کنترل تشکیل رسوب در دیگ بخار

بخش اول

با تمام كوشش هائی كه صرف بهبودسازی خارجی آب تغذيه به ديگ بخار با استاندارد از روش آهك داغ همراه با مبادله گر يونی و عبور آب مقطرهای سرد و گرم برگشتی از دستگاه های پوليشر و روغن گير در صنعت صورت می‌گيرد.

با اين وجود نشت و نفوذ عوامل سختی زا نظير يون های كلسيم و منيزيم به سيستم آب تغذيه و توانائی تركيبی اين كاتيون ها با آنيون های موجود منجر به تشكيل رسوبات چسبنده مخصوصا در سطوح داخلی لوله ناقل آب كه در معرض شعله های آتش قرار دارند می‌گردند.

ادامه آن موجب افزايش درجه حرارت در پوسته خارجی لوله ها می‌شود كه در نهايت منتهی به از كار افتادگی ديگ بخار خواهد شد، لذا لزوم بهبودسازی داخلی آب تغذيه به ديگ بخار از هر نظر ضروری است.

كنترل تشكيل رسوب در ديگ بخار (Boiler Deposit Formation And Control)

شرايط بهبودسازی آب تغذيه به ديگ بخار مربوط به فشار عملياتی، طراحی، مقدار انتقال حرارت و استفاده از بخار توليد شده می‌باشد. بيشتر آب های مصرفی جهت تغذيه به ديگ بخار از طريق نرم سازی با مبادله گرهای يونی يا آب عاری از آنيون و كاتيون تامين می‌شود.

هر چند ميزان سختی آب های مصرفی در ديگ بخار بين 01/0 الی 2 قسمت در ميليون است ولی همين مقدار به ظاهر ناچيز می‌تواند باعث تشكيل رسوب در ديگ بخار گردد.

كربنات كلسيم Calcium Carbonat

حلاليت كربنات كلسيم در صورت موجود نبودن دی اكسيدكربن در محيط برابر 14 قسمت در ميليون در 25 درجه سانتی گراد است. چنانچه دی اكسيدكربن در محيط يافت گردد، فعل و انفعالاتی در شرح زير بين كربنات كلسيم و دی اكسيدكربن انجام می‌شود كه نتيجه آن تشكيل بی كربنات كلسيم است.

حلاليت بی كربنات كلسيم در 25 درجه سانتی گراد بين 300 الي 400 قسمت در ميليون می‌باشد.

CaCo₃ +Co₂ +H₂o?ca(HCO₃)₂

به عبارت ديگر، چنانچه آبی محتوی بی‌كربنات كلسيم باشد، در اثر حرارت تبديل به اجزاء زير می‌گردد:

↓ca(HCO₃)₂ ?CaCo₃ ? + Co₂ ?+ H₂o

قدرت رسوب گذاری كربنات كلسيم از طريق اندليس لانژلير مشخص می‌گردد كه مربوط به مقدار نمك های محلول، درجه حرارت، سختی كلسيمی، قليائيت كل و PH می‌باشد.

چنانچه عامل بالقوه ای جهت تشكيل رسوب در قسمت های قبل از ديگ بخار موجود باشد، برای جلوگيری از تشكيل آن لازم است دقت بيشتری نسبت به بهبودسازی خارجی جهت حذف يا كاهش كلسيم يا قليائيت اقدام نمود.

ضمنا استفاده از مواد شيميايی كنترل كننده رسوب همراه با پخش كننده های آلی كه مانع از چسبيدن و رسوب كردن می‎شوند توصيه گرديده است.

رسوبات فسفاتی Phosphate Deposits

استفاده نادرست از فسفات يا قليا به تنهائی و يا مخلوطی از آنها در تجهيزات قبل از ديگ بخار موجب تشكيل رسوب در قسمت های مختلف آن به جای ديگ بخار خواهد گرديد.

فعل و انفعالات ناخواسته زير موجب تشكيل رسوب به شرح زير می‎گردد.

? 3ca⁺²+2Po⁰³₄ ?ca₃ (po₄)₂

↓ca⁺²+HCO^–₃ +OH^–? caco₃ ? +H₂o

↓? Mg⁺² +2OH^– ?Mg(OH)₂

↓? 3Mg⁺² +2OH +2sio^-2₃ + H₂o ?2Mg sio₃ Mg(OH)₂ H₂o

↓? 4Mg⁺² +2OH +2po₄ ^-3 ?2Mg (po₄)₂ Mg(OH)₂

تشكيل فسفات كلسيم و سيليكات منيزيم در داخل ديگ بخار به دليل خارج شدن آنها از طريق زيرآب قابل قبول می‎باشد ولی تشكيل آنها در قسمت های مختلف قبل از ديگ بخار به دليل عدم امكان خارج نمودن آنها به هيچ وجه مطلوب نخواهد بود.

فسفات منيزيم و كربنات كلسيم هر دو از رسوبات چسبنده می‎باشند، لذا از حضور آنها در قسمت های قبل از ديگ بخار و داخل ديگ بخار بايد جدا خودداری نمود.

حداقل نمودن رسوبات فسفاتی

جهت حداقل نمودن رسوبات فسفاتی در تجهيزات قبل از ديگ بخار بهتر است فسفات مستقيما به داخل ديگ بخار تزريق گردد. تزريق مواد قليائی به قسمت های قبل از ديگ بخار، حداقل اقدامی است كه برای كنترل خوردگی صورت می‌گيرد.

چنانچه موانعی در شرايط تزريق مستقيم فسفات به ديگ بخار موجود باشد لازم است نسبت به استفاده تركيبی از پلی فسفات -كلنت يا پليمر شرايط سلز لجن همراه با پخش كننده های آلی اقدام گردد.

اين عمل موجب كاهش ته نشينی و چسبندگی نمك های سختی زا به سطوح فلزی ديگ بخار مخصوصا در مواقعی كه اكونومايزرها در سرويس هستند خواهد گرديد.

تشكيل 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 يا چسبندگی در تجهيزات قبل از ديگ بخار خواهند گرديد. كنترل آب مقطر برگشتی از نظر مقدار يون فلزی، درجه خورندگی لزوم تزريق صحيح مواد شيميايی بازدارنده خوردگی به آن ضروری می‌باشد.

چنانچه مواد شيميائی بازدارنده خوردگی به سيستم آب مقطر تزريق نگردد لازم است تجهيزاتی نظير صافی ها و پوليشرها برای خارج نمودن اكسيدهای فلزی آهنی و مسی اختصاص يابد، در آب جبرانی مقداری آهن محلول به صورت بی‌کربنات آهن يافت می‌گردد.

آبی با چنين خصوصيات می‌تواند در اثر حرارت و يا در معرض هوا قرار گرفتن شروع به ته نشينی و رسوب تركيبات آهن به شرح زير نمايد:

↓? 4Fe(HCO₃ )₂ +O₂ +2H₂o ?4Fe (OH)₃ ? +8CO₂

↓? Fe(HCO₃ )₂ +Heat ?Fe(OH)₂ ? +2CO₂

↓? 4Fe(OH)₂ + O₂+2H₂o ?4Fe (OH)₃

↓2Fe (OH)₃? Fe₂o₃? +3H₂o

رسوب آهن

به علت چسبنده بودن رسوب آهن، مقدار آن در تجهيزات قبل از ديگ بخار بايد در حداقل نگهداری شود، زمانی كه مقدار آهن در آب جبرانی كمتر از يك قسمت در ميليون بوده و با هوا در تماس نباشد سيستم مبادله گر يونی در سيكل سديم نسبت به حذف آهن به نحو رضايت بخشی اقدام خواهد نمود.

لازم به ذكر است كه مانع شدن تماس آب با هوا معمولا مشكل می‌باشد. بهترين روش شناخته شده جهت حذف آهن استفاده از هوادادن (در صورت عملی بودن می‎توان نسبت به تسريع اكسيداسيون توسط كلرزنی اقدام نمود)، نگهداری و سپس صاف كردن می‌باشد، احياء سازی زئوليت منگنز با پرمنگنات سديم می‎تواند كمكی در حذف آهن در آب جبرانی باشد.

گردش آب در ديگ بخار Boiler Circulation

شكل های 1-14 و 2-14 نمايانگر فرايند گردش آب در ديگ بخار می‎باشد. بخش چپ تيوب U شكل نشان دهنده تيوب های پايين رونده است كه محتوی آب نسبتا سرد می‌باشد. بخش راست تيوب مشخص كننده تيوب های مولد بخار هستند كه در معرض حرارت قرار دارند.

حرارت رسيده به تيوب و انتقال آن به آب موجب حباب های بخار می‌گردد كه سبب جريان های جابجایی و نهايتا گردش آب خواهد گرديد. افزايش حرارت منجر به توليد بخار بيشتر می‌شود كه در نتيجه به افزايش مقدار گردش آب در ديگ بخار منتهی خواهد شد.

شكل 1-14 نشان دهنده گردش آب و توليد بخار در مدار گردشی تميز – شکل 2-14 نشان دهنده گردش/آب و توليد بخار همراه با رسوب

شكل 2-14 نمايانگر تشكيل رسوب در تيوب يو شكل می‎باشد. وجود رسوب در تيوب موجب زبری سطح و كاهش قطر تيوب می‌شود كه در نتيجه موجب كاهش جريان خواهد گرديد.

تولید بخار

چون مقدار مشخصی از حرارت مقدار مشابهی از بخار توليد می‌نمايد، لذا نسبت بخار به آب در تيوب توليد بخار افزايش می‌يابد، در نتيجه آب موجود در لوله غليظ تر شده و تمايل آن به تشكيل رسوبات حاوی نمك در ديگ بخار افزايش می‌يابد.

افزايش قطر رسوبات می‎تواند شرايط حادی را در ديگ بخار ايجاد نمايد. از جمله اين شرايط می‌تواند كاهش جريان در ديگ بخار باشد كه به جدايش زودرس بخار به آب منجر خواهد گرديد.

چنانچه اين پديده در تيوب داخل كوره اتفاق افتد، از كار افتادگی ديگ بخار در اثر افزايش دما در تيوب حتمی می‌باشد.

در مواقعی كه رسوب نازك است احتمال پارگی تيوب بعيد می‌باشد ولی اين موضوع موجب كاهش ضريب اطمينان در طراحی ديگ بخار خواهد شد.

شكل 3-14 جريان بر حسب حرارت ورودی در ديگ بخار-شکل 4-14 نيروهای متقابل روی يک ذره موجود در آب، بارهای سطحی ممکن است باعث جذب ذرات به رسوب گردند. تا نقطه جدايش زودرس بخار-آب، سرعت گردش متناسب با افزايش حرارت اضافه می‌گردد.

غالبا همانطور كه در شكل 3-14 نشان داده شده است نقطه عطف (1) بالاتر از ظرفيت اسمی ديگ بخار است.

چنانچه مدار كثيف باشد، نقطه عطف به سمت چپ تغيير جهت خواهد داد كه مويد كاهش كلی در جريان گردشی آب بوده و اين موضوع از طريق منحنی خط چين نشان داده شده است.

بايد توجه داشت كه جريان گردش آب و رسوب دهی ارتباطی تنگاتنگ با هم دارند. راسب شدن ذرات معلق تابعی از حركت آب و بار سطحی می‌باشد كه در شكل 4-14 نشان داده شده است.

چنانچه بار سطحی روی يك ذره نسبتا خنثی باشد از نظر تمايل، ذره مذكور ممكن است به ديواره تيوب چسبيده و يا بصورت معلق باقی بماند در حاليكه يك جريان گردشی مناسب، اجازه چسبيدن ذره را به ديواره تيوب نخواهد داد.

چنانچه جريان گردشی كافی نباشد ذرات خنثی تمايل چسبيدن به ديواره تيوب را پيدا می‌نمايند. در حاليكه جريان گردشی خيلی پائين، موجب تبخير كلی گرديده و در اين حالت نمك های سديم محلول شروع به رسوب شدن می‌نمايند.

كنترل رسوبات Scales Control

روش و مواد شيميايی مصرفی جهت کنترل رسوبات در ديگ بخار شامل فعل و انفعالات استويکيومتری و غيراستويکيومتری می‌شوند که در مورد هر يک توضيحاتی داده خواهد شد.

فعل و انفعالات استويکيومتری Stoichiometry Reaction

مواد شيميائی مصرفی جهت كنترل رسوب در ديگ بخار كه به روش استويكيومتری با ناخالصی های موجود در آب تغذيه به ديگ بخار تركيب و موجب تغيير در ساختمان شيميائی آنها می‌گردند، شامل، كربنات ها، فسفات ها و كلنت ها می‌باشند.

به کارگیری کربنات کلسیم برای کاهش رسوبات بویلر

از نظر تاريخی اولين فعل و انفعالاتی كه موثرا جهت كنترل رسوب در ديگ بخار بطور عملی بكار گرفته شد استفاده از كربنات سديم برای جلوگيری و كاهش در رسوب دادن سولفات كلسيم طبق روابط زير بود:

↓? Ca⁺² +SO^-2₄?CaSO₄

↓? Ca⁺² +SO^-2₃?CaSO₃

هدف اصلی استفاده از كربنات سديم، رسيدن به كربنات كلسيم به جای سولفات كلسيم مشكل ساز بود.

(CO₃^-2) > (K₁ So1.Prod,CaCo₃ / K₂ So1.Prod,CaCo₄ )* (SO₄^-2)

K₁ و K₂ به ترتيب ضريب حلاليت كربنات كلسيم و سولفات كلسيم می‌باشند. ضمن اينكه حلاليت كربنات كلسيم و سولفات كلسيم متناسب با حرارت تغيير می‎كند نسبت يون كربنات به يون سولفات هم متناسب با فشار ديگ بخار خواهد بود. چگونگی كنترل برنامه سيكل كربنات در (شكل 5-14) آمده است.

بسياری از نارسائی ها در برنامه كربنات عدم كنترل در غلظت های از كربنات كلسيم در درجات حرارت بالا می‌باشد، كه موجب تجزيه آن به عامل خورنده ای از دی اكسيد كربن می‌گردد. هر چند كربنات كلسيم را می‎تواند نسبت به سولفات كلسيم راحت تر از محيط خارج نموده ولی راسب شدن آن از اشكالات ديگر می‌باشد.

شكل5-14 نسبت سولفات کلسيم برای آب ديگ بخار

به کارگیری فسفات کلسیم برای کاهش رسوبات بویلر

بعلت مشكلاتی كه در ارتباط با سيكل برنامه كربنات وجود داشت بررسی هائی جهت اصلاح آن صورت گرفت، در نتيجه در سال 1920 آقای هال موفق به كشف فسفات به جای كربنات شد. نتيجه فعل و انفعالات مربوطه تشكيل كلسيم می‌باشد.

? 3Ca⁺² +2PO^-3₄?Ca₃(PO₄)₂

اقدامات مربوطه معلوم داشت كه در ديگ بخار با فشار 150 پاوند بر اينچ مربع و با حضور 4 قسمت در ميليون فسفات می‌توان تا حدود 1000 قسمت در ميليون سولفات را بدون تشكيل سولفات كلسيم تحمل نمود، ولی در عوض فسفات كلسيم ايجاد شده شديدا غيرمحلول است.

به کارگیری هیدرات کلسیم برای کاهش رسوبات بویلر

هيدراتی به منظور تشكيل هيدروكسی آپاتيت كلسيم يا نمك های كلسيم غيرچسبنده مورد نظر می‌باشد كه فعل و انفعالات آن به شرح زير است:

10 CaCO₃ +6Na₃Po₄ +2NaOH ?{Ca₃ (Po₄)₂}₃ . Ca(OH)₂ ? +10 Na₂CO₃

كلسيم هيدروكسی آپاتيت نسبتا نرم و غيرچسبنده بوده و به آسانی از طريق زير آب ديگ بخار خارج می‌گردد. فسفات هايی كه جهت بهبود سازی داخلی آب تغذيه به ديگ بخار استفاده می‌گردند.

شامل اورتوفسفات، مونوسديم (NaH₂PO₄)، دی اكسيد فسفات (NaHPO₄)، تری سديم فسفات (Na₃ PO₄) و يا پلی فسفات ها نظير سديم تری پلی فسفات (Na₅P₃O₇)، هگزا متافسفات ₆ (Na₃ PO₃) و يا تتراپتاسيم پيروفسفات (K₄P₂O₇) می‌باشند. سومين ماده شيميائی كه با ناخالص های موجود در آب دارای فعل و انفعالات استويكيومتری است، كلنت ها می‌باشند.

كلنت های مورد استفاده جهت بهبود سازی داخلی آب تغذيه به ديگ بخار شامل اتلين دی آمين تترااستيك اسيد(EDTA ) نيتريلوتری استيك اسيد (NTA) می‌باشند كه در شكل 11-4 تركيب EDTA با كلسيم نشان داده شده است.

چنانچه Ch معادل غلظت كلنت و m معادل غلظت كاتيونی و Chm غلظتی از تركيب پيچيده باشد، ثابت پايداری عبارت خواهد بود از:

↓ (K_s = (Chm)/(Ch)(m

ثابت پايداری تابع شرايط داده شده از تركيب پيچيده از كلنت -كاتيون است، كه تعريف لگاريتمی دارد چنانچه غلظت ملكولی دو كاتيون بطور مساوی در محلولی از كلنت قرار گرفته باشد.

ابتدا كاتيونی كه دارای ثابت پايداری بيشتری است با مقدار زيادتری از كلنت تركيب و سپس كاتيون با ثابت كمتر تركيب خواهد گرديد. فرض كلی بر اين اصل می‌باشد كه غلظت كلنت در محلول كمتر از مقدار مورد نيازی است كه برای فعل و انفعالات تمام كاتيون های اضافه شده مصرف خواهد گرديد.

توجه خاص به استفاده از كلانت در ديگ بخار از اين رو تمام كاتيون های اضافه شده كلانت با كاتيون تركيب می‎شود يا با آنيون كه بصورت رسوب در خواهد آمد. پاسخ اين سوال با مقايسه ثابت پايداری كلنت با حاصل ضرب حلاليت از آنيون و كاتيون جواب داده می‎شود.

پایداری کلنت

پايداری گرمائی هر دو كلنت از EDTA و NTA به درجه حرارت، PH آب ديگ بخار، عوامل اكسيد كننده و نمك های موجود در ديگ بخار ارتباط دارد و معمولا عوامل مكانيكی نظير گرم شدن نقطه ای در اثر افزايش موضعی درجه حرارت و زمان توقف آب در ديگ بخار در پايداری كلنت ها موثر هستند.

فشار ديگ بخار و يا درجه حرارت به تنهائی جوابگوی پايداری كلنت ها نمی‌باشند. بطور كلی استفاده از NTA در ديگ بخار تا فشار 900 پاوند بر اينچ مربع يا كمتر بسيار موثر بوده و مصرف EDTA برای ديگ بخار تا 1200 پاوند بر اينچ مربع توصيه می‌گردد.

در شروع استفاده از كلنت لازم است ديگ بخار كاملا تميز بوده و عاری از رسوبات باشد. ضمنا وجود روغن در حد كمتر از يك قسمت در ميليون برای كلنت در گرفتن كاتيون ها مشكل ساز می‌باشد، لذا می‌بايستی از ورود آن به ديگ بخار ممانعت گردد.

منبع : نقش آب و کنترل خوردگی در صنايع مولف: سيد احمد پيشنمازی

کنترل تشکیل رسوب در دیگ بخار -بخش دوم

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)

روش های حفاظت و نگهداری از بویلر در مقابل خوردگی

کنترل تشکیل رسوب در دیگ بخار