عوامل خوردگی کوره در دیگ بخار

یکي از مشكلات اساسي كه مي تواند باعث بروز مشكل براي كوره ها باشد، خوردگي در نقاط و وسايل مختلف آن است كه ضمن هدر رفتن مقدار زيادي انرژي، آسيب هاي مكانيكي متعددي به كوره وارد مي كند. از آنجا كه هر كوره از بخش هاي متعددي همچون بدنه، اطاقك احتراق (Fire Chamber)، دودكش، مشعل و ساير تجهيزات جانبي تشكيل شده، لذا علل خوردگي و راه حل هاي پيشنهادي در هر يك از بخش ها به طور مجزا مورد بحث و بررسي قرار مي گيرد.

بدنه: معمولاً بدنه يا ديواره خارجي كوره ها را از ورقه استيل16/3 و كف آن را از ورقه 4/1 مي سازند. در طراحي ها عموماً اتلاف حرارتي از بدنه كوره حدود 2 درصد منظور مي شود. نوع و ضخامت عايق كاري بدنه داخلي كوره بايد طوري در نظر گرفته شود كه دماي سطح خارجي كوره بيش از (1800° F) نشود. اصولاً عايق كاري و عايق هاي به كار رفته در كوره ها از نظر سرويس دهي مناسب، عمر معيني دارند و به مرور زمان ساختمان كريستالي آنها تغيير يافته و ضخامت آنها كم مي شود و اين تغييرات ساختماني سبب تغيير ضريب انتقال حرارت و اتلاف انرژي به بيرون خواهد بود. مطالعات ميكروسكپيك و كريستالوگرافيك چند نمونه عايق كار كرده، با نوع تازه آن مويد اين مطلب است.

در صورتي كه عايق ديواره هاي كوره بر اثر بنايي ناصحيح، عدم انجام صحيح Curing بر مبناي دستورالعمل، حرارت زياد و يا شوك هاي حرارتي ترك بردارد، نشت گازهاي حاصل از احتراق كه عبارتند از: So x، No x، N2،Co2 (درصورتي كه نفت كوره به عنوان سوخت مصرف شود) و بخار آب در لابلاي اين ترك ها و تجمع آنها در لايه بين بدنه كوره و عايق ديواره و سرد شدن تدريجي آنها تا دماي نقطه شبنم، باعث خوردگي بدنه مي شود.
تداوم اين امر ضمن اتلاف مقدار بسيار زياد انرژي (از طريق بدنه كوره به محيط اطراف)، باعث ريختن عايق و در نتيجه اتلاف بيشتر انرژي و گسترش خوردگي بر روي بدنه كوره و ساير نقاط آن خواهد شد.
در يك بررسي ساده بر روي كوره اي كه چندين سال از عمر عايق آن مي گذشت ملاحظه شد كه دماي اندازه گيري شده واقعي سطح كوره در اكثر نقاط بسيار بيشتر از ميزان طراحي است. اين مقدار در بعضي از موارد به (1800° F )نيز مي رسيد.
در اين كوره ضمن جدا شدن عايق از ديواره كوره و گسترش خوردگي در نقاط مختلف بدنه، گرم شدن بدنه كوره نيز موجب خم شدن ديواره ها شده و سرعت خوردگي را افزايش داده و باعث خرابي قسمت هاي مختلف كوره شده است. به طور كلي براي جلوگيري و يا كاهش مشكلات خورندگي بر روي بدنه كوره لازم است به هنگام تعميرات اساسي ضمن توجه به عمر عايق ديواره در صورتي كه عمر آنها از حد معمول گذشته باشد (البته با توجه به درجه حرارتي كه درهنگام كار كردن واحد درمعرض آن بوده اند) آنها را با عايق مناسب و استاندارد تعويض كرد و در صورت وجود ترك (قبل و يا بعد از بنايي)، محل ترك ها را با الياف مخصوص KAOWOOL پر كرد. همچنين در بنايي، عمليات Curing را مطابق دستور العمل انجام داد تا پيوند هيدروليكي در عايق هاي بكار رفته در بنايي، به پيوند سراميكي تبديل شده و ميزان رطوبت باقيمانده در ديواره از 0.4 gr/m2 بيشتر نشود.
البته چنانچه Ceramic Fiber (الياف سراميكي) به عنوان عايق ديواره كوره مورد استفاده قرار گيرد، بدليل عدم نياز به Curing و Drying و سبكي وزن، مشكلات احتمالي استفاده از عايق هاي نيازمند به Curing را نخواهيم داشت. ضمن اين كه عمر بيشتر و چسبندگي بهتري به ديواره، نسبت به ديگر عايق هاي موجود دارند.

تيوب ها يا لوله هاي داخل كوره:
معمولاً كوره ها متشكل از دو بخش RADIATION و CONVECTION هستند كه بايستي ظرفيت گرمايي (DUTY) كوره از نظر درصد، تقريباً به نسبت70 و30 درصد بين اين دو بخش تقسيم شود.
از آنجا كه لازم است سيال به اندازه دماي مورد نظرگرم شود بايستي حرارت مورد نياز خود را از طريق هدايتي از لوله ها و تيوب هاي داخل كوره دريافت كند، اين لوله ها نيز حرارت مورد نياز براي اين انتقال حرارت را از طريق تشعشعي و جابجايي در اثر احتراق سوخت در داخل كوره جذب مي كنند. انتخاب آلياژ مناسب جهت لوله با توجه به نوع سيال و تركيبات آن و ميزان حرارت دريافتي توسط لوله و در معرض شعله قرار گرفتن از اهميت بسزايي برخوردار است.
مسائلي كه به بروز مشكلاتي براي تيوب ها منجر مي شود عبارتند از:
سرد و گرم شدن ناگهاني لوله، گرم شدن بيش از حد لوله و بالا رفتن دماي تيوب از حداكثر مجاز آن، در معرض شعله قرار گرفتن و برخورد شعله به لوله (impingement) ، ايجاد يك لايه كُك بر روي جداره داخلي لوله، Carborization، Hogging، Bending، Bowing، Sagging، Creeping، خوردگي جداره داخلي لوله بر اثر وجود مواد خورنده در سيال عبوري، خوردگي جداره بيروني لوله در اثر رسوبات حاصل از احتراق سوخت مايع بر روي جداره خارجي لوله، كاركرد لوله بيش از عمر نامي آن (80 هزار الي 110 هزار ساعت)
سرد و گرم شدن ناگهاني لوله، ممكن است به Creeping (خزش) كه نتيجه آن ازدياد قطر لوله مي باشد منجر شود كه در اين صورت احتمال پارگي لوله و شكنندگي آن را افزايش مي دهد. چنانچه در اثر Creeping مقدار ازدياد قطر از 2 درصد قطرخارجي لوله بيشتر شود، لوله مزبور بايستي تعويض شود.
در يك اندازه گيري عملي كه براي برخي از تيوب هاي هشت اينچي و شش اينچي كوره (كوره تقطير در خلا) H-151 در هنگام تعميرات اساسي صورت پذيرفت، محاسبات زير بدست آمد:

براي تيوب "8
OD = 8.625 (اصلي)
OD = 8.75 (اندازه گيري شده)
OD = 0.125  (افزايش قطر لوله)
OD ALLOWABLE = 8.625x2%=0.1725
هنوز مي توان از تيوب مزبور استفاده كرد.

براي تيوب "6
OD = 8.625 اصلي
OD = 8.675 اندازه گيري شده
OD = 0.05 افزايش قطر لوله
OD ALLOWABLE = 6.625x2%=0.1325
كه هنوز مي توان از تيوب شش اينچي مزبور استفاده كرد.
همان طور كه مشخص است تيوب 8 حدوداً بيش از دو برابر تيوب 6 ازدياد قطر داشته است.

براي لوله "6
كوره  H-101 (اتمسفريك)
OD =6.625 اصلي
OD = 6.635 اندازه گيري شده
OD =0.01 اندازه قطر لوله
OD ALLOWABLE = 6.625x2%=0.1325

بالا نگه داشتن دماي پوسته تيوب ها سبب كاهش مقاومت لوله ها و كاهش عمر مفيد و گارانتي حدود يكصد هزار ساعتي آنها مي شود.
تجربه نشان داده است كه اگر به مدت 6 هفته سطح خارجي (پوسته) لوله اي 900°C بيش از مقدار طراحي در معرض حرارت قرار بگيرد، عمر تيوب ها نصف مي شود.
يكي ديگر از مشكلات پيش آمده براي لوله ها، برخورد شعله به لوله (IMPINGEMENT) است، كه باعث OVER HEATING كوره و در نهايت HOT SPOT مي شود. اين امر مي تواند ضمن لطمه زدن در محل برخورد شعله به لوله، باعث تشديد عمل كراكينگ مواد داخل لوله شود و مواد مزبور به دو قسمت سبك و سنگين تبديل گردند.
مواد سنگين به جداره داخلي لوله چسبيده و كك ايجاد مي كنند. به ازاي تشكيل يك ميلي ليتر ضخامت كك با توجه به ضريب هدايتي كك كه برابر مقدار خاصي مي باشد براي يك شارژ حرارتي معمول در قسمت تشعشعي كوره H-101 (اتمسفريك) مي باشد، معادل فرمول زير است:
مي بايستي 300°C دماي پوسته تيوب بالاتر رود تا سيال موجود در تيوب به همان دماي موردنظر برسد. در اين صورت ملاحظه مي شود بالا رفتن دماي تيوب به چه ميزان اتلاف سوخت و انرژي، داشته و به طور كلي به مرور زمان چه لطمه ها و آسيب هايي به كل كوره وارد مي شود. به عبارت ديگراختلاف دماي پوسته تيوب هاي كوره كه در طراحي عموماً 1000°F بالاتر از دماي متوسط سيال درون آن در نظر گرفته مي شود، به مرور زمان با تشكيل كك (با رسوبات بيروني) بيشتر مي شود.

مشكل ديگر كه به علت دماي بالا براي تيوب هاي كوره ها ايجاد مي شود خميدگي در جهت هاي مختلف اين تيوب هاست.
يكي ديگر از مسائلي كه باعث خم شدن و شكستگي لوله ها مي شود پديده كربوريزيشن (carborization) است كه بر اثر تركيب كربن با آهن پديد مي آيد: اين واكنش كه باعث توليد كربور آهن خواهد شد در دماي بالاتر از 7000°c ايجاد مي شود 7000°Cتا 14000°C اين حالت عمدتاً در زمان Curing و drying كوره پديد مي آيد. البته Hot spot نيز بيشتر در اين زمان ها اتفاق مي افتد.
وجود ناخالصي هاي مختلف مثل فلزات سديم، واناديم، نيكل و غير...، فلزاتي مثل گوگرد و ازت به صورت تركيبات آلي در سوخت هاي مايع، مسائل عديده اي را باعث مي شوند، كه از آن جمله كاهش انتقال حرارت از طريق سطح خارجي تيوب به سيال درون تيوب است كه به علت تشكيل رسوبات مربوط به ناخالصي هاي مزبور بخصوص رسوبات فلزي بر روي تيوب هاست. به همين دليل براي رسيدن به دماي مورد نظر سيال موجود در لوله، مجبور به مصرف سوخت بيشتر خواهيم شد. در نتيجه مشكلات ايجاد گرماي بيشتر در كوره و مسائل زيست محيطي در اثر تشكيل SOX، NOX و ... را خواهيم داشت. از طرفي به دليل نشست اين رسوب ها بر روي تيوب ها مسئله خوردگي و سوراخ شدن پيش خواهد آمد. علت اين خوردگي كه از نوعHigh temp corrosion مي باشد پديده سولفيديش است، كه در دماهاي بين630°C تا700°C بوقوع مي پيوندد. همان طور كه گفته شد علت اصلي آن وجود عناصر واناديم، گوگرد، سديم و نيكل به همراه گازهاي حاصل از احتراق سوخت است.
فلزات ذكر شده (بصورت اكسيد) به كمك اين گازها بالا رفته و بر روي تيوب هاي قسمت تشعشع و جابه جايي مي نشينند. خوردگي و سوراخ شدن تيوب، بر اصل اكسيد شدن و تركيب عناصر مزبور باآلياژ تيوب استوار بوده كه باعث ايجاد تركيبات كمپلكس با نقطه ذوب پايين مي شود.
تركيب اوليه پس از Na2SO4، سديم وانادايت به فرمول Na2O6V2O5 است كه نقطه ذوب آن 6300°C مي باشد. عمده تركيبات ديگر كه شامل كمپلكسي از تركيب پنتا اكسيد واناديم و سديم است در شرايطي به مراتب ملايم تر و درجه حرارتي پايين تر ذوب مي شوند. براي مثال مخلوط واناديل واناديت سديم به فرمول Na2OV2O411V2O5 و متاوانادات سديم به فرمول Na2OV2O5 در 5270°C ذوب مي شوند. ذوب اين كمپلكس ها شرايط مساعدي را براي تسريع خوردگي بوجود مي آورد. در اينجا تركيبات حاصل از احتراق نه تنها به نوع ناخالصي بلكه به نسبت آنها نيز بستگي كامل دارد و در مورد واناديم ميزان سديم از اهميت خاصي برخوردار است.
البته سديم واناديل وانادايت پس از توليد و ذوب شدن، با فلز آلياژ مربوط به تيوب، تركيب شده و بر اثر سيال بودن از سطح آلياژ كنار رفته و سطوح زيرين تيوب مربوطه در معرض تركيب جديد قرار مي گيرد. ادامه اين وضع به كاهش ضخامت تيوب و در نهايت سوراخ شدن و از كار افتادن آن منجر مي شود.

مشعل ها و سوخت:
نقش كيفيت نوع سوخت و نوع مشعل ها شايد از همه عوامل ياد شده در كاركرد مناسب، راندمان بيشتر و كاهش خوردگي بيشتر برخوردار باشد. چنانچه از مشعل هاي Low excess air و يا نوع مرحله سوز (stage burning) استفاده شود، هواي اضافي مورد نياز به ميزان قابل توجهي كاهش يافته و به حدود 3 و 5 درصد مي رسد كه ضمن كاهش و به حداقل رساندن گازهاي خورنده و مضر زيست محيطي مثل NOx، Sox، در بالا بردن راندمان كوره بسيار موثر خواهد بود. اين امر باعث كاهش مصرف سوخت شده، و در نتيجه باعث كاهش گازهاي حاصل از احتراق و آسيب رساندن به تيوب ها، بدنه كوره و دود كش ها خواهد شد. وضعيت عملكرد مشعل ها بايستي به طور مداوم زير نظر باشد. بد سوزي مشعل ها مي تواند دلايل متضادي، همچون نامناسب بودن سوخت، عيب مكانيكي، كك گرفتگي سرمشعل و يا بالعكس، رفتگي و سائيدگي (Errosion) بيش از حد سر مشعل، كمبود بخار پودر كننده و ... داشته باشد. وجود مواد آسفالتي، افزايش مقدار كربن باقيمانده (carbon residue) ، بالا بودنِ مقادير فلزات مثل سديم، نيكل، واناديم و هم چنين سولفور در سوخت مسائل متعددي را در سيستم احتراق ايجاد مي كند كه اين مسائل به طور كلي به دو دسته تقسيم مي شوند.
الف - مسائل عملياتي قبل از مشعل ها و احتراق:
اين مسايل در اثر وجود آب و نمك ها و ته نشين شدن آنها در ذخيره سازي نفت كوره بوجود مي آيند. در اين رابطه عدم تخليه مداوم مخزن ذخيره سازي، خوردگي و مشكلات ايجاد شده به طور خلاصه عبارتست از:
تشكيل لجن (sludge) در مخزن در اثر عدم استخراج كامل نفت كوره و آب، انباشته شدن لجن در فيلترها در اثر محصولات ناشي از خوردگي و پليمريزاسيون هيدروكربورهاي سنگين به علت اثر كاتاليزوري محصولات ناشي از خوردگي، انباشته شدن لجن و صمغ هاي آلي در گرم كننده سوخت، گرفتگي و خوردگي در نازل هاي پودر كننده نفت كوره (Atomizer).
ب - مسائل عملياتي بعد از مشعل ها و احتراق:
ايجاد خوردگي در مناطق گرم و سرد كوره ها و ديگ هاي بخار، ايجاد رسوبات بر روي لوله هاي قسمت جابه جايي كوره و قسمت سوپر هيت ديگ هاي بخار، كاهش ضريب انتقال حرارتي در اثر رسوبات و در نهايت افت راندمان حرارتي در اثر افزايش دماي گازهاي خروجي حاصل از احتراق از دودكش كوره.
در اثر احتراق سوخت هايي كه داراي مقادير زيادي كربن باقيمانده و خاكستر باشند، مقادير متنابهي رسوب در قسمت هاي جابه جايي كوره و يا قسمت سوپر هيت ديگ هاي بخار توليد مي شوند. اين رسوبات به سختي در اثر عمليات دودزدايي از سيستم خارج مي شوند. مسئله سازترين سوخت ها، سوخت هايي است كه در آنها نسبت واناديم به سديم 12Na كمتر از 10 باشد.
به غير از مشكلات ايجاد شده توسط اكسيدهاي سديم و واناديم، فلز نيكل نيز كه در سوخت وجود دارد با اكسيژن تركيب شده و اكسيدهاي نيكل را به صورت رسوباتي بر روي لوله ها بوجود مي آورد.
براي جلوگيري از ايجاد خوردگي توسط اكسيدهاي واناديم و يا كاهش سرعت آن اقدامات زير لازم است:

1. 1.      كاهش مقدار اكسيژن موجود در گازهاي حاصل از احتراق، كه اين مقدار اكسيژن را مي توان با تنظيم مقدار هواي اضافي كوره يا ديگ بخار كنترل كرد و نسبت به كاهش آن اقدام نمود. در اين حالت راندمان حرارتي به طور چشمگيري افزايش مي يابد.
2. 2.      جلوگيري از تشكيل گاز So3 (انيدريد سولفوريك) يا كاهش آن در اثر كاهش هواي اضافي از 35 درصد به ميزان 10 درصد، كه در اين صورت ميزان تبديل گاز انيدريد سولفورو (SO2) نصف مي شود.
3. 3.      افزايش نقطه ذوب رسوبات تشكيل شده در سطوح لوله ها، به طوري كه در شرايط عملياتي موجود اين رسوبات به نقطه ذوب خود نرسند. اين امر با افزودن تركيبات منيزيم، به علت داشتن اختلاف پتانسيل شيميايي زياد و اورتوواناديم (3MGO-V2 O5) كه داراي نقطه ذوب بالايي هستند (حدود 1120°C)، ميسر مي شود.
4. 4.      مناسب ترين روش جلوگيري از خوردگي بواسطه وجود ناخالصي هاي موجود در سوخت مايع، استفاده از سوخت هاي گازي و بخصوص گاز طبيعي است كه ضمن داشتن صرفه اقتصادي، با يك سرمايه گذاري اوليه به نسبت كم مي توان مشكلات خوردگي ذكر شده را به شدت كاهش داد.

براساس برآورد اقتصادي انجام شده، تعويض سوخت مايع و جايگزيني آن با سوخت گاز طبيعي، پس از بيست ماه، بازگشت سرمايه گذاري را در پي خواهد داشت. در عين حال گاز طبيعي مشكلات ذكر شده مربوط به مصرف سوخت مايع و هم چنين عدم مصرف بخار به عنوان بخار پودر كننده كاهش قابل ملاحظه مسائل زيست محيطي را به همراه دارد. به واسطه مصرف سوخت مايع توليد NOx، Sox ، به اندازه تفاضل قيمت جهاني سوخت گاز مصرفي و سوخت مايع، كه يا به فروش مي رسد و يا به عنوان خوراك واحد RFCC مورد استفاده قرار مي گيرد، سود عايد مي كند.

تجهيزات جانبي:
مهم ترين تجهيزات جانبي مورد استفاده در كوره ها را عموماً دوده زداها (SOOT BLOWERS) و آنالايزرها O2 ANALAYZER يا اخيراً (CO2 ANALYZER) تشكيل مي دهند.
با استفاده روزانه از دوده زدا (يك بار در روز) در يك كوره ملاحظه شده كه بلافاصله 10°C دماي سيال خروجي از كوره افزايش مي يابد، به عبارت ديگر به ميزان همان 10°C اضافي، سوخت مصرفي كوره كاهش مي يابد. ضمن اين كه تركيبات مضر و خطرناك كه هم باعث مسائل خوردگي مي شوند و هم انتقال حرارت را كاهش مي دهند، از روي لوله ها زدوده مي شوند. استفاده از ساير تجهيزات جانبي پيشگرمكن هاي هوا AIR PREHEATERS و لوازم بازيافت حرارتي از دودكش هاFORCED AND INDUCED FANS، و يا ECONOMIZER در ديگ هاي بخار باعث كاهش سوخت مصرفي و در نتيجه كاهش مشكلات ايجاد شده در كوره ها و ديگ هاي بخار مي شود.