در بویلرها به منظور تولید بخار، آب ابتدا وارد دستگاهی به نام هوازدا یا دی اریتور می شود. وجود گازهای نامحلول، مانند اکسیژن و دیاکسیدکربن باعث ایجاد خورندگی در لوله های بویلر میگردد، به همین دلیل باید این گازها را از جریان آب خارج نمود.
بعد از مرحله هوازدایی، آب وارد مخزن بخار یا Steam Drum وارد میشود. در مخزن بخار ،آب ورودی به بویلر از طریق لوله های پایین رونده یا down comer ها به سمت مخـزن لجـن یـاmud drum م یرود. از آنجا جریان آب وارد لوله های بالارونده یا riser ها میگردد.
لوله های بالارونده، بخش های مختلـف محفظـه احتـراق شـامل دیـوارههـا، کـف و سـقف رامی سازند. آب در لوله های بالارونده در معرض حرارت قرار گرفته و بخشی از آن تبدیل به بخـارمی گردد. مخلوطی از آب و بخار مجددا وارد مخزن بخار شـده و در آنجـا دو فـاز بخـار و آب ازطریق عبور از مراحل جداکننده آب و بخار از یکدیگر جدا می شوند. فاز بخار با از عبور از مراحل مختلفی که برای جداسازی ذرات آب از بخار در درون مخزن بخار در نظر گرفته شده اند، از آب جدا شده و از طریق خطی جداگانه از بالای مخزن بخار خارج می گردد. فاز مایع مجـدداً بـرایتبدیل شدن به بخار، مسیر قبلی را از لوله های پایین رونده، مخزن لجـن، لولـههـای بالارونـده وورود مجدد به مخزن بخار طی می کند.
بخار خروجی از مخزن بخار به صورت بخار اشباع می شود. در صورت نیاز به بخار سوپرهیت ،بخار تولید شده را وار بخش سوپرهیتر می کنند. بخار اشباع در سوپرهیترها به وسـیله گازهـایحاصل از احتراق، گرم شده و به شکل سوپرهیت درمی آینـ د. سـوپرهیترها باعـث حـذف ذراترطوبت از بخار و افزایش دمای آن به دماهای بالاتر از دمای اشباع می گدند. بخار تولید شده در واحد بخار، پس از استفاده در واحدها، مجددا به واحد بخار بازگشته و پـس از کنـدانس شـدنمجددا وارد سیکل تولید بخار می گردد.
در صنعت برای تولید انواع بخارهای اشباع و سـوپرهیت مـورد نیـاز، از بویلرهـای متفـاوتیاستفاده می گردد کـه دارای عملکردهـای تقریبـاً مشـابهی هسـتند. امـا مفهـوم بخـار اشـباع وسوپرهیت چیست و با یکدیگر چه فرقی دارند؟
در واقع پس از آنکه آب به جوش آمد، ابتدا به بخار اشباع تبدیل می شود. بخار اشباع بخاری است که در مجاورت آب قرار دارد یا به عبارت دیگر ذرات آب در آن قابل مشاهده هسـتن د. تـازمانی که تمام آب به بخار تبدیل نشود، بخار موجود در ظرف بخار اشباع مـ یباشـ د. بـا تبخیـربیشتر، فشار بخار و به عبارت دیگر فشار ظرف بالا می رود. چنانچه در بالای این ظـرف شـیریقرار داشته باشد که اجازه ندهد فشار ظرف از حدی بالاتر رود، در این صـورت جوشـش آب درفشار ثابت و لذا در دمای ثابت انجام شود.
چنانچه به بخار اشباع حرارت داده شود، دمای بخار بالا می رود. این بخـار، بخـار سـوپرهیتاست که در آن دیگر ذرات آب دیده نمی شود و به همین دلیل به این نـوع بخـار کـه در فشـارثابت میتواند دماهای بالاتر از دمای اشباع داشته باشد بخار خشک نیز میگویند.
بعد از این مرحله آب به مخزن بخار یا Steam Drum وارد مـ یشـو د. در مخـزن بخـار، آبورودی به بویلر از طریق لولههای پایین رونده یا down comer ها به سمت مخزن لجن یا mud drum می رود. از آنجا جریان آب وارد لوله های بالارونده یا riserهـا مـی گـرد د. ایـن لولـه هـایبالارونده هستند که بخش های مختلف کوره شامل دیواره ها، کف و سقف را می سازند. مشعل هـانیز در محفظه احتراق قرار دارند. آب در لولههای بالارونده گرمـای زیـادی را دریافـت نمـوده وبخشی از آن تبدیل به بخار میگردد. مخلوطی از آب و بخار مجدداً وارد مخزن بخار شـده و درآنجا دو فاز بخار و آب از طریق عبور از مراحل جداکننده آب و بخار از یکدیگر جـدا مـ یشـون د.
فاز بخار پس از عبور از مراحل مختلفی که برای جداسـازی ذرات آب از بخـار در درون مخـزنبخار در نظر گرفته شده اند، از آب جدا شده و از طریق خطـی جداگانـه و خروجـ یهـای بـالای مخزن بخار، وارد یک خروجی بخار می گردد. فاز مایع مجدداً برای تبدیل شدن به بخار، مسـیرقبلی را از لوله های پایین رونده، مخزن لجن، لوله ها بالارونده و ورود مجدد به مخزن بخـار طـیم یکند.
بخار خروجی از مخزن بخار به صورت بخار اشباع میباشد. بخار اشـباع در سـوپرهیترها بـهوسیله گازهای حاصل از احتراق، گرم شده و به شکل سوپرهیت درمی آیند. سوپرهیترها سـببحذف ذرات رطوبت از بخار و افزایش دمای آن به دماهای بالاتر از اشباع میگردند.
ممکن است سوپرهیترها یک یا دومرحله ای باشند. در سوپرهیترهای یک مرحلـه ای بعـد ازسوپرهیتر و در سوپرهیترهای دومرحله ای در بین مراحل قسمتی به نام دی هیتـر یـا ری هیتـروجود دارد. در این مرحله دمای بخار سوپرهیت عموماً به وسیله تزریـق آب کنتـرل مـ یگـرد د. بخار خارج شده از سوپرهیترها در انتها وارد هدری به نام هدر جمع کننـده یـاcollect header م یگردد. این هدر محصول واحد بویلر که همان بخار با دما و شرایط مورد نظر است را به سمت مصرف کننده ها می برد.
مکانیزم جریان آب در لوله های پایین رونده و بالارونده به دو صورت میباشد:
۱- گردش طبیعی: اساس کار سیستم های با گردش طبیعی، اختلاف دانسیته یا همان جرم حجمی در لوله های بالارونده و لوله های پایین رونده می باشد که به واسطه اختلاف دمای آب در لوله ها به وجود می آید.
آبی که به مخزن بخار وارد می گردد نسبت به آبی که در آنجا قرار دارد، سردتر است. از این رو دانسیته بیشتری نسبت به آب گرم درون مخزن بخار دارد. لذا قبل از اینکه کامًلاً با آب گرم شده، مخلوط گردد، از طریق لوله های پایین رونده به سمت مخزن پایینی یا مخزن لجن حرکت می نماید و از آنجا وارد لولههای بالارونده شده و در معرض تابش شعله قرار می گیرد. بخشـی ازاین آب در همین لوله ها بالارونده به بخار تبدیل می گردد و مجدداً وارد مخزن بخار می شود
همانطور که در شکل مشاهده می گردد، فشار در نقطه A برابر است با فشـار مخـزنبخار به اضافه فشاری که بر اثر نیروی وزن ستون آب وارد میگردد:
۰ +PA =ρAgh PA به طور مشابه و در نقطه B، فشار به صورت زیر محاسبه میگردد:
۰ +PB =ρBgh PB همانطور که گفته شد، دانسیته آب سرد در لوله های پایین رونده، بیشتر از دانسیته مخلـوطآب و بخار در لوله های بالارونده می باشد، از این رو فشار در نقطه B بیشتر از فشار در نقطـهA م یباشد. این اختلاف فشار بین دو نقطه طبق معادله ۳-۲() بدست میآید .
(P PB − =A gh(ρ ρB − A آب از نقطه با فشار بالاتر یعنی نقطه B به سمت نقطه A کـه فشـار کمتـری دارد، حرکـتم یکند. به عبارت دیگر به واسطه اختلاف دانسیته، گردش طبیعی شکل می گیرد.
در صورتی که فشار در بویلرهای لوله آبی بالا رود، اخـتلاف دانسـیته بـین بخـار و آب کـمم یگردد. همانطور که در رابطه مقابل مشاهده میکنید، کم شدن اختلاف دانسیته سبب کاهش اختلاف فشار و در نهایت کاهش مقدار جریان گردش طبیعی می گردد. در این حالت با افزایش دادن ارتفاع لوله ها یا به عبارتی افزایش فاصله بین مخزن بخار و مخـزن لجـن، مقـدار اخـتلاففشار را افزایش یافته و بدین ترتیب مقدار گردش طبیعی افزایش می یابد.
ب- گردش اجباری: مواقعی که از یک پمپ یا به عبارتی از یک نیروی خارجی، برای ایجـادگردش آب در لوله های پایین رونده و بالارونده استفاده گردد، گردش آب در بویلر را در گردش اجباری یا مثبت می گویند. از مزایای این نوع گردش می توان به سرعت بیشـتر درتولیـد بخـار،ظرفیت بیشتر جهت کنترل نوسانات بار، حرارت دادن به شـکل یکنواخـت تـر در قسـمت هـایمختلف و غیره اشاره نمود. از طرفی وجود یک پمپ برای ایجاد گردش سبب افزایش هزینه های عملیاتی و نگهداری میگردد. در عمل استفاده از گردش طبیعی متداولتر است.
به سه دلیل عمده آب بویلر مورد تصفیه قرار میگیرد، این دلایل عبارتند از:
- جلوگیری از تشکیل رسوب
- به حداقل رساندن خوردگی در سیستمهای بویلر و بخار
- حفظ کیفیت بخار
اصولاً فرایندهای تصفیه آب بویلر شامل دو دسـته تصـفیه خـارجی و داخلـی مـ یباشـ د. در تصفیه خارجی کارهایی چون حذف ذرات سوسپانسیونی، حـذف گازهـای حـل نشـده ای ماننـداکسیژن و سختی گیری از آب صورت می گیرد. در انتهای بخـش تصـفیه خـارجی بایـد مقـادیرسختی، قلیائیت، مقدار سولفات ها، سیلیکات و ذرات سوسپانسیونی موجـود در آب در کمتـرینمقدار خود باشند. مقدار مجاز این ترکیبات توسط انجمن سازندگانی بویلر در آمریکا یا ABMA تعیین و ارائه شده است، همانگونه که مشاهده می نماییـد، مقـدار ایـن پارامترهـا در فشـارهایمختلف فرق می کند. در کل هر چه فشار و دمای عملیاتی بویلر بالاتر باشد، باید در تصـفیه آبورودی به بویلر سختگیرانه تر عمل نمود، چرا که ناخالصی های موجود اثرات شدیدتری بر بـویلرمی گذارند. به عنوان مثال، مقدار مجاز سیلیکات در فشـا ر psi 200 در حـدو د ppm 125 و در فشار psi 800 در حدود ppm 02 می باشد. یعنی با افزایش فشار مقدار مجاز سـیلیکات در آببویلر کاهش یافته است.
تصفیه داخلی آب بویلر به علل مختلـف و بـا تزریـق مـواد شـیمیایی بـه آب بـویلر صـورتم یگیرد. مهم ترین دلایل تزریق مواد شیمیایی در این بخش شامل موارد زیر میباشد:
همانطور که در جدول مشاهده میشود، برای هر یک از مـوارد فـوق، مـواد مختلفـیمورد استفاده قرار می گیرند. به عنوان مثال برای تنظیم pH موادی چون کربنـات سـدیم و یـاسدیم هیدروکسید مورد استفاده قرار می گیرد. البته در هر واحدی بنـا بـه شـرایط فرآینـدی وطراحی، مواد مناسبی برای تصفیه داخلی مورد استفاده قرار می گیرد. به عنوان مثـال در واحـدتولید بخار مجتمع پتروشیمی بندر امام از موادی چون آمونیاک در آب ورودی به بویلر و قبل از ورود به دی اریتور ،DEHA در هیتر دی اریتـور، آمونیـاک و مـورفلین درStorage دی اریتـور وترکیبات فسفات در مخزن بخار استفاده می گردد.