مقاله فرایند تولید بخار در بویلرها و کوره های بخار

بخشی از مقاله

چکیده

فرایند تولید بخار از آن جایی که سوخت پاک اکثر کارخانه جات را تامین می کند فرایندی بسیار حائز اهمیت است. قسمت اصلی این فرایند دیگ ها و یا کوره های بخار هستند. این دستگاه ها انرژی لازم برای تبدیل فاز آب به بخار را از انواع سوخت های فسیلی، تشعشعی و یا الکتریکی فراهم می کنند. با توجه به دما و فشاری که درآن بخارات تولید می شوند، انواع متفاوت و کاربردهای مختلفی دارند.

به مجموعه ای که دیگ بخار جزئی از آن می باشد مولدبخار می گویند، اکثر مولدهای بخار امروزی بخار داغ با فشار بالا 3500 psia - تا 2400 ، 240 bar تا - 165 تولید می کنند، بهاستثناء مولدهای بخار هسته ای که به علت استفاده از آب فشرده Compressed Water بخار اشباع، با فشار پایین 1000 psia - ، - 70 bar تولید می نمایند.

مولدهای بخار به عنوان بزرگترین منبع انرژی برای صنعت در جهان امروزی به شمار می روند. در این فرایند آب پس از مراحل تصفیه و سختی گیری وارد کورههای تولید بخار شده و پس از انجام مراحل مختلف تبدیل به بخار خالص میشود و مورد مصرف کارخانهجات و صنایع قرار میگیرد و در نهایت مقادری از آن کندانس شده و دوباره وارد چرخه تولید و مصرف میشود. در این مقاله ضمن شرح دادن کامل فرایند تولید بخار به پیامدهای نامطلوب این فرایند پرداخته و به ارائه راهکارهایی جهت جلوگیری از این پیامدها می پردازیم.

.1 مقدمه

تامین انرژی زیاد برق و یا نفت و گاز مورد استفاده برای کارخانه جات و صنایع برای راه اندازی ادوات و دستگاهها همواره هزیه بر بوده و به عنوان چالش جدی در خصوص تامین انرژی مورد نیاز کارخهجات و صنایع مطرح بوده است. فرایند تولید بخار از آب و پساب همواره سوختی کم هزینه و قابل بازیابی بوده که بخار حاصله و تولیدشده از این فرایند می تواند سوخت کامل تجهیزات اکثر کارخانه جات از جمله کارخانه های بزرگ تولید قند و شکر در ایران را تامین کند. نکته حائز اهمیت این فرایند این است که بخارهای مصرفی تجهیزات به طور کامل از بین نمی روند، بلکه پس از گرم کردن تجهیزات، خود سرد شده و به اصطلاح کندانس می شود و به شکل مایع یا آب مقطر دوباره مورد استفاده قرار می گیرد. در این مقاله به طور کامل این فرایند و عملکرد اجزای آن دسته بندی و شرح داده شده است.

.2مولد بخار
یک مولدبخار مجموعه ای است مشتمل بر:

·    پیش گرمکن آب تغذیه Economizer

·    دیگ بخار Boiler

·    سوپر هیتر Super heater

·    بازیاب حرارتی Reheat

·    پیش گرمکن هوا Air preheater

برای ایجاد حرارت در دیگ های بخار از سوخت هایی مانند ذغال سنگ پودر شده یا سوخت مایع - مشتقات نفتی - و یا گاز طبیعی استفاده می کنند، نفت به عنوان سوخت تدریجاً کنار گذاشته می شود و جای خود را به گاز طبیعی که دارای احتراق تمیز و آلودگی نسبتاً پایینی است می دهد.

.3بازدهی دیگ بخار

راندمان اغلب دیگ های بخار بین 65 الی %85 متغیر میباشد و لذا میبایست از به هدر رفتن انرژی - 15 الی - %35 جلوگیری نمود. البته جلوگیری از به هدر رفتن تمام انرژی غیرممکن است ولی می توان با شناخت مسیرهای اتلاف، آن را به حداقل رساند. اتلاف حرارتی واژهای است که به طور متداول برای به هدر رفتن انرژی بهکار گرفته میشود.

.4تجهیزات جانبی

.1  فن ها

فن های دمنده - FD - و فنهای مکنده - ID - که عموماً در نیروگاه ها استفاده میشوند، به سه دسته تقسیم میشوند: فن هایی از نوع سانتریفوژ با پرههای خمیده - - air foil ، فنهای با پره صاف و فنهای با پره شعاعی - Radial - .فن های نوع اول بیشترین راندمان را دارند - درحدود 90 درصد - . سایر مزایای این نوع شامل : عملکرد پایدار، صدای کم و مناسب بودن برای کار در سرعت بالا میباشد.

فن های با پره مستقیم و شعاعی بیشتر در جاهایی به کار می رود که امکان خورندگی بیشتر است. به عنوان مثال فنهای با پره خطی اصولاً برای خروجی اصلی گاز و فن های با پره شعاعی برای زیرکش از سیستم های جداکننده ذرات معلق استفاده می شوند.

.2 پمپ ها وظیفه پمپ های تغذیه آب دیگ بخار، تحویل دادن آب تحت فشار به دیگ بخار است.آن ها این کار را از طریق مکش آب از گرمکن های آب تغذیه و پمپ کردن آن به بویلر از مسیر گرمکن های فشار بالا انجام می دهند. روش های زیادی برای کنترل حجم آب تغذیه و فراهم کردن ارتفاع مکش کافی برای پمپ ها وجود دارد. یک راه کنترل حجم، استفاده از موتورهای با کنترل سرعت متغیر است. روش دیگر استفاده از موتور الکتریکی با سرعت ثابت است که به یک سیستم کنترل سرعت متغیر هیدرولیکی متصل شده است. درجاهاییکه هزینه کنترل سرعت متغیر قابل پذیرش نمی باشد، حجم آب تغذیه را می توان بهوسیله شیرهای مکانیکی در مسیر پمپ و دیگ بخار کنترل نمود.

.3  موتورها و توربین ها

موتورهای الکتریکی القایی یا توربین های بخار می توانند فن ها، پمپ ها و سایر ماشین های موجود در فرآیند را بچرخانند. انتخاب هر یک از آن ها بستگی به در دسترس بودن بخار و یا قیمت برق دارد.اگر بخار با فشار بالا موجود باشد و بخار با فشار کم نیز در فرآیند مورد استفاده باشد، توربین می تواند به عنوان کاهنده فشار عمل کرده و در عین حال موجب گردش فن و یا پمپ نیز بشود.

اگر در فرآیند نیازی به بخار فشار پایین نباشد، می توان از توربین بخار تغلیظ شده استفاده کرد، هر چند که استفاده از این توربین ها در اندازه های پایین بهصرفه نمی باشد. اگر الکتریسیته در مجموعه تولید شود، معمولاً استفاده از موتورهای الکتریکی بهصرفهتر است. امروزه موتورهای با راندمان بالا در بازار موجود است که بسیار پر هزینه می باشند ولی راندمان آن ها نیز زیاد است و از این طریق زمان بازگشت سرمایه را کوتاهکنندمی . مثلاً اگر هزینه هر کیلووات ساعت برق حدوداً 5/6 سنت و یا بیشتر باشد، اینگونه موتورها دارای توجیه اقتصادی خواهند بود.

.5اصول دیگ های بخار

دیگ بخار به عنوان تولید کننده بخار شامل دو قسمت تأمین کننده آب و تأمین کننده حرارت - کوره - است . سوخت و هوا در کوره که بخشی از دیگ بخار می باشد سوزانده شده و گازهای داغ حاصل از احتراق - Flue gas - در اطراف انتهای دیگ جریان پیدا کرده وحرارت خود را قبل از خارج شدن از میان کانال خروجی و تخلیه به اتمسفر، به آب می دهد. انتقال حرارت گازهای حاصل از احتراق به لوله های حاوی آب از نوع جابهجایی - Convection - می باشد.

علاوه بر انتقال حرارت به صورت جابهجایی لوله هایی که در وضعیت عمودی در دیواره های محوطه قرار گرفته اند و همچنین لوله هایی که به صورت افقی در قسمت بام محوطه احتراق قرار دارند، حرارت را به صورت تشعشعی دریافت می کنند. حرارت تشعشعی مانند اشعه موج کوتاه منتقل می شود و هر جا که شعله ناشی از اشتعال سوخت در درون محوطه احتراق وجود داشته باشد، حرارت به صورت تشعشعی انتقال می یابد و این حرارت تنها به وسیله لوله هایی که در معرض شعله قرار گرفته اند، جذب می گردد و حرارت موجود در گازهای حاصل از احتراق از طریق چرخش گازها در محل قرار گرفتن لوله ها به آب می رسد. چرخش گاز به روش های زیر انجام می شود:

- با استفاده از فن ها، که به عنوان یک پمپ هوا عمل کرده و هوای لازم برای احتراق را از بیرون به محوطه احتراق وارد می کنند و با ایجاد فشاری بالاتر از اتمسفر و یا کمتر از اتمسفر موجب انتقال گاز های حاصل از احتراق از درون محوطه احتراق به دودکش تخلیه می شوند.

- با استفاده از تخلیه طبیعی ناشی از اختلاف وزن گازهای داغ درون دودکش و هوای تازه. هوای لازم برای احتراق همزمان با جریان یافتن گاز سبکتر به درون دودکش به طرف مشعل ها کشانده می شود. به فنی که هوای لازم برای محوطه احتراق دیگ بخار را تأمین می کند در اصطلاح Forced Draft Fan یا فن تخلیه اجباری می گویند و به فنی که فشار داخل کوره را کاهش می دهد و باعث جریان یافتن گاز سوخته شده در داخل محوطه احتراق دیگ بخار می شود اصطلاحا Induced Draft Fan میگویند. در کوره هایی که دارای هر دو نوع فن باشند یک جریان موازی ایجاد می شود. وقتی در کوره تنها از فن Forced Draft Fan استفاده شود دارای فشار مثبتی بالاتر از فشار اتمسفر هستیم.

.6کوره ها و دیگ ها

انواع دیگ های بخار عبارتند از:

·    دیگ های بخار فایرتیوب یا لوله آتشین