بویلر

شاید این سوال برای شما نیز پیش آمده باشد که کار بویلر یا دیگ بخار چیست ؟ در سیستم‌ های گرمایشی و یوتیلیتی، انواع بویلر های صنعتی برای تولید آب گرم، آب داغ و بخار استفاده می‌شوند. در بویلر ها، مشعل وظیفه تولید حرارت را بر عهده دارد و بویلر به عنوان یک مبدل حرارتی، حرارت تولیدی مشعل را به آب منتقل می‌کند و متناسب با نیاز مصرف کننده، آب گرم، آب داغ و یا بخار (بخار اشباع یا بخار سوپرهیت) تولید می‌کند.در مقاله ای که برای علاقه مندان به احتراق صنعتی در ادامه نوشته ایم، همه چیز درباره بویلر یا دیگ بخار آورده شده است. شما را به مطالعه این مقاله با مدت زمان تقریبی 10 دقیقه دعوت می کنیم.

بویلر یا دیگ بخار چیست ؟

انواع بویلر های صنعتی از دو سیستم اصلی تشکیل شده‌اند:

• سیستم آب و بخار که به آن سمت آب دیگ نیز گفته می‌شود. در سمت آب، آب با دریافت انرژی از مشعل گرم شده و به صورت بخار یا آب گرم یا داغ از بویلر خارج می‌شود.

در بویلر ها لازم است تعادل شیمیایی آب حفظ شود. با سیستم کنترل آب تغذیه بویلر می‌توان این تعادل را حفظ کرد. می‌توان با در نظر گرفتن مقدار برداشت آب (کم شدن آب از بویلر)، آب تغذیه را کنترل کرد، به خصوص اگر برداشت به صورت مداوم باشد. برداشت آب مداوم یک روش رایج برای کنترل غلظت مواد شیمیایی است. در بویلر های بزرگ این کار ممکن است به طور خودکار با اندازه گیری هدایت الکتریکی آب بویلر برای کنترل نرخ برداشت آب انجام گیرد.

• سیستم سوخت و هوا و گاز دودکش که به آن سمت آتش نیز گفته می‌شود. وظیفه این سیستم تامین انرژی برای گرم کردن آب است. ورودی این سیستم هوا و سوخت است که با ترکیب مناسب با توجه به بار بویلر انرژی تولید می‌گردد. خروجی این سیستم نیز گازهای حاصل از احتراق یا خاکستر است.

قسمت های مختلف بویلر های صنعتی به صورت شماتیک در شکل زیر نشان داده شده است.

سیستم بخار آب و سیستم سوخت-هوا در بویلر

انواع بویلر های صنعتی

بویلر های صنعتی متناسب با محل گردش آب و گاز های داغ حاصل از احتراق به دو دسته اصلی بویلر های واتر تیوب و فایر تیوب تقسیم می‌ شوند.

بویلر یا دیگ بخار فایر تیوب چیست ؟

انواع بویلر‌ های فایر تیوب از اواخر قرن هجدهم تاکنون با اشکال اولیه گوناگونی برای تولید بخار و آب گرم جهت مصارف صنعتی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. دیگ‌ بخار لوله آتشی هنوز هم در صنایع مختلف بکار می‌رود. در آن ها بخار اشباع با فشار حداکثر 8/1 مگاپاسکال و ظرفیت تا 25 تن بر ساعت تولید می‌ شود. در بویلر های فایر تیوب برای تولید آب گرم، آب داغ و بخار اشباع یا سوپرهیت با فشار پایین (معمولا تا 30 بار)، آب در داخل مخزن بویلر قرار می‌گیرد و گاز های حاصل از احتراق در محفظه احتراق (پاس اول) و لوله‌های پاس دوم یا سوم گذر می‌کنند. در این بویلر ها انرژی از طریق محفظه احتراق و لوله‌ های پاس دوم یا سوم به آب داخل مخزن بویلر فایر تیوب منتقل می‌شود و آب گرم یا بخار تولید می‌شود. در صورت نیاز به بخار سوپرهیت گاز‌ های داغ احتراق پس از گذر از پاس‌ های دوم و سوم وارد سوپر هیتر در بویلر خواهند شد و پس از تبادل گرما از دودکش وارد اتمسفر می‌شوند.

انواع بویلر فایر تیوب با توجه به تعداد پاس‌های گذر دود به صورت زیر تقسیم بندی می‌شود:

• بویلر فایرتیوب دو پاس: این بویلر ها بر خلاف بویلرهای یکبار گذر، دارای دو پاس شامل کوره و لوله‌ های آتش خوار هستند. این بویلر ها دارای کمترین راندمان در بین انواع بویلر های فایر تیوب هستند و تولید آن‌ها رو به اتمام است.
• بویلر فایر تیوب کوره برگشتی: این بویلر ها دارای راندمان بالاتری نسبت به بویلر فایر تیوب دو پاس هستند و بیشتر انرژی در کوره به آب منتقل می‌شود. در این بویلر ها گاز های حاصل از احتراق دو بار مسیر محفظه احتراق را طی می‌ کنند و سپس به پاس لوله‌ ها وارد می‌شوند. این بویلر ها اکثرا همراه با اکونومایزر ساخته می‌شوند و بازدهی تا 80% دارند.
• بویلر فایر تیوب سه پاس: این بویلر ها رایج‌ترین دبگ بخار فایرتیوب هستند که راندمانی تا 86% دارد. گاز های حاصل از احتراق پس از گذر از محفظه احتراق از لوله‌ های پاس دوم و سوم عبور می‌ کنند و سپس از دودکش خارج می‌ شوند. در صورت وجود سوپر هیتر در بویلر، گاز های احتراق پس از گذر از پاس دوم وارد سوپر هیتر می‌ شوند و با عبور از سوپر هیتر وارد پاس سوم می‌ شوند و سپس از دودکش خارج می‌ شوند. طرز کار بویلر فایر تیوب سه پاس، به صورت شماتیک، در ادامه آورده شده است.

شماتیک یک دیگ بخار فایر تیوب سه پاس

اجزای تشکیل دهنده بویلر یا دیگ بخار فایر تیوب سه پاس

یک نمونه بویلر یا دیگ بخار فایر تیوب

با توجه به روابط تنش در استوانه‌های جدار نازک با افزایش قطر، تنش ایجاد شده در راستای محور استوانه افزایش می‌یابد. لذا استفاده از این بویلر ها برای تولید بخار فشار بالا مناسب نیست. برای تولید بخار فشار بالا نیاز است بخار پر فشار به جای قرار گرفتن در محفظه بویلر در داخل لوله‌ جریان یابد. بدین منظور بویلر های واتر تیوب طراحی و تولید شدند. این بویلر ها در صنایع نیروگاهی می‌توانند بخار تا فشار 24 مگاپاسکال ایجاد کنند.

بویلر یا دیگ بخار واتر تیوب چیست؟

نمونه اولیه بویلر بخار واتر تیوب توسط جورج بابکوک و استفن ویلکاکس در سال 1867 ساخته شد. آن‌ها این دیگ را دیگ بخار واتر تیوب غیر انفجاری نامیدند که اشاره‌ ای به انفجار های فاجعه آمیز فراوان بویلر ها در آن زمان داشت. به هر حال ساخت این بویلر ها تا اوایل قرن بیستم تحقق نیافت تا این که توربین بخار که نیازمند بخار با فشار و جریان بالا است، اختراع گردید.

همانطور که اشاره شد، انواع بویلر های صنعتی فایر تیوب برای داشتن چنین فشار ها و ظرفیت‌ های بالایی، نیازمند پوسته‌ای با قطر بزرگ بودند. قطر بزرگ پوسته همچنین برای تحمل تنش های دمایی و فشاری بالا ضروری است که لازمه‌ ی آن ضخامت بیش از اندازه پوسته است. در مقابل فشار بخار در بویلر های واتر تیوب به لوله‌ ها و استوانه‌ های نسبتا کم قطر وارد می‌ شود.

اجزای تشکیل دهنده دیگ بخار واتر تیوب عبارتند از: مشعل، اکونومایزر، دسته لوله‌ها، منبع لجن و منبع بخار. منبع لجن در سمت پایین بویلر و منبع بخار در قسمت بالای بویلر قرار دارد. آب تغذیه، که می‌تواند آب کندانس شده در حین فرآیند یا آب تازه باشد، وارد منبع لجن می‌شود و با گرم شدن طبق خاصیت ترموسیفون (به انگلیسی: Thermosiphon)، آب به سمت منبع بخار حرکت کرده و با حرکت در لوله‌ ها و گرفتن انرژی گاز های داغ احتراق داخل بویلر، بخار شده و در صورت نیاز نیز وارد سوپرهیتر بویلر می‌شود. در نهایت بخار سوپرهیت وارد منبع بخار می‌ شود. بویلر های بخار واتر تیوب می‌ توانند دارای چندین مشعل (به انگلیسی: Multi-Burner Boiler) باشند. مطابق شکل زیر هر مشعل دارای یک شعله کوچک است و در مجموع این شعله‌ ها یک شعله بزرگ را تشکیل می‌دهند.

ساختار بویلر یا دیگ بخار واتر تیوب

ساختار دیگ بخار واتر تیوب به همراه چندین مشعل

بویلر بخار واتر تیوب

اجزای تشکیل دهنده بویلر یا دیگ بخار چیست ؟

کوره یا محفظه احتراق

محل تشکیل شعله مشعل است که در آن مخلوط سوخت و هوا با یکدیگر واکنش می‌دهد و انرژی سوخت آزاد می‌ شود. در انواع بویلر فایر تیوب، کوره به شکل یک استوانه است که انتهای آن به لوله‌ های پاس دوم متصل است و گاز های داغ حاصل از احتراق پس از عبور از محفظه احتراق وارد پاس دوم بویلر خواهد شد. در بویلر های واتر تیوب، کوره یک محفظه بزرگ است که لوله‌های آب دور تا دور آن قرار گرفته‌اند و گاز های احتراق پس از برخورد با لوله‌ ها و انتقال انرژی از دودکش خارج می‌شوند.

محفظه احتراق چیست؟

بویلرها برای تامین هوای احتراق و خروج دود حاصل از احتراق دارای فن‌های مکشی (Induced Fan) و دهشی (Forced Fan) هستند. در بویلر های فایرتیوب از فن‌ دهشی استفاده می‌شود در حالی که در بویلر های واترتیوب بزرگ از فن‌های دهشی برای تامین هوای اولیه و ثانویه و OFA استفاده می‌شود. فن‌های مکشی با ایجاد فشار منفی در بویلر، خروج گاز های احتراق را تسهیل می‌کنند. فن‌های مکشی نیروی درفت دودکش را کنترل می‌کند.

جعبه هوا (Windbox)

جعبه هوا در بویلر های واترتیوب مورد استفاده قرار می‌گیرند و با توزیع هوای اولیه و ثانویه عملکرد مشعل را بهبود می‌بخشد.

مبدل حرارتی گاز دودکش

برای کاهش اتلاف حرارت گاز های دودکش و افزایش راندمان بویلر، یک مبدل حرارتی در خروجی دودکش قرار می‌گیرد و دود با دمای پایین‌تر به اتمسفر تخلیه می‌ شود.

پیش گرمکن هوای احتراق

این گرمکن یک مبدل حرارتی است که مطابق زیر، انرژی گاز دودکش را به هوای احتراق منتقل می‌کند. هوای احتراق قبل از اختلاط با سوخت از این مبدل حرارتی عبور می‌کند و بازدهی بویلر را افزایش می‌دهد. با استفاده از پیش‌گرمکن هوا تقریبا به ازای افزایش هر 40 فارنهایت (5/4 درجه سانتی‌گراد) دمای هوای احتراق یک درصد در مصرف سوخت صرفه‌جویی می‌شود.

اکونومایزر

مبدل حرارتی دیگری که در انواع بویلر های صنعتی استفاده می شود، اکونومایزر است. در این مبدل حرارتی، انرژی گازهای دودکش به آب تغذیه منتقل می‌شود. در بویلر های صنعتی، بزرگ مطابق شکل زیر، معمولا هر دو مبدل حرارتی پیش گرمکن هوا و اکونومایزر وجود دارد. در این بویلر ها ابتدا گاز دودکش در اکونومایزر، آب تغذیه را گرم می‌کند و سپس با عبور از پیش گرمکن هوا، هوای احتراق گرم می‌شود. با این کار از هدر رفت انرژی گاز های دودکش جلوگیری خواهد شد. باید به این نکته توجه کرد در بویلرهایی که از SCR استفاده می‌کنند، لازم است دمای گاز دودکش از یک دمای حدی بالاتر باشد. لذا زمانی که بویلر در ظرفیت‌ های پایین کار می‌کند، برای جلوگیری از کاهش بیش از حد دمای دودکش ممکن است اکونومایزر بای‌پس شود و جریان دود از اکونومایزر عبور نکند.

سیکل پیش گرمکن هوا در بویلر

سیکل اکونومایزر و پیش گرمکن هوا در بویلر

سوپرهیتر

مبدل حرارتی دیگری که در انواع بویلر های صنعتی استفاده می‌شود، سوپرهیتر است. با گذر بخار اشباع از سوپرهیتر کیفیت بخار افزایش یافته، رطوبت خود را از دست داده و به بخار سوپرهیت تبدیل می‌شود.

درام‌ بویلر

در بویلر های بخار فایرتیوب، آب در مخزن بویلر قرار دارد و دور تا دور کوره (پاس اول)، لوله‌های پاس دوم و سوم بویلر را احاطه کرده است. در این دیگ‌ ها انرژی حاصل از احتراق به آب منتقل می‌شود و متناسب با نوع بویلر آب گرم، آب داغ یا بخار تولید می‌شود. در این دیگ ها بالای آب، بخار تولید می‌شود و مخزنی که بخار در آن نگهداری شود، به صورت جزیی از اجزای بویلر وجود ندارد. در دیگ‌ بخار واترتیوب دو نوع درام لجن و بخار وجود دارد. آب تغذیه وارد درام لجن شده و رسوبات آن ته نشین می‌شود. در دوره‌ های بازرسی این رسوبات پاکسازی می‌شوند. آب از این درام به درون لوله‌ها هدایت شده، با دریافت انرژی تبخیر شده و در نهایت وارد درام بخار می‌ شود.

درام لجن و بخار در بویلر واتر تیوب

در شکل زیر سیکل یک بویلر با سوخت ذغال سنگ آورده شده است. همانطور که مشخص است، با استفاده از یک پمپ دهشی، هوای کل احتراق تامین می‌شود. قسمت عمده‌ ای از هوای احتراق در پیش گرمکن گرم شده و قسمتی از آن مستقیما وارد فن هوای اولیه مشعل می‌شود. برای ایجاد احتراق مناسب در بویلر های با سوخت زغال سنگ، سوخت پودر شده (به انگلیسی: Pulverized Fuel) با هوای اولیه ترکیب و وارد مشعل می‌شود. از طرفی هوای ثانویه نیز که در پیش گرمکن گرم شده است وارد مشعل می‌شود و در نهایت درون کوره، احتراق شکل می‌گیرد. گاز های حاصل از احتراق با برخورد به لوله‌ ها، آب را به بخار اشباع تبدیل می‌کند و سپس بخار اشباع در درام بخار ذخیره می‌شود. در صورت نیاز به بخار سوپرهیت، بخار اشباع وارد سوپرهیتر می‌شود.گاز دودکش نیز ابتدا با عبور از اکونومایزر، آب تغذیه را پیش گرم و سپس وارد پیش گرمکن هوا می‌شود درنتیجه با افزایش دمای هوای احتراق بازدهی بویلر افزایش می‌یابد.

سیکل یک دیگ صنعتی بخار با سوخت ذغال سنگ