دیگ بخار (بویلر) چیست؟

دیگ بخار یا بویلر یکی از تجهیزات اصلی نیروگاه‌ بخار، پالایشگاه‌ها و پتروشیمی‌ها است و مانند توربین و پمپ، نقشی اساسی در تولید توان در این شرکت‌ها دارد. دیگ بخار شامل چند بخش مهم است که سیستم تصفیه آب بویلر یکی از بخش‌های اصلی آن است که وظیفه مهمی در حفظ سلامت دیگ بخار و اجزا و لوله‌های آن دارد.

یکی از اجزای مهم دیگ بخار، تصفیه آب بویلر است که قبل از وارد شدن سیال به لوله‌ها و مخازن بویلر انجام می‌شود. دستگاه تصفیه آب دیگ بخار ویژگی‌های سیال را کنترل کرده و از آسیب رساندن به دیگ بخار جلوگیری می‌کند. در ادامه به برخی از ویژگی‌های آب یا سیال مناسب برای ورود به دیگ بخار می‌پردازیم.

اما پیش از پرداختن به این موضوع، می‌خواهیم بررسی کنیم که بویلر چیست، از چه اجزایی تشکیل شده است و چگونه کار می‌کند.

کار بویلر چیست؟

بویلر یا دیگ بخار صنعتی یکی از تجهیزات حرارتی است که برای تولید بخار یا آب گرم به منظور استفاده در فرآیندهای صنعتی، گرمایش ساختمان‌ها یا تأمین انرژی به کار می‌رود. این دستگاه‌ها از انرژی حرارتی حاصل از سوخت یا انرژی الکتریکی برای گرم کردن آب یا تبدیل آب به بخار استفاده می‌کنند.

برای تولید بخار در بویلرها، معمولاً آب در دما و فشار بالا گرم می‌شود. انرژی حاصل از این فرآیند به عنوان بخار استفاده می‌شود و می‌تواند در مخازن ذخیره شده یا مستقیماً در فرآیندها، دستگاه‌ها یا سیستم‌های گرمایش و تهویه مورد استفاده قرار گیرد.

دیگ بخار صنعتی چگونه کار می‌کند؟

بویلرهای صنعتی مخازن حاوی آب هستند که با کمک منبع سوخت، گرما تولید می‌کنند. سپس این گرما به لوله‌های مختلف متصل به تجهیزات صنعتی منتقل می‌شود. انرژی بخار برای راه اندازی ماشین آلات استفاده می‌شود و روشی مقرون به صرفه برای تامین انرژی تولیدی صنایع می‌باشد.

در بویلر، منبع گرما و مخازن آب در محفظه‌های مختلفی قرار می‌گیرند. میله‌های فلزی به مخزن آب متصل می‌شوند و سپس گرما به تولید بخار کمک می‌کند. سپس بخار در یک گنبد (dome) جمع آوری می‌شود تا قبل از خروج از بویلر متراکم شود. این کار باعث افزایش فشار می‌شود و انرژی تولید شده به تقویت فرآیندهای تولیدی کمک می‌کند.

اغلب به منظور ایمنی، بویلرها دارای یک شیر اطمینان هستند تا اطمینان حاصل شود که به دلیل فشار افزایش یافته هیچ حادثه‌ای رخ ندهد.

اجزای تشکیل دهنده دیگ بخار صنعتی

• مشعل: مشعل آغازگر واکنش احتراق درون دیگ بخار است. یک سیستم کنترل وجود دارد که پیام شروع فرآیند تولید گرما را ارسال می‌کند. در مشعل، یک نازل حاوی سوخت وجود دارد که با ایجاد فشار، سوخت را مشتعل کرده و فرآیند احتراق را آغاز می‌کند.
• محفظه احتراق: محفظه‌های احتراق از چدن ساخته شده‌اند و می‌توانند در عرض چند دقیقه دمایی تا چند صد درجه داشته باشند. این محفظه، سوخت را می‌سوزاند و گرما تولید می‌کند، سپس این گرما به مبدل حرارتی منتقل می‌شود.
• مبدل حرارتی: که اکونومایزر نیز نامیده می‌شود، وظیفه افزایش راندمان دیگ بخار را بر عهده دارد. مبدل حرارتی قبل از هیتر هوا و در مسیر گاز سوخت قرار می‌گیرد.
• مخزن بخار (Steam Drum) و مخزن رسوب گیری (Mud Drum): مخزن بخار، بخار را جمع آوری می‌کند؛ در حالی که مخزن رسوب گیری زیر مخزن بخار قرار گرفته و جامدات را که به صورت دوره‌ای حذف می‌شوند، جمع‌آوری می‌کند.

مشخصات و فاکتور های مهم کیفیت آب مناسب برای بویلر

دیگ بخار، مجموعه‌ای از لوله‌ها و مخازن است که به وسیله آن، به سیال (آب) حرارت داده می‌شود تا در نهایت بخار یا بخار آب تولید شود. تولید حرارت و رساندن سیال درون دیگ بخار به نقطه جوش، نیاز به یک منبع سوخت دارد که این منبع می‌تواند سوخت‌های فسیلی، برق و حتی انرژی هسته‌ای باشد.

آب یا سیال ورودی به دیگ بخار، در ابتدا باید توسط دستگاه تصفیه آب بویلر تصفیه شود تا از آسیب‌رساندن به بویلر یا دیگ بخار جلوگیری شود. ۳ فاکتور مهم باید در آب ورودی کنترل شود، شامل:

• PH آب
• سختی آب
• TDS آب

بیشتر بخوانید: سختی گیر آب چیست

بررسی PH آب ورودی به بویلر

میزان PH آب، قلیایی یا اسیدی بودن آب را نشان می‌دهد. آب یا سیال ورودی به بویلر باید از نظر میزان PH به خوبی بررسی شود؛ زیرا اگر میزان PH  در آب کم باشد، نشان از اسیدی بودن آن دارد و این موضوع باعث آسیب رسیدن به لوله‌ها می‌شود. اگر میزان PH آب بالا باشد، نشان از قلیایی بودن آب دارد که موجب ایجاد کف در بویلر و بازگشت آن به سمت لوله‌ها شود. یکی از وظایف بسیار مهم دستگاه تصفیه آب بویلر این است که قبل از ورود آب به دیگ بخار، میزان PH آن را بررسی کرده تا دیگ بخار با مشکل روبرو نشود.

بررسی سختی آب ورودی به بویلر

یک فاکتور بسیار مهم دیگر که توسط دستگاه تصفیه آب بویلر کنترل می‌شود، میزان سختی سیال یا آب است. این فاکتور که یکی از پرچالش‌ترین کارها در تصفیه آب است، در واقع کنترل مواد معدنی موجود در آب مانند یون، فلزات سنگین، آلومینیوم، کلسیم، منیزیم و … است. واحد اندازه گیری این فاکتور ppm است و کنترل آن یک امر ضروری جهت جلوگیری از آسیب دیدن دیگ بخار یا بویلر است.

بررسی TDS آب ورودی به بویلر

میزان جامدات محلول در آب ورودی به دیگ بخار یکی دیگر از فاکتور‌های مهم است که برای آن محدوده مشخصی تعیین شده و لازم است برای دوام بویلر به آن توجه ویژه‌ای کرد. این موضوع با پارامتر TDS بررسی می‌شود.

بیشتر بخوانید: TDS چیست

مشکلات ناشی آب تصفیه نشده برای دستگاه بویلر

اگر آب قبل از ورود به دیگ بخار یا بویلر توسط دستگاه تصفیه آب بویلر به استاندارد‌های تعریف شده برای این سیستم نرسد، موجب بروز مشکلات متعدد و جدی‌ در دیگ بخار خواهد شد که باید هزینه‌های زیادی را برای رفع آن‌ها بپردازید.

۱. رسوب‌گذاری و آسیب رساندن به لوله‌ها و قطعات

اگر آهن، منیزیم و آلومینیوم موجود در آب کنترل نشود، این مواد روی قطعات و لوله‌های دیگ بخار یا بویلر رسوب کرده و به تجهیزات و کیفیت فرآیند تولید بخار، آسیب جدی وارد می‌کنند.

مس موجود در آب می‌تواند باعث ته نشین شدن رسوبات شود و کارایی آن‌ها را کاهش دهد، به طوری که شاید لازم باشد برخی از قطعات و لوله‌ها را تعمیر یا تعویض کنید که این کار می‌تواند هزینه زیادی داشته باشد.

سیلیس و کلسیم موجود در آب نسبت به ترکیبات شیمیایی موجود در آب، می‌توانند باعث خوردگی و پوسته پوسته شدن دیواره‌های لوله‌ها و مخازن بویلر شوند.

اگر TDS آب ورودی کنترل نشود، مواد آلی و غیر آلی و همچنین جامدات معلق در آب، روی قطعات و تجهیزات رسوب کرده و باعث آسیب رسانی جدی به آن‌ها می‌شود.

۲. هدر رفت انرژی و سرمایه

رسوب گذاری‌ها و خوردگی‌هایی که در لوله‌ها، مخازن و قطعات دیگ بخار یا بویلر ایجاد می‌شود، علاوه بر اینکه آسیب جدی به قطعات شما وارد می‌کند، موجب هدر رفت انرژی نیز می‌شود. بعد از رسوب‌گذاری علاوه بر هزینه‌ای که باید برای تعمیر یا تعویض قطعات پرداخت شود؛ باید انرژی بیشتری نیز برای حرارت دادن به سیال و مایعات درون دیگ مصرف شود. خوردگی‌ها و رسوب‌گذاری‌ها باعث ایجاد اخلال در عملکرد حرارت‌دهی به آب می‌شود.

۳. کاهش کیفیت بخار تولید شده

دستگاه تصفیه آب بویلر با افزایش کیفیت آب ورودی به دیگ بخار، کیفیت بخار و بخار آب تولید شده را نیز افزایش می‌دهد و می‌توان نهایت استفاده را از میعانات موجود در بخار آب برد.

روش های تصفیه آب بویلر

بطور معمول از سیستم های پیشرفته تصفیه آب صنعتی برای تامین آب خوراک دیگ بخار یا بویلر (Boiler) استفاده می‌شود. وظیفه دستگاه تصفیه آب بویلر حذف ترکیبات و آلاینده‌های موجود در آب، و در نتیجه، محافظت از اجزای واحد دیگ بخار و لوله کشی‌هاست. روش‌های تصفیه آب ورودی به دیگ بخار یا بویلر شامل سه نوع اصلی هستند :

تصفیه آب قبل از ورود به بویلر

در این روش تمامی سه فاکتوری اصلی، PH آب، سختی آب و TDS آب کنترل می‌شود. علاوه بر این موارد از ورود مواد دیگر مانند برخی گازها به بویلر نیز جلوگیری می‌شود. استفاده از تبادل کاتیونی و آنیونی و همچنین اسمز معکوس بهترین روش برای یک خورجی با کیفیت می‌باشد.

تصفیه آب بعد از ورود به بویلر

برای اینکه سطح PH آب و سختی آن در حالت ایده‌آل باشد، بعد از ورود آب به بویلر برای کنترل این عوامل برخی مواد شیمیایی به آب اضافه می‌شوند که کیفیت آن را به حد مطلوب می‌رسانند.

تصفیه آب بویلر به روش بلو دان (Blow Down)

در این روش ناخالصی‌های موجود در آب که در دیگ بخار غلیظ شده‌اند و در قسمت پایین مخازن وجود دارند، با روش بلودان یا مکش خارج می‌شوند. این میزان آلاینده خارج شده به نسبت مواد آلاینده موجود در آب می‌تواند ۱ تا ۲۰ درصد باشد.

دستگاه تصفیه آب بویلر چگونه کار می‌کند؟

اساس کار سیستم تصفیه آب دیگ بخار حذف ناخالصی های مضر قبل از ورود به دیگ بخار و همچنین کنترل اسیدیته و هدایت آب (Conductivity) است. از روش‌های مختلفی به صورت سلسله وار برای تصفیه آب بویلر استفاده می‌شود. ولی در تمام موارد یک سیستم تصفیه آب پیشرفته نظیر دستگاه اسمز معکوس (RO) عملیات اصلی را انجام می‌دهد و در مواردی از سیستم‌های دیگری نظیر رزین‌های تبادل یونی (IX) برای افزایش کیفیت در ادامه سیستم RO نیز استفاده می‌شود. به چنین سیستم‌هایی که بعد از دستگاه RO برای افزایش کیفیت آب استفاده می‌شود در اصطلاح پالیشینگ (Polishing) گفته می‌شود. ولی استفاده و یا عدم استفاده از سیستم پالیشینگ به عوامل مختلفی نظیر فشار عملیاتی بویلر، کاربرد بخار تولیدی و خصوصیات شیمیایی آب وابسته است.

بیشتر بخوانید: اسمز معکوس چیست

دستگاه تصفیه آب دیگ بخار از چه سیستم‌هایی تشکیل شده است؟

گفتیم که در دستگاه تصفیه آب بویلر از سیستم‌های مختلفی بصورت سلسله وار برای دستیابی به کیفیت مورد نظر استفاده می‌شود. و حالا می‌خوایم نگاه دقیق تری به چنین دستگاهی بیندازیم و اجزای آن را بررسی کنیم:

فیلتراسیون (Filtration)

در اولین مرحله جریان آب بویلر از طریق یک یا چند واحد فیلتراسیون عبور داده می‌شود تا جامدات معلق، کدورت و مواد آلی فیلتر شود. سیستم‌های میکروفیلتر یکی از بهترین گزینه‌ها برای این مرحله هستند. هنگامی که در دستگاه تصفیه آب بویلر قرار است از رزین‌های سختگی‌گیر یا موارد دیگر به عنوان پیش تصفیه استفاده کنیم، میکروفیلترها می‌توانند وسیله‌ای مقرون به صرفه برای جلوگیری از رسوب و گرفتگی و  محافظت از تجهیزات تصفیه آب پایین دست باشند.

رزین سختی‌گیر (Ion Exchange Softening )

دستگاه رزین سختی‌گیر (IXS) برای از بین بردن سختی آب خوراک بویلر استفاده می‌شود. سیستم IX قادر است ترکیباتی که باعث ایجاد سختی در آب می‌شوند، نظیر کلسیم، منیزیم و … را به طور کامل حذف کند. این کار با استفاده از یک رزین نرم کننده انجام می شود، که به طور معمول یک رزین کاتیون اسید قوی (SAC) است که یون‌های عامل سختی را با یون دیگری نظیر سدیم مبادله می‌کند. اگر عملیات تصفیه اصلی مبتنی بر فرایند RO باشد استفاده از چنین سیستمی برای نرم کردن آب تاثیر قابل ملاحظه‌ای بر دوام ممبران‌های اسمز معکوس خواهد داشت.

رزین حذف قلیاییت (Dealkalization)

قلیاییت موجود در آب خوراک بویلر می‌تواند باعث ایجاد کف در دیگ بخار و همچنین خوردگی در لوله ها شود. بنابراین‌، از رزین حذف قلیلییت (IXD) برای تصفیه جریان‌ خوراک دیگ بخار با رزین آنیونی قوی (SBA) یا اسید ضعیف (WAC) استفاده می‌شود. سیستم IXD قابلیت حذف یون‌های بی کربنات ، سولفات و نیترات و کاهش pH را دارد. البته اگر در ادامه فرآیند تصفیه قرار باشد از سیستم‌هایی نظیر اسمز معکوس یا نانوفیلتر استفاده شود، لازم نیست از سیستم IXD استفاده شود.

اسمز معکوس و نانوفیلتر (بخش اصلی سیستم تصفیه آب بویلر)

سیستم‌های RO و NF معمولا به عنوان بخش اصلی سیستم تصفیه آب دیگ بخار مورد استفاده قرار می‌گیرند‌، که می توانند برای از بین بردن باکتری‌ها ، نمک‌ها ، ترکیبات آلی‌، سیلیس و سختی مفید باشند. فرایند RO و NF هر دو از نوع فیلتراسیون غشایی هستند‌، به این معنی که از یک غشای نیمه تراوا برای جذب هرگونه آلاینده استفاده می کنند، در حالی که به مولکول های آب اجازه می‌دهند عبور کنند. کیفیت بالای آب تولیدی توسط این سیستم‌ها (بخصوص RO) و هزینه‌های عملیاتی پایین باعث شده که از آن‌ها استفاده‌های گسترده‌ای برای تصفیه آب بویلر شود.

بیشتر بخوانید: جلوگیری از تشکیل رسوب در دستگاه تصفیه آب صنعتی

رزین حذف کامل مواد معدنی (Demineralization)

برای مواردی که دبی آب مورد نیاز بویلر بسیار زیاد است و یا فشار عملیاتی دیگ بخار بالاست، کیفیت آب مورد استفاده در بویلر هم باید بالاتر باشد. در چنین مواردی رزین حذف یون می‌تواند به عنوان تصفیه اصلی جایگزین سیستم RO شود. IX به طور معمول آب با کیفیتی تولید می‌کند. ولی انتخاب بین اسمز معکوس و رزین حذف یون مستلزم بررسی‌ و در نظر گرفتن پارامترهای مختلفی است.

سیستم حذف گاز (Degasification)

پس از انجام مراحل تصفیه اصلی، آب تصفیه شده با میعانات حاصل از دیگ بخار ترکیب و وارد سیستم حذف گاز می شوند. این مرحله اکسیژن و دی اکسید کربن محلول در آب را حذف می‌کند که برای جلوگیری از خوردگی بسیار مهم است.

سیستم پرداخت (Polishing)

بسته به نیاز و شرایط و محدودیت‌های دیگ بخار‌، ممکن است به فناوریهای پرداخت نیاز باشد. این مرحله معمولا بر روی آب تصفیه شده فرایند اصلی تصفیه شامل RO یا IX استفاده می‌شود. فن آوری های پولیش معمولی شامل سیستم‌های رزین ترکیبی (IX Mixed Bed) و الکترودیونیزها (EDI) هستند.

بعد از تمام مراحل تصفیه آب ذکر شده در بالا‌، آب خوراک بویلر با استفاده از خط لوله به دیگ بخار منتقل می شود و در آنجا حرارت داده می‌شود تا بخار تشکیل شود. میعانات سپس با آب تصفیه شده ترکیب شوند و چرخه دوباره آغاز می شود.

اگرچه این مراحل نمایانگر سلسله‌ای از فرآیند‌هایی است که همگی می‌توانند برای تصفیه آب بویلر استفاده شوند، اما مهم است که بدانیم شرایط برای هر سیستم بویلر منحصر به فرد است و نیازمند محاسبات بسیار پیچیده‌ای است که ترکیب مورد نیاز واحد تصفیه آب را به طراح دیکته می‌کند. توصیه می‌شود برای این منظور حتما با طراح و سازنده دیگ بخار مشورت کنید. همچنین باید یک مشاور و متخصص تصفیه آب بررسی کاملی روی شرایط شما انجام دهد، که می‌تواند در تعیین اینکه ترکیب کدام یک از این فرآیندها برای تصفیه آب دیگ بخار شما بهترین گزینه است، به شما کمک کند.