مستقیم فسفات به دیگ بخار موجود باشد لازم است نسبت به استفاده ترکیبی از پلی فسفات -کلنت یا پلیمر شرایط سلز لجن همراه با پخش کننده های آلی اقدام گردد.
این عمل موجب کاهش ته نشینی و چسبندگی نمک های سختی زا به سطوح فلزی دیگ بخار مخصوصا در مواقعی که اکونومایزرها در سرویس هستند خواهد گردید.
تشکیل رسوب در اثر محصولات خوردگی (Scale Formation Due To Corrosion Products)
محصولات خوردگی از آهن و مس در آب مقطر برگشتی موجب رسوب گرفتگی و یا چسبندگی در تجهیزات قبل از دیگ بخار خواهند گردید. کنترل آب مقطر برگشتی از نظر مقدار یون فلزی، درجه خورندگی لزوم تزریق صحیح مواد شیمیایی بازدارنده خوردگی به آن ضروری میباشد.
چنانچه مواد شیمیائی بازدارنده خوردگی به سیستم آب مقطر تزریق نگردد لازم است تجهیزاتی نظیر صافی ها و پولیشرها برای خارج نمودن اکسیدهای فلزی آهنی و مسی اختصاص یابد، در آب جبرانی مقداری آهن محلول به صورت بیکربنات آهن یافت میگردد.
آبی با چنین خصوصیات میتواند در اثر حرارت و یا در معرض هوا قرار گرفتن شروع به ته نشینی و رسوب ترکیبات آهن به شرح زیر نماید:
↓? ۴Fe(HCO۳ )۲ +O۲ +۲H۲o ?4Fe (OH)۳ ? +۸CO۲
↓? Fe(HCO۳ )۲ +Heat ?Fe(OH)۲ ? +۲CO۲
↓? ۴Fe(OH)۲ + O۲+۲H۲o ?4Fe (OH)۳
↓۲Fe (OH)۳? Fe۲o۳? +۳H۲o
رسوب آهن
به علت چسبنده بودن رسوب آهن، مقدار آن در تجهیزات قبل از دیگ بخار باید در حداقل نگهداری شود، زمانی که مقدار آهن در آب جبرانی کمتر از یک قسمت در میلیون بوده و با هوا در تماس نباشد سیستم مبادله گر یونی در سیکل سدیم نسبت به حذف آهن به نحو رضایت بخشی اقدام خواهد نمود.
لازم به ذکر است که مانع شدن تماس آب با هوا معمولا مشکل میباشد. بهترین روش شناخته شده جهت حذف آهن استفاده از هوادادن (در صورت عملی بودن میتوان نسبت به تسریع اکسیداسیون توسط کلرزنی اقدام نمود)، نگهداری و سپس صاف کردن میباشد، احیاء سازی زئولیت منگنز با پرمنگنات سدیم میتواند کمکی در حذف آهن در آب جبرانی باشد.
گردش آب در دیگ بخار Boiler Circulation
شکل های ۱-۱۴ و ۲-۱۴ نمایانگر فرایند گردش آب در دیگ بخار میباشد. بخش چپ تیوب U شکل نشان دهنده تیوب های پایین رونده است که محتوی آب نسبتا سرد میباشد. بخش راست تیوب مشخص کننده تیوب های مولد بخار هستند که در معرض حرارت قرار دارند.
حرارت رسیده به تیوب و انتقال آن به آب موجب حباب های بخار میگردد که سبب جریان های جابجایی و نهایتا گردش آب خواهد گردید. افزایش حرارت منجر به تولید بخار بیشتر میشود که در نتیجه به افزایش مقدار گردش آب در دیگ بخار منتهی خواهد شد.
شکل ۱-۱۴ نشان دهنده گردش آب و تولید بخار در مدار گردشی تمیز – شکل ۲-۱۴ نشان دهنده گردش/آب و تولید بخار همراه با رسوب
شکل ۲-۱۴ نمایانگر تشکیل رسوب در تیوب یو شکل میباشد. وجود رسوب در تیوب موجب زبری سطح و کاهش قطر تیوب میشود که در نتیجه موجب کاهش جریان خواهد گردید.
تولید بخار
چون مقدار مشخصی از حرارت مقدار مشابهی از بخار تولید مینماید، لذا نسبت بخار به آب در تیوب تولید بخار افزایش مییابد، در نتیجه آب موجود در لوله غلیظ تر شده و تمایل آن به تشکیل رسوبات حاوی نمک در دیگ بخار افزایش مییابد.
افزایش قطر رسوبات میتواند شرایط حادی را در دیگ بخار ایجاد نماید. از جمله این شرایط میتواند کاهش جریان در دیگ بخار باشد که به جدایش زودرس بخار به آب منجر خواهد گردید.
چنانچه این پدیده در تیوب داخل کوره اتفاق افتد، از کار افتادگی دیگ بخار در اثر افزایش دما در تیوب حتمی میباشد.
در مواقعی که رسوب نازک است احتمال پارگی تیوب بعید میباشد ولی این موضوع موجب کاهش ضریب اطمینان در طراحی دیگ بخار خواهد شد.
شکل ۳-۱۴ جریان بر حسب حرارت ورودی در دیگ بخار-شکل ۴-۱۴ نیروهای متقابل روی یک ذره موجود در آب، بارهای سطحی ممکن است باعث جذب ذرات به رسوب گردند. تا نقطه جدایش زودرس بخار-آب، سرعت گردش متناسب با افزایش حرارت اضافه میگردد.
غالبا همانطور که در شکل ۳-۱۴ نشان داده شده است نقطه عطف (۱) بالاتر از ظرفیت اسمی دیگ بخار است.
چنانچه مدار کثیف باشد، نقطه عطف به سمت چپ تغییر جهت خواهد داد که موید کاهش کلی در جریان گردشی آب بوده و این موضوع از طریق منحنی خط چین نشان داده شده است.
باید توجه داشت که جریان گردش آب و رسوب دهی ارتباطی تنگاتنگ با هم دارند. راسب شدن ذرات معلق تابعی از حرکت آب و بار سطحی میباشد که در شکل ۴-۱۴ نشان داده شده است.
چنانچه بار سطحی روی یک ذره نسبتا خنثی باشد از نظر تمایل، ذره مذکور ممکن است به دیواره تیوب چسبیده و یا بصورت معلق باقی بماند در حالیکه یک جریان گردشی مناسب، اجازه چسبیدن ذره را به دیواره تیوب نخواهد داد.
چنانچه جریان گردشی کافی نباشد ذرات خنثی تمایل چسبیدن به دیواره تیوب را پیدا مینمایند. در حالیکه جریان گردشی خیلی پائین، موجب تبخیر کلی گردیده و در این حالت نمک های سدیم محلول شروع به رسوب شدن مینمایند.
کنترل رسوبات Scales Control
روش و مواد شیمیایی مصرفی جهت کنترل رسوبات در دیگ بخار شامل فعل و انفعالات استویکیومتری و غیراستویکیومتری میشوند که در مورد هر یک توضیحاتی داده خواهد شد.
فعل و انفعالات استویکیومتری Stoichiometry Reaction
مواد شیمیائی مصرفی جهت کنترل رسوب در دیگ بخار که به روش استویکیومتری با ناخالصی های موجود در آب تغذیه به دیگ بخار ترکیب و موجب تغییر در ساختمان شیمیائی آنها میگردند، شامل، کربنات ها، فسفات ها و کلنت ها میباشند.
به کارگیری کربنات کلسیم برای کاهش رسوبات بویلر
از نظر تاریخی اولین فعل و انفعالاتی که موثرا جهت کنترل رسوب در دیگ بخار بطور عملی بکار گرفته شد استفاده از کربنات سدیم برای جلوگیری و کاهش در رسوب دادن سولفات کلسیم طبق روابط زیر بود:
↓? Ca+۲ +SO-۲۴?CaSO۴
↓? Ca+۲ +SO-۲۳?CaSO۳
هدف اصلی استفاده از کربنات سدیم، رسیدن به کربنات کلسیم به جای سولفات کلسیم مشکل ساز بود.
(CO۳-۲) > (K۱ So1.Prod,CaCo۳ / K۲ So1.Prod,CaCo۴ )* (SO۴-۲)
K۱ و K۲ به ترتیب ضریب حلالیت کربنات کلسیم و سولفات کلسیم میباشند. ضمن اینکه حلالیت کربنات کلسیم و سولفات کلسیم متناسب با حرارت تغییر میکند نسبت یون کربنات به یون سولفات هم متناسب با فشار دیگ بخار خواهد بود. چگونگی کنترل برنامه سیکل کربنات در (شکل ۵-۱۴) آمده است.
بسیاری از نارسائی ها در برنامه کربنات عدم کنترل در غلظت های از کربنات کلسیم در درجات حرارت بالا میباشد، که موجب تجزیه آن به عامل خورنده ای از دی اکسید کربن میگردد. هر چند کربنات کلسیم را میتواند نسبت به سولفات کلسیم راحت تر از محیط خارج نموده ولی راسب شدن آن از اشکالات دیگر میباشد.
شکل۵-۱۴ نسبت سولفات کلسیم برای آب دیگ بخار
به کارگیری فسفات کلسیم برای کاهش رسوبات بویلر
بعلت مشکلاتی که در ارتباط با سیکل برنامه کربنات وجود داشت بررسی هائی جهت اصلاح آن صورت گرفت، در نتیجه در سال ۱۹۲۰ آقای هال موفق به کشف فسفات به جای کربنات شد. نتیجه فعل و انفعالات مربوطه تشکیل کلسیم میباشد.
? ۳Ca+۲ +۲PO-۳۴?Ca۳(PO۴)۲
اقدامات مربوطه معلوم داشت که در دیگ بخار با فشار ۱۵۰ پاوند بر اینچ مربع و با حضور ۴ قسمت در میلیون فسفات میتوان تا حدود ۱۰۰۰ قسمت در میلیون سولفات را بدون تشکیل سولفات کلسیم تحمل نمود، ولی در عوض فسفات کلسیم ایجاد شده شدیدا غیرمحلول است.
به کارگیری هیدرات کلسیم برای کاهش رسوبات بویلر
هیدراتی به منظور تشکیل هیدروکسی آپاتیت کلسیم یا نمک های کلسیم غیرچسبنده مورد نظر میباشد که فعل و انفعالات آن به شرح زیر است:
۱۰ CaCO۳ +۶Na۳Po۴ +۲NaOH ?{Ca۳ (Po۴)۲}۳ . Ca(OH)۲ ? +۱۰ Na۲CO۳
کلسیم هیدروکسی آپاتیت نسبتا نرم و غیرچسبنده بوده و به آسانی از طریق زیر آب دیگ بخار خارج میگردد. فسفات هایی که جهت بهبود سازی داخلی آب تغذیه به دیگ بخار استفاده میگردند.
شامل اورتوفسفات، مونوسدیم (NaH۲PO۴)، دی اکسید فسفات (NaHPO۴)، تری سدیم فسفات (Na۳ PO۴) و یا پلی فسفات ها نظیر سدیم تری پلی فسفات (Na۵P۳O۷)، هگزا متافسفات ۶ (Na۳ PO۳) و یا تتراپتاسیم پیروفسفات (K۴P۲O۷) میباشند. سومین ماده شیمیائی که با ناخالص های موجود در آب دارای فعل و انفعالات استویکیومتری است، کلنت ها میباشند.
کلنت های مورد استفاده جهت بهبود سازی داخلی آب تغذیه به دیگ بخار شامل اتلین دی آمین تترااستیک اسید(EDTA ) نیتریلوتری استیک اسید (NTA) میباشند که در شکل ۱۱-۴ ترکیب EDTA با کلسیم نشان داده شده است.
چنانچه Ch معادل غلظت کلنت و m معادل غلظت کاتیونی و Chm غلظتی از ترکیب پیچیده باشد، ثابت پایداری عبارت خواهد بود از:
↓ (Ks = (Chm)/(Ch)(m
ثابت پایداری تابع شرایط داده شده از ترکیب پیچیده از کلنت -کاتیون است، که تعریف لگاریتمی دارد چنانچه غلظت ملکولی دو کاتیون بطور مساوی در محلولی از کلنت قرار گرفته باشد.
ابتدا کاتیونی که دارای ثابت پایداری بیشتری است با مقدار زیادتری از کلنت ترکیب و سپس کاتیون با ثابت کمتر ترکیب خواهد گردید. فرض کلی بر این اصل میباشد که غلظت کلنت در محلول کمتر از مقدار مورد نیازی است که برای فعل و انفعالات تمام کاتیون های اضافه شده مصرف خواهد گردید.
توجه خاص به استفاده از کلانت در دیگ بخار از این رو تمام کاتیون های اضافه شده کلانت با کاتیون ترکیب میشود یا با آنیون که بصورت رسوب در خواهد آمد. پاسخ این سوال با مقایسه ثابت پایداری کلنت با حاصل ضرب حلالیت از آنیون و کاتیون جواب داده میشود.
پایداری کلنت
پایداری گرمائی هر دو کلنت از EDTA و NTA به درجه حرارت، PH آب دیگ بخار، عوامل اکسید کننده و نمک های موجود در دیگ بخار ارتباط دارد و معمولا عوامل مکانیکی نظیر گرم شدن نقطه ای در اثر افزایش موضعی درجه حرارت و زمان توقف آب در دیگ بخار در پایداری کلنت ها موثر هستند.
فشار دیگ بخار و یا درجه حرارت به تنهائی جوابگوی پایداری کلنت ها نمیباشند. بطور کلی استفاده از NTA در دیگ بخار تا فشار ۹۰۰ پاوند بر اینچ مربع یا کمتر بسیار موثر بوده و مصرف EDTA برای دیگ بخار تا ۱۲۰۰ پاوند بر اینچ مربع توصیه میگردد.
در شروع استفاده از کلنت لازم است دیگ بخار کاملا تمیز بوده و عاری از رسوبات باشد. ضمنا وجود روغن در حد کمتر از یک قسمت در میلیون برای کلنت در گرفتن کاتیون ها مشکل ساز میباشد، لذا میبایستی از ورود آن به دیگ بخار ممانعت گردد.
منبع : نقش آب و کنترل خوردگی در صنایع مولف: سید احمد پیشنمازی
طبقه بندی بویلرها – سری مقالات روش های پیشگیری از رسوبات بویلرها (قسمت اول)
انواع بویلرها و عملکرد آن ها – روش های پیشگیری از رسوبات بویلرها (قسمت دوم)
روش های پیشگیری از رسوب دیگ بخار و بویلرها (قسمت سوم)
روش های پیشگیری از رسوبات بویلرها (قسمت پنجم)