آب بویلرهای دارای درام را میتوان بهطور کلی به سه بخش آمادهسازی آب تغذیه، آب کندانس و آب بویلر تقسیم کرد. تجهیزات پیش از بویلر شامل خطوط آب تغذیه و آب کندانس هستند که از مواد مختلف ساخته میشوند. برای به حداقل رساندن خوردگی، کنترل مناسب pH، اکسیژن محلول و گاز دیاکسیدکربن و کاهش آنها ضروری است.
کنترل pH آب تغذیه و کندانس
در محدوده دمای آب تغذیه، مطلوب است pH آب بالا باشد؛ زیرا در pH پایین شدت خوردگی فولاد توسط آب افزایش مییابد. از سوی دیگر، آلیاژهای مسی در آب با pH بالا خورده میشوند، بهخصوص در حضور آمونیاک و سود. کنترل pH آب تغذیه در حدود ۹ مناسب است و استفاده از آمونیاک معمولاً نتیجه بهتری دارد.
pH مناسب آب کندانس و آب تغذیه برای هر واحد باید بهطور مستقل تعیین شود. بهطور عمومی، برای واحدهای دارای گرمکن آب با آلیاژ مس، محدوده pH حدود ۸٫۵ تا ۹ و برای واحدهای دارای گرمکن آب از جنس فولاد، محدوده ۹ تا ۹٫۵ مناسب است.
کاهش اکسیژن محلول
اکسیژن محلول اصلیترین عامل خوردگی است. در عملیات عادی، اکسیژن محلول بر اثر نشت هوا از آب تغذیه و آب بویلر و نیز تخلیه گرمکنهای فشار پایین و آب جبرانی خطوط آب کندانس افزایش مییابد. هنگام راهاندازی نیز مقدار زیادی اکسیژن محلول وارد آب میشود؛ بنابراین کاهش اکسیژن آب ضروری است.
کاهش اکسیژن به دو روش انجام میشود. بخش عمده اکسیژن بهصورت مکانیکی توسط سیستم کاهش هوای کندانسور و هواگیر از آب حذف میشود. کاهش نهایی به روش شیمیایی و با استفاده از موادی مانند هیدرازین و سولفیت سدیم انجام میگیرد؛ این مواد اکسیدهای فلزی را نیز به پایدارترین حالت کاهش میدهند. این دو روش مکمل یکدیگرند و برای اطمینان از حذف کامل اکسیژن باید هر دو انجام شوند.
سیستم مکانیکی هواگیری بهتنهایی نمیتواند با مواد شیمیایی جبران شود و مواد شیمیایی نیز قادر نیستند اکسیدهای فلزی تشکیلشده پیش از هواگیری را بهطور کامل کاهش دهند. به دلیل سمی بودن هیدرازین و محدودیت آن در صنایع غذایی، در این مقاله تمرکز بر سولفیت سدیم است.
واکنشهای سولفیت سدیم
سولفیت سدیم معمولاً در بویلرهای با فشار پایین، حدود ۲۵۰ psi، استفاده میشود؛ هرچند در برخی منابع استفاده آن تا ۶۰۰ psi و دمای حدود ۲۵۴ درجه سانتیگراد نیز ذکر شده است.
2Na₂SO₃ + O₂ → 2Na₂SO₄
این واکنش در دمای پایین کند است و افزودن کاتالیزورهایی مانند نمک کبالت، سرعت آن را افزایش میدهد:
O₂ + 6CoSO₄ + 2H₂O → 2Co₂(SO₄)₃ + 2Co(OH)₂
Co₂(SO₄)₃ + Co(OH)₂ + Na₂SO₃ → Na₂SO₄ + 3CoSO₄ + H₂O
سولفیت سدیم مانند دیگر جاذبهای اکسیژن میتواند Fe₂O₃ را به Fe₃O₄ احیا کند. با این حال، یکی از معایب آن تجزیه حرارتی و ایجاد ترکیباتی است که ممکن است خوردگی سایر بخشها، از جمله پرههای توربین، را افزایش دهد.
Na₂SO₃ + H₂O + حرارت → 2NaOH + SO₂
2Na₂SO₃ + 2H₂O + حرارت → 3Na₂SO₄ + 2NaOH + H₂S
در غلظت حدود ۱۰ ppm و فشار ۹۰۰ psi، تجزیه سولفیت انجام میپذیرد. از معایب دیگر مصرف آن، افزایش کل جامدات حلشده آب بویلر است که نهایتاً میزان تخلیه و مصرف آب را افزایش میدهد.
مقدار نظری سولفیت سدیم برای حذف یک واحد اکسیژن حدود هشت واحد است. دستورالعملها با توجه به شرایط، باقیمانده سولفیت را معمولاً در محدوده ۳۰ تا ۱۰۰ ppm پیشنهاد میکنند. همچنین توصیه میشود از تجهیزات هواگیری مکانیکی برای رساندن اکسیژن به کمتر از ۵ ppm استفاده شود.
تصفیه داخلی آب بویلر
هدف از آمادهسازی داخلی آب بویلر، جلوگیری از تشکیل رسوب ناشی از سختی آب و کنترل pH برای پیشگیری از خوردگی است. چهار روش اصلی به شرح زیر به کار میروند:
- کنترل شیمیایی فسفات ـ هیدروکسید
- روش هماهنگ فسفات ـ pH
- استفاده از مواد شلاتهکننده
- استفاده از بازدارندههای فرار
روش فسفات ـ هیدروکسید
این روش از متداولترین روشهای کنترل شیمیایی برای دیگهای فشار کمتر از ۱۰۰۰ psi است. سه دلیل اصلی استفاده از فسفات در دیگهای بخار عبارتاند از: نقش بازدارنده خوردگی، بافری کردن آب و تنظیم pH در محیطهای اسیدی، و کنترل تشکیل رسوب چسبنده سولفات کلسیم و تبدیل آن به رسوبات غیرچسبنده مانند فسفاتهای کلسیم و منیزیم.
فسفات بهعنوان بافر عمل میکند و میتواند از افزایش موضعی مقدار سود جلوگیری کند. سود اضافی با فسفات دیسدیم ترکیب شده و فسفات تریسدیم تشکیل میدهد:
Na₃PO₄ + H₂O → NaOH + Na₂HPO₄
در این روش از فسفات و سود برای تنظیم pH در محدوده حدود ۱۰٫۵ تا ۱۱٫۲ استفاده میشود. هدف اصلی، جلوگیری از رسوب نمکهای کلسیم و منیزیم است. فسفات کلسیم در شرایط مناسب pH، هیدروکسیآپاتیت Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ را تشکیل میدهد که خاصیت چسبندگی کمی دارد. در مقابل، تریکلسیم فسفات در pH پایینتر از حدود ۱۰٫۲ رسوب میکند.
سود نیز قادر است با منیزیم، Mg(OH)₂ تشکیل دهد؛ در pH بالاتر از حدود ۱۰٫۵، فسفات منیزیم با چسبندگی کمتر تشکیل میشود.
روش هماهنگ فسفات ـ pH
در این روش، فسفات باقیمانده و pH آب بویلر زیر مقدار معینی نگه داشته میشوند تا حل شدن فسفات تریسدیم در آب باعث محدود شدن آزادسازی هیدروکسید سدیم گردد. این کنترل از بازتشکیل یون فسفات از یون هیدروکسید در شرایط غلظتیافتگی جلوگیری میکند و معمولاً برای بویلرهای با فشار متوسط حدود ۱۰۰ کیلوگرم بر سانتیمتر مربع استفاده میشود.
منحنی غلظت یون فسفات بر حسب pH نشان میدهد که اگر آمادهسازی بهگونهای باشد که نقطه عملکرد زیر منحنی قرار گیرد، قلیائیت آزاد تشکیل نخواهد شد و ترکیباتی مانند NaHCO₃ و Na₂CO₃ تجزیه نمیشوند و NaOH تولید نمیگردد. با توجه به فشار بویلر، محدوده فسفات پیشنهادی در pHهای مختلف تغییر میکند.
استفاده از شلاتهکنندهها
دو ماده مهم شلاتهکننده در صنعت، اتیلندیآمینتترااستیک اسید (EDTA) و نیتریلوتریاستیک اسید (NTA) هستند. ویژگی انحلالی EDTA و NTA برای رفع رسوبات بویلر کاربرد دارد. شلاتهکننده برای پیوند با یونهای فلزی موجود در آب به سیستم تزریق افزوده میشود و با رسوباتی مانند تریکلسیم فسفات و هیدروکسید منیزیم واکنش میدهد.
کلسیم و منیزیم محلول نیز توسط شلاتهکننده مهار میشوند. این مواد با یونهای دوظرفیتی مانند کلسیم، منیزیم و آهن ترکیب شده و کمپلکسهای محلول و غیررسوبی ایجاد میکنند که با تخلیه و جایگزینی آب جدید از سیستم خارج میشوند.
استفاده از بازدارندههای فرار
در این روش اغلب از موادی مانند هیدرازین، آمونیاک یا آمینهای فرار استفاده میشود. این روش بیشتر برای دیگهای بدون درام کاربرد دارد.
کندیته بخارات کندانس (آب کوره) اگر از ۸۰۰ میکروزیمنس بر سانتیمتر بیشتر باشد، انتقال یونهای Fe²⁺ و OH⁻ سریعتر شده و سرعت واکنشهای آندی و کاتدی و در نتیجه خوردگی افزایش مییابد.
اگر یون کلر بیش از ۱۰۰ ppm باشد، خوردگی زیاد است؛ معمولاً ۵۰ ppm کم، ۱۰۰ ppm زیاد و ۱۵۰ ppm خوردگی شدید در نظر گرفته میشود. یون سولفات SO₄²⁻ نیز مانند کلر از یونهای مهاجم است، فیلم محافظ را تخریب میکند و از تشکیل مجدد آن جلوگیری مینماید. حفرهدار شدن آهن با افزایش این یون و اکسیژن محلول تشدید میشود.