ماء الغلاية

يجب أن تعمل منشأة غلاية بخارية بشكل آمن، مع أقصى كفاءة احتراق ونقل حرارة. للمساعدة في تحقيق هذا وعمر طويل وصيانة منخفضة، يمكن معالجة ماء الغلاية كيميائيًا.

ماء الغلاية

أهداف التشغيل لمنشأة غلاية البخار تشمل:

التشغيل الآمن.
أقصى كفاءة احتراق ونقل حرارة.
الحد الأدنى من الصيانة.
عمر عمل طويل. جودة الماء المُستخدم لإنتاج البخار في الغلاية سيكون لها تأثير عميق على تلبية هذه الأهداف. هناك حاجة لتشغيل الغلاية وفق المعايير التالية:
الحرية من الحجر - إذا كانت الصلابة موجودة في ماء التغذية ولم تُعالج كيميائيًا، فسيحدث تراكم الحجر على أسطح نقل الحرارة، مُقللاً نقل الحرارة والكفاءة - مُسببًا الحاجة إلى تنظيف متكرر للغلاية. في الحالات القصوى، قد تحدث بُقع ساخنة محلية، مُؤديةً إلى تلف ميكانيكي أو حتى فشل الأنابيب.
الحرية من التآكل والهجوم الكيميائي- إذا كان الماء يحتوي على غازات مُذابة، خاصة الأكسجين، فمن المرجح حدوث تآكل لأسطح الغلاية والأنابيب والمعدات الأخرى. إذا كانت قيمة pH للماء منخفضة جدًا، سيهاجم المحلول الحمضي الأسطح المعدنية. إذا كانت قيمة pH مرتفعة جدًا، وكان الماء قلويًا، ستظهر مشاكل أخرى مثل الرغوة. يجب أيضًا منع التهشاشة الكاوية أو التشقق الكاوي لتجنب فشل المعدن. التشقق والتهشاشة يُسببان بتركيز مفرط من هيدروكسيد الصوديوم. الغلايات المُربوطة بالمسامير القديمة أكثر عرضة لهذا النوع من الهجوم؛ ومع ذلك، لا يزال الحذر ضروريًا في الغلايات الملحومة الحديثة عند أطراف الأنابيب.

بخار ذو جودة جيدة

إذا لم تُعالَج الشوائب في ماء تغذية الغلاية بشكل صحيح، يمكن أن يحدث حمل ماء الغلاية إلى نظام البخار. قد يُؤدي هذا إلى مشاكل أخرى في نظام البخار، مثل:

تلوث أسطح صمامات التحكم- سيؤثر هذا على تشغيلها ويُقلل سعتها.
تلوث أسطح نقل الحرارة للمعدات- سيزيد هذا المقاومة الحرارية، ويُقلل فعالية نقل الحرارة.
تقييد فواهات فواصص البخار- سيُقلل هذا سعات فواصص البخار، ويُؤدي في نهاية المطاف إلى إغراق المنشآت، وتخفيض الإنتاج. يمكن أن يحدث الحمل بسبب عاملين:

الرشح - هذا هو طرد ماء الغلاية إلى مأخذ البخار ويرجع عمومًا إلى واحد أو أكثر مما يلي: -تشغيل الغلاية بمستوى ماء مرتفع جدًا. -تشغيل الغلاية تحت ضغط تصميمها؛ هذا يزيد حجم وسرعة البخار المُطلَّق من سطح الماء. -طلب بخار مفرط.
الرغوة - هذا هو تكوّن الرغوة في المساحة بين سطح الماء ومأخذ البخار. كلما زادت كمية الرغوة زادت المشاكل التي ستُواجه. ما يلي هو مؤشرات وعواقب الرغوة: -سيتسرّب الماء من وصلة البخار لمقياس الزجاج؛ هذا يجعل من الصعب تحديد مستوى الماء بدقة. -مكاشافات المستوى، والطوفات، وخلايا فرق الضغط تجد صعوبة في تحديد مستوى الماء بدقة. -قد تُصدر إنذارات، وقد “تُقفل” الحراقات. سيتطلب هذا إعادة ضبط يدوية للوحة مُتحكّمات الغلاية قبل استعادة الإمداد. قد تكون هذه المشاكل كليًا أو جزئيًا ناتجة عن الرغوة في الغلاية. ومع ذلك، بما أن الرغوة ملازمة لماء الغلاية، يُلزم فهم أفضل للرغوة نفسها:

تعريف السطح - الرغوة على كأس بيرة تجلس فوق السائل، وواجهة السائل/الرغوة مُحددة بوضوح. في سائل مغلي، يكون سطح السائل غير واضح، مُتغيِّرًا من فقاعات بخار صغيرة قليلة في قاع الوعاء، إلى فقاعات بخار كبيرة كثيرة في الأعلى.
التحريك يزيد الرغوة - الاتجاه نحو غلايات أصغر لمعدل إنتاج بخار معين. الغلايات الأصغر لديها مساحة سطح ماء أقل، لذا يزداد معدل إطلاق البخار لكل متر مربع من مساحة الماء. هذا يعني أن التحريك على السطح أكبر. من ثم فإن الغلايات الأصغر أكثر عرضة للرغوة.
الصلابة - الماء الصلب لا يُرغى. ومع ذلك، يُلطَّف ماء الغلاية عمدًا لمنع تكوّن الحجر، وهذا يُعطيه ميلًا للرغوة.
المواد الغروانية - تلوث ماء الغلاية بغروان مُعلَّق، مثلاً الحليب، يُسبب رغوة عنيفة. ملاحظة: الجسيمات الغروانية أقل من 0.0001 مم في القطر، ويمكنها المرور عبر مُرشح عادي.
مستوى TDS- مع ارتفاع TDS في ماء الغلاية، تصبح فقاعات البخار أكثر استقرارًا، وأكثر ترددًا للانفجار والانفصال. إجراءات تصحيحية ضد الحمل البدائل التالية مفتوحة أمام مُدير الهندسة لتقليل الرغوة في الغلاية:
التشغيل- التشغيل السلس للغلاية مهم. مع غلاية تعمل تحت حمل ثابت وضمن معايير تصميمها، قد تكون كمية الرطوبة المُحمَّلة أقل من 2%. إذا كانت تغيرات الحمل سريعة وب幅度 كبيرة، يمكن أن ينخفض الضغط في الغلاية بشكل كبير، مُطلقًا ظروف اضطراب شديد مع توميض محتويات الغلاية إلى بخار. لتفاقم الوضع، يُؤدي انخفاض الضغط أيضًا إلى زيادة الحجم النوعي للبخار، وتصبح فقاعات الرغوة أكبر نسبيًا. إذا كانت ظروف المنشآت بحيث تكون التغيرات الكبيرة في الحمل طبيعية، قد يكون من الحكمة التفكير في: -مُتحكّمات مستوى ماء الغلاية المُعدِّلة إذا كانت مُتحكّمات تشغيل/إيقاف مُثبَّتة حاليًا. -‘مُتحكّمات فائض’ ستحد المستوى الذي يُسمح لضغط الغلاية بالانخفاض إليه. -مُخزِّنة بخار (انظر الوحدة 22 من هذه الوحدة). -مُتحكّمات ‘التغذية المُقدمة’ سترفع الغلاية إلى أقصى ضغط تشغيل قبل تطبيق الحمولة. -مُتحكّمات ‘فتح بطيء’ ستعمل المنشآت عبر فترة مُحددة مسبقًا.
التحكم الكيميائي- يمكن إضافة مواد مضادة للرغوة إلى ماء الغلاية. تعمل بتفتيت فقاعات الرغوة. ومع هذه المواد ليست فعالة عند معالجة الرغوة الناتجة عن المواد الصلبة المُعلَّقة.
التحكم في TDS- يجب إيجاد توازن بين: -مستوى TDS مرتفع مع اقتصاد التشغيل المُرافِق. -مستوى TDS منخفض يُقلل الرغوة.
الأمان - مخاطر السخونة الزائدة بسبب الحجر، والتآكل بسبب الغازات المُذابة، سهلة الفهم. في الحالات القصوى، يمكن أن تُؤدي الرغوة وتكوّن الحجر والطمي إلى شعور مُتحكّمات مستوى ماء الغلاية بمستويات غير صحيحة، مُخلقة خطرًا على الأفراد والعملية على حد سواء.

معالجة المياه الخارجية

يُتفق عمومًا أنه حيثما أمكن في غلايات البخار، يجب أن تكون المعالجة الرئيسية لماء التغذية خارج الغلاية. يُوضّح ملخص لجودة المياه المُعالَجة التي قد تُتحصَّل من العمليات المختلفة، بناءً على إمداد مياه خام صلبة نموذجية، في الجدول 3.9.2. هذه المياه التي يجب على محطة المعالجة الخارجية التعامل معها. عمليات معالجة المياه الخارجية يمكن سردها كالتالي:

التناضح العكسي- عملية يُجبر فيها الماء النقي عبر غشاء شبه نافذ تاركًا محلول مُركَّز من الشوائب، يُرفض كنفايات.
الكلس؛ تليين الكلس/الصودا - مع تليين الكلس، يتفاعل الكلس المُฦدر (هيدروكسيد الكالسيوم) مع البيكربونات المزدوجة للكالسيوم والمغنيسيوم لتكوين طمي قابل للإزالة. هذا يُقلل الصلابة القلوية (المؤقتة). تليين الكلس/الصودا (رماد الصودا) يُقلل الصلابة غير القلوية (الدائمة) بتفاعل كيميائي.
تبادل الأيونات- هو بفارق كبير الطريقة الأكثر استخدامًا لمعالجة المياه لغلايات الأنبوبية لإنتاج البخار المشبع. ستُركز هذه الوحدة على العمليات التالية لمعالجة المياه: التبادل القاعدي، وإزالة القلوية، وإزالة الأملاح.

تبادل الأيونات

مُبادِل الأيونات هو مادة غير قابلة للذوبان تُصنع عادةً على شكل حُزَيْمات راتنج بقطر 0.5 إلى 1.0 مم. تُستخدم حُزَيْمات الراتنج عادةً على شكل سرير مُعبَّأ داخل وعاء مضغوط من البلاستيك المُقوَّى بالزجاج. حُزَيْمات الراتنج مسامية ومحبة للماء - أي أنها تمتص الماء. داخل هيكل الحُزَيْمات توجد مجموعات أيونية ثابتة ترتبط بها أيونات متحركة قابلة للتبادل ذات شحنة معاكسة. يمكن استبدال هذه الأيونات المتحركة بأيونات مشحونة بنفس الشكل، من الأملاح المُذابة في الماء المحيط بالحُزَيْمات.

التليين بالتبادل القاعدي

هذه أبسط شكل من أشكال تبادل الأيونات وأكثرها استخدامًا. يُنشَّط سرير الراتنج (يُشحن) في البداية بتمرير محلول 7-12% من الملح (كلوريد الصوديوم أو الملح العادي) عبره، مما يُترك الراتنج غنيًا بأيونات الصوديوم. بعد ذلك، يُضخ الماء المُراد تليينه عبر سرير الراتنج ويحدث تبادل الأيونات. أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم تُزيل أيونات الصوديوم من الراتنج، تاركة الماء المتدفق غنيًا بأملاح الصوديوم. أملاح الصوديوم تبقى في المحلول بتركيزات ودرجات حرارة عالية جدًا ولا تُكوّن حجرًا ضارًا في الغلاية. من الشكل 3.10.1 يمكن ملاحظة أن أيونات الصلابة الإجمالية تُستبدل بالصوديوم. مع تليين التبادل القاعدي بالصوديوم لا يوجد انخفاض في مستوى المواد المُذابة الإجمالية (TDS بأجزاء في المليون أو ppm) ولا تغيير في pH. كل ما حدث هو تبادل مجموعة من أملاح تكوّن الحجر الضارة المحتملة بنوع آخر من أملاح أقل ضررًا غير مُكوِّنة للحجر. بما أنه لا يوجد تغيير في مستوى TDS، لا يمكن كشف نفاد سرير الراتنج بارتفاع التوصيل (TDS والتوصيل مرتبطان). لذلك يُنشَّط التجديد على أساس الوقت أو إجمالي التدفق. المُلَيِّنات منخفضة التكلفة نسبيًا ويمكنها إنتاج مياه مُعالَجة بشكل موثوق لسنوات عديدة. يمكن استخدامها بنجاح حتى في مناطق الصلابة القلوية العالية (المؤقتة) بشرط إرجاع 50% على الأقل من المكثف. حيث يكون هناك القليل من المكثف المُعاد أو لا يوجد، يُفضل نوع أكثر تطورًا من تبادل الأيونات. أحيانًا يُستخدم علاج تليين الكلس/الصودا كمعالجة مسبقة قبل التبادل القاعدي. هذا يُقلل الحمولة على الراتنجات.

إزالة القلوية

عيب تليين التبادل القاعدي هو عدم انخفاض TDS والقلوية. يمكن التغلب على هذا بإزالة القلوية مسبقًا ويتحقق ذلك عادةً باستخدام مُزيل قلوية. هناك عدة أنواع من مُزيلات القلوية لكن النوع الأكثر شيوعًا موضح في الشكل 3.10.2. هو في الواقع مجموعة من ثلاث وحدات، مُزيل قلوية، يليه نازع غاز ثم مُلَيِّن تبادل قاعدي.

مُزيل القلوية

النظام الموضح في الشكل 3.10.3 يُسمى أحيانًا تليين ‘التيار المُنقسم’. نادرًا ما يُستخدم مُزيل قلوية بدون مُلَيِّن تبادل قاعدي، لأن المحلول المُنتَج حمضي وسيُسبب تآكلًا، وأي صلابة دائمة ستمر مباشرة إلى الغلاية. منشأة إزالة القلوية ستُزيل الصلابة المؤقتة كما هو موضح في الشكل 3.10.3. يُطبَّق هذا النظام عمومًا عندما يُستخدم نسبة عالية جدًا من ماء التعويض.

إزالة الأملاح

هذه العملية ستُزيل جميع الأملاح تقريبًا. تتضمن تمرير المياه الخام عبر راتنجات تبادل كاتيوني وأنيوني (الشكل 3.10.4). أحيانًا قد تكون الراتنجات في وعاء واحد ويُسمى إزالة أملاح ‘سرير مُمتزج’. العملية تُزيل جميع المعادن تقريبًا وتُنتج ماءً عالي الجودة يحتوي على شبه لا مواد مُذابة. يُستخدم لغلايات الضغط العالي جدًا مثل تلك في محطات الطاقة. إذا كانت المياه الخام تحتوي على كمية كبيرة من المواد الصلبة المُعلَّقة فسيُلوّث هذا بسرعة مادة تبادل الأيونات، مُزيدًا بشكل كبير تكاليف التشغيل. في هذه الحالات، قد تكون بعض المعالجة المسبقة للمياه الخام مثل التصفية أو التنقية ضرورية.

اختيار محطة معالجة المياه الخارجية

بالنظر إلى الجدول 3.10.1، من المغوي التفكير في أن محطة إزالة أملاح يجب أن تُستخدم دائمًا. ومع ذلك، لكل نظام تكلفة رأسمالية وتكلفة تشغيل، كما يُوضّح الجدول 3.10.2، بالإضافة إلى تقييم متطلبات كل منشأة فردية.

منشأة غلاية أنبوبية

عمومًا، تستطيع الغلايات الأنبوبية تحمل مستوى TDS مرتفع نسبيًا، والتكاليف الرأسمالية والتشغيلية المنخفضة نسبيًا لمحطات التليين بالتبادل القاعدي (انظر الجدول 3.10.2) تجعلها عادةً الخيار الأول.

إذا كان إمداد المياه الخام يحتوي على قيمة TDS مرتفعة، و/أو كان معدل إرجاع المكثف منخفضًا (<40%)، هناك عدة خيارات يمكن التفكير فيها:

معالجة مسبقة بالكلس/الصودا مما سيُسبب ترسيب الصلابة القلوية خارج المحلول ككربونات الكالسيوم وهيدروكسيد المغنيسيوم، ثم تصريفها من وعاء التفاعل.
منشأة إزالة قلوية لخفض مستوى TDS في المياه المُغذَّاة لمنشأة الغلاية.

منشأة غلاية أنابيب المياه

منشأة غلاية أنابيب المياه أقل تحملاً بكثير لمستويات TDS المرتفعة، وأقل حتى مع زيادة الضغط. هذا يرجع إلى عدة أسباب، تشمل:

غلايات أنابيب المياه لديها مساحة سطح ماء محدودة في طبل البخار، نسبةً لمعدل التبخر. يُؤدي هذا إلى معدلات إطلاق بخار مرتفعة جدًا لكل وحدة مساحة الماء، والاضطراب.
تميل غلايات أنابيب المياه إلى تصنيف أعلى، ربما فوق 1000 طن/ساعة من البخار. هذا يعني أن حتى نسبة تصريف صغيرة يمكن أن تمثل كتلة كبيرة للتصريف.
تميل غلايات أنابيب المياه إلى العمل عند ضغوط أعلى، عادةً حتى 150 بار g. كلما زاد الضغط زادت الطاقة الموجودة في ماء التصريف. الضغوط الأعلى تعني أيضًا درجات حرارة أعلى. هذا يعني أن مواد البناء ستتعرض لضغوط حرارية أعلى، وتعمل أقرب إلى حدودها الميتالورجية. حتى كمية صغيرة من التلوث الداخلي المُعيق لنقل الحرارة من الأنابيب إلى الماء قد يُؤدي إلى سخونة زائدة للأنابيب.
غالبًا تتضمن غلايات أنابيب المياه مُسخِّن زائد.

البخار المشبع الجاف من طبل البخار قد يُوجَّه إلى أنابيب مُسخِّن زائد مُوجودة في أعلى منطقة حرارة في الفرن. أي حمل لماء مُلوَّث مع البخار سيُغطّي داخل أنابيب المُسخِّن الزائد، ويُعيق نقل الحرارة بنتائج كارثية محتملة.

العوامل أعلاه تعني أن:

معالجة المياه عالية الجودة ضرورية للتشغيل الآمن لهذا النوع من المنشآت.
قد يكون من المجدٍ اقتصاديًا الاستثمار في محطة معالجة مياه تُقلل معدلات التصريف. في كل هذه الحالات، ستكون إزالة الأملاح أو محطة التناضح العكسي غالبًا الخيار.

الخلاصة

جودة المياه الخام عامل مهم بوضوح عند اختيار محطة معالجة المياه. على الرغم من أن مستويات TDS ستؤثر على أداء تشغيل الغلاية، فإن قضايا أخرى مثل القلوية الإجمالية أو محتوى السيليكا قد تكون أحيانًا أكثر أهمية ثم تُسيطر على عملية اختيار معدات معالجة المياه.