عنوان مقاله:

انتخاب صحیح تجهیز رطوبت‌زدا در درام بويلر

.

نویسنده: رضا عبداله پور

کلمات کلیدی: تجهیز رطوبت‌زدا 

مقدمه

در هر فرآیند که شامل تماس بین مایع و جریان گاز است، قطرات کوچک مایع به همراه جریان گاز منتقل می‌شوند. از سال‌ها پیش، دستگاه‌های ویژه‌ای برای حذف قطرات مایع از مسیر جریان گاز ایجاد شدند. این دستگاه‌ها اکنون به عنوان رطوبت‌زدا شناخته شده‌اند، این تجهیزات سطح وسیعی را در حجم کمی برای جمع‌آوری مایع فراهم می‌کنند بدون اینکه ممانعت قابل ملاحظه‌ای برای جریان گاز ایجاد کنند. برخلاف فیلترها، که ذرات را به طور نامحدود نگه می‌دارند، رطوبت‌زداها قطرات ریز را جمع و ادغام می‌کنند و اجازه می‌دهند تا مایع تخلیه شود.
با توجه به اینکه به منظور کنترل رژیم شیمیایی آب در اواپراتورها نیاز به تزریق مواد شیمیایی به درام بویلر می‌باشد و به جهت حل شدن مقداری از ناخالصی‌ها در آب بویلر ضروریست از انتقال قطرات آب به همراه بخار به سمت سوپرهیتر جلوگیری شود. انتقال این ناخالصی‌ها موجب رسوب در سوپرهیتر و افزایش دمای دیواره تیوب می‌شود که می‌تواند منجر به سوراخ شدن تیوب‌های سوپرهیتر بویلر نیز شود، ضمنا انتقال این رسوبات مشکلاتی برای توربین بخار به همراه دارد. لذا در درام بویلرها به منظور جدایش قطرات آب از مسیر بخار خروجی و کنترل رژیم شیمیایی بخار خارج شده تجهیزی تحت عنوان درایر در درام بویلر در نظر گرفته می‌شود. انتقال ناخالصی‌ها (silica (SiO2), Sodium (Na), Iron (Fe), Copper (Cu), . . .) از درام بویلر به همراه جریان بخار به دو بخش تقسیم می‌شود:

1- انتقال مکانیکی (Mechanical Carryover): در این فرایند ناخالصی‌ها از طریق قطرات آب که در مسیر بخار هستند منتقل می‌شوند. از عمده عوامل مرتبط با این پدیده می‌توان به عملکرد تجهیزات داخلی درام، سطح آزاد آب در درام، ایجاد پدیده کف در درام (Foaming) و پاشش آب (Spray Water) در مسیر بخار اشاره کرد. به عنوان مثال اگر موقعیت قرارگیری درایرهای درام خوب انتخاب نشود، بازده جداسازی پایین می‌آید و Carryover اتفاق می‌افتد. نگهداشت بالای سطح آزاد درام باعث کاهش راندمان جداسازی و در نتیجه موجب وقوع پدیده Carryover می‌شود. استفاده از رژیم قلیایی بسیار بالا، وجود روغن در آب و یا TDS زیاد (مواد جامد محلول در آب) در درام بویلر منجر به کف کردن سطح آزاد درام بخار بویلر می‌شود و در نهایت Carryover را نتیجه می‌دهد.

2- انتقال از طریق جریان بخار (Vaporous Carryover): در این فرایند ناخالصی‌ها از طریق حل شدن در بخار منتقل می‌شوند. میزان Vaporous Carryover عموما با افزایش فشار درام بخار بیشتر خواهد شد هر چند در درام بویلر با فشار پایین Mechanical Carryover غالب خواهد بود. البته برای ناخالصی‌های فرار، مانند سیلیس با افزایش فشار درام بخار حلالیت ناخالصی‌ها در فاز بخار بیشتر می‌شود.
مقدار نهایی Carryover مجموع Mechanical Carryover و Vaporous Carryover می‌باشد. استفاده از تجهیزات رطوبت‌زدا در درام بویلر به منظور کنترل Mechanical Carryover بوده و طراحی آن باید به گونه‌ای باشد که کیفیت مجاز بخار خروجی در محدوده مورد نظر باشد. کنترل Vaporous Carryover نیز با کنترل رژیم شیمیایی آب در درام بخار بویلر ممکن می‌شود.
در صورتی که فشار درام پایین باشد و در واقع اختلاف چگالی آب و بخار نسبت به هم اختلاف قابل توجهی داشته باشند می‌توان با استفاده از اثر ثقلی جدایش را انجام داد. با افزایش فشار درام و کاهش اختلاف چگالی آب و بخار می بایست از تجهیزات کمکی به منظور حذف رطوبت از بخار استفاده ‌شود. مش پد، چورون و سیکلون از جمله تجهیزاتی است که در این خصوص یا به تنهایی و یا با ترکیبی از هم استفاده می‌شوند. انتخاب فن آوری مناسب برای دستیابی به عملکرد و مشخصات مطلوب در زمینه جداسازی قطرات مایع از مسیر جریان بخار بخصوص در شرایط تحت فشار و دمای بالا ضروری است. با توجه به اهمیت حذف قطرات آب از مسیر بخار در درام بویلر این مقاله در مورد برخی سناریوهای مطرح در این خصوص صحبت می‌کند و دیدگاه بسیاری از روش‌ها و فن آوری‌های نوآورانه را نشان می‌دهد که با محوریت هزینه و کارآیی مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

جداسازی بر اثر جاذبه‌ی طبيعی

اين روش جداسازی، به سرعت ورودی آب / بخار به درام، محل ورود، کيفيت ميانگين بخار ورودی و فضای در دسترس در بالای سطح آب بستگی بسیاری دارد. اين روش براي دبی‌های پايين بخار استفاده مي‌شود. در اين شرايط بايد زمان کافی برای جدايش حباب‌های بخار از مخلوط توسط جاذبه وجود داشته باشد به گونه‌ای که حباب‌های بخار وارد لوله‌های پايين‌آورنده نشوند و همچنين ذرات آب همراه بخار خارج نشود.
در صورت افزايش دبی و افزايش سرعت خروج بخار از سطح، زمان کافی برای جدايش وجود نخواهد داشت و افزون بر افزايش سطح آب درام و افزايش ميزان Carry over موجب ورود بخار به مسير لوله‌های پايين‌آورنده نيز می‌شود. در اين‌گونه جداكننده‌ها، به‌علت ورود مستقيم آب و بخار به درون درام، چيدمان رايزر از اهميت بالايی برخوردار است. چيدمان رايزر بايد به‌گونه‌ای باشد که هم از تلاطم سطح جلوگيری شود و هم از خروج ذرات آب با بخار جلوگيری گردد و هم اينکه ذرات بخار وارد لوله‌های پايين‌آورنده نگردد. امروزه باتوجه‌ به ظرفيت بالای درام‌ها استفاده از روش جداسازی طبيعي اقتصادی نمی‌باشد.
محاسبات اولیه برای بررسی سرعت جریان برای بررسی امکان جدایش قطره از برابری وزن قطره با نیروی اصطکاک حاصل می‌شود.
 

شکل 1 شکل شماتیک نیروهای وارد بر قطره

مقدار C_D وابسته به نوع جریان و اندازه قطره بوده و با استفاده از جدول و یا نمودار زیر قابل محاسبه می‌باشد.

شکل 2 نمودار ضریب درگ بر حسب رینولدز

جداسازهای نوع بفل
وظیفه اصلی تجهیزات داخلی درام فراهم‌سازی آب بدون بخار برای مدار سیرکولیشن و بخار بدون آب برای سوپر هیتر و توربین می‌باشد ورود بخار به لوله‌های پایین آورنده (Down comer) موجب کاهش هد برای سیرکولیشن شده و چنانچه قبلا نیز اشاره شد ورود قطرات آب به همراه بخار مشکلاتی را برای سوپرهیتر و توربین ایجاد می‌کند. از ابتدایی‌ترین تجهیزات توسعه داده شده برای جلوگیری از این مشکلات جداکننده‌های نوع بفل می‌باشد. اين جداکننده‌ها در واقع نوع توسعه يافته‌تر از جدايش ناشي از اختلاف ثقلی هستند که مشکلات مربوط به تلاطم سطح، ورود بخار به لوله‌های پايين‌آورنده و انتقال ذرات رطوبت با بخار در آن کاهش يافته است. بفل‌ها صفحاتی هستند كه در مسير آب و بخار خروجي از رايزرها قرار داده شده و به بهبود فرايند جداسازی آب و بخار كمك می‌نمايند.
بفل‌ها با استفاده از سه عملکرد اصلي زیر به جدایش آب و بخار در درام کمک می‌کنند.

• تغيير جهت
• توزيع بهتر ترکيب آب و بخار
• افزايش طول مسیر طی شده برای جريان آب و بخار

شکل  3  نمایی از طرح بفل در نظر گرفته شده برای درام بویلر

جداسازهای مکانيکی گريز از مركز
اين نوع جدايش با استفاده از نيروی سانتريفوژ و شتاب‌دهنده‌های شعاعي انجام می‌شود. در اين نوع جدايش، بر اثر نيروی گريز از مرکز و اختلاف دانسيته‌ی آب و بخار، ذرات آب از جريان بخار جدا شده و به سطح آب برمی‌گردند و بخار به سمت بالای درام حركت می‌كند. در فشار‌های بالاتر كه اختلاف دانسيته‌ی آب و بخار كاهش می‌يابد، جداکننده‌های مکانيکی که براساس گريز از مرکز عمل می‌کنند بازده بالاتري نسبت به انواع ديگر جداسازها دارند. در شکل زير يک نمونه از چيدمان جداساز نوع بفل و جداساز مكانيكی نوع گريز از مركز (سیکلون) در داخل درام نشان داده شده است.

شکل 4 نمایی از سیکلون

در هر فشار ظرفیت مجاز برای هر سیکلون که تابعی از هندسه طراحی شده برای آن می‌باشد، در نظر گرفته می‌شود. البته افت فشار این سیکلون‌ها نیز مهم بوده که تابعی از هد سرعت (Velocity Head) مخلوط آب و بخار ورودی به سیکلون می‌باشد. در صورتیکه افت فشار سیکلون‌ها زیاد شود با توجه به موقعیت قرارگیری آن امکان مختل شدن مدار سیرکولیشن بویلر ممکن می‌شود.

شکل 5  نمودار بار مجاز هر سیکلون بر حسب فشار عملکردی آن برای یک نمونه سیکلون

جداسازهای Wire Mesh و Fiber Bed
رطوبت‌گير شبكه‌اي يا مش پد كه در جداسازی مايعات از جريان گاز به كار می‌روند به شبكه هايی از الياف سيمی يا پلاستيكی به هم بافته شده گفته می‌شوند كه محیط به هم فشرده‌ای با ضخامت مشخص را تشكيل می‌دهند. نحوه جداسازی مايعات به اين گونه است كه علاوه بر آن كه سرعت قطرات مايع موجود در جريان گاز با برخورد به اين الياف به هم تنيده شده كاهش پيدا می‌كند اين قطرات به هم می‌پيوندند و قطرات بزرگتری را ايجاد می‌كنند. سپس قطرات درشت شده با تاثير نيروی گرانش سقوط می‌كنند و از جريان گاز حذف می‌گردند. معمولاً مش پدها به صورت افقي در مخزن قرار می‌گيرند اما می‌توان با يك طراحی مناسب از آن‌ها در جهت‌های ديگر نيز بهره برد.
طراحی بهينه مش پد شامل انتخاب نوع و ضخامت الياف، نوع بافت و ضخامت و سطح مش پد، يك دانش كاملاً به روز است كه می‌تواند مزايای اقتصادی زيادی را از كاهش هزينه‌های تمام شده ساخت گرفته تا افزايش كارايی به همراه داشته باشد. مش پدهای رایج در درام بویلر از سيم‌هايی با قطر 0.1mm تا 0.28mm ساخته می‌شوند. ضخامت مش‌پدها عموما از 100mm تا 300mm انتخاب می‌شوند. اين سيم‌های درهم تنيده، مجموعه‌ی متخلخلی را به‌وجود می‌آورند كه رطوبت بخار عبوری را از آن جدا می‌نمايند.

شکل 6  درام با استفاده از جداکننده های گريز از مركز

در حالت کلی در یک درایر حذف قطرات از مسیر جریان بخار در سه مرحله انجام می‌شود:
1- برخورد و اتصال (Impingement)
2- انسجام قطرات و تشکیل قطره بزرگتر (Coalescence)
3- تخلیه از مسیر جریان (Drainage)
در استفاده از مش پد عینا مراحل فوق مطابق با شکل شماتیک زیر انجام می‌پذیرد. در صورتی که نیاز به دست یابی به راندمان بالا داشته باشیم از Fiber Bed استفاده می‌شود قطر الیاف بکار رفته حدود 0.01mm می‌باشد که بسیار پایین‌تر از وایرهای فلزی است. به جهت متریال مورد استفاده اين گونه درایرها براي ظرفيت و دمای پايين و عموماً براي محيط‌های خورنده مانند واحدهای شيميايی و برای خشك‌كردن گازهايی مانند آمونياك به‌كار گرفته می‌شوند. همچنین برای قطرات با قطرهای زیر میکرون که نیروی Brownian اهمیت قابل توجهی دارد و حرکت تصادفی ذرات مایع اهمیت بیشتری پیدا می‌کند طراحی Fiber Bed با قطر الیاف بسیار پایین اهمیت قابل توجهی دارد.

شکل 7  درام با استفاده از جداکننده های گريز از مركز

برای دستیابی بهترین عملکرد جداسازی، توزیع یکنواخت جریان گاز به منظور استفاده از حداکثر مساحت مؤثر، از اهمیت بالایی برخوردار است. مواردی همچون جانمایی صحیح و انتخاب موقعیت مناسب، انتخاب فاصله ورودی تا درایر، همچنین فاصله تا خروجی و سایر تجهیزات داخلی درام بسیار مهم است. به منظور تعیین سطح مقطع جریان ورودی به منظور پیش‌بینی راندمان حذف قطرات از مسیر بخار سرعت جریان گاز ورودی بهینه می‌بایست مشخص شود. همچنین خفگی جریان و یا بازگرداندن مجدد مایعات در صورت جلوگیری از عبور جریان گاز می تواند رخ دهد. از این رو با تعیین سرعت مناسب تجهیزات با استفاده از معادله معروف Souders-Brown ، مساحت موثر بدست می‌آید.

مقدار K وابسطه به پارامترهای مختلفی از سیستم شامل نوع جداکننده انتخابی، لزجت سیال، کشش سطحی، مقدار قطرات آب ورودی و . . . می‌باشد. و حتی برای استفاده برای سایر نوع‌های درایر نیز مفید می‌باشد. معمولا رنج مقدار K برای درایرهای مختلف به شرح زیر می‌باشد.

جداسازهای Vane Dryer
وين پك‌ها كه با نام رطوبت گيرهای صفحه‌ای نيز شناخته می‌شوند از تعدادی صفحه موازی خم شده كه معمولاً داراي زائده‌هايی به نام پاكت هستند تشكيل می‌شوند. جريان گاز با عبور از بين اين صفحات مجبور به تغيير مسير ناگهانی می‌شود اما قطرات موجود در جريان نمی‌توانند به سرعت گاز مسير خودر را تغيير دهند و بنابراين به صفحات برخورد می‌نمايند. ذرات ريز مايع با پيوستن به يكديگر روي ديواره قطرات بزرگ‌تری را بوجود می‌آورند كه در اثر نيروی گرانش به پايين سقوط می‌كنند و از جريان گاز حذف می‌گردند.

شکل 8  Chevron یا Vane Dryer

شکل 9 جداسازی قطرات به جهت اینرسی بالا و برخورد به دیواره

تعبيه پاكت مناسب می‌تواند با جلوگيري از ورود مجدد قطرات به هم پيوسته به جريان گاز بازدهی را به ميزان چشمگيری افزايش ‌دهد. بسته به نوع كاربرد، صفحات وين پك می‌توانند داراي پروفيل زيگ زاگ يا سينوسي باشند همچنين می‌توانند بدون پاكت، تك پاكته و دوپاكته ساخته شوند. انتخاب درست نوع پروفيل صفحات و تعيين فاصله بين آنها ضخامت و سطح وين پك و حتی ضخامت و جنس صفحات بازدهي مجموعه را افزايش و هزينه‌های ساخت وين پك را كاهش می‌دهد.

شکل 10 نمایی از مدل های مختلف Chevron

وين پك‌ها که با نام Chevron و يا Corrugated Plate Mist Eliminator نيز شناخته می‌شوند، قادر به حذف ذرات با قطر 10 ميکرون و بزرگ‌تر می‌باشند. برای شناسایی رفتار و عملکرد جریانی چورون، شبیه سازی‌های کاملی انجام شده و منحنی‌های عملکردی آن‌ها در شرایط مختلف جریانی و با توجه به فیزیک مساله و قطر قطرات در جریان مورد بررسی قرار داده شده است. بررسی استفاده از مدل‌های مختلف متلاشی شدن قطرات به واسطه سرعت جریان و یا مدل‌سازی رفتار قطرات در برخورد با یکدیگر و همچنین رفتار قطرات در برخورد با دیواره ما را به یافتن مدل دقیقی از رفتار چورون هدایت کرد. و در نهایت منحنی عملکردی آن حاصل شد.

شکل 11 شکسته شدن قطره و تبدیل به قطرات با قطر کوچکتر و رفتار برخورد قطرات با یکدیگر

شکل 12 منحنی عملکرد یک نمونه چورون بر حسب سرعت جریان ورودی و سایز قطرات ورودی

تركيب درایرها
به منظور تركيب مزيت‌های تجهيزات معرفی شده حسب شرايط كاركرد مورد نياز معمولا از تركيب Mesh Pad و Chevron و یا Cyclone و Chevron استفاده می‌شود. با استفاده از تركيب Mesh Pad+Chevron (قرار گیری Chevron در پایین دست مش پد) می‌توان از مزیت راندمان بالاي Mesh Pad و ظرفيت بالای Chevron بهره برد. در این حالت سرعت جریان از سرعت طراحی و معمول برای مش پد بیشتر شده و در واقع مش پد نقش یک agglomerator را ایفا می‌کند در نتیجه قطرات جذب شده در مش پد با اندازه بزرگتر مجددا وارد جریان شده و در چورون جداسازی می‌شود. افزایش سرعت، افزایش راندمان مش را به همراه داشته و لذا راندمان مجموعه افزایش خواهد یافت. استفاده از تركيب Chevron+Mesh Pad (قرارگیری Chevron در بالا دست مش پد) می‌توان از مزیت حداکثری ظرفیت بالای جداسازی حجم قطرات همراه جریان بخار در چورون و راندمان بالای مش استفاده شود. همچنين از تركيب Cyclone+Chevron می‌توان تركيب راندمان جداسازی‌ قطرات آب در دو تجهيز استفاده نمود.