در این نوشتار پس از معرفی سیستمهای مختلف CPP، با توجه به مزایا و معایب این سیستمها، سیستم با CPP مناسب (کاتیونی – مخلوط) با رزین قابل احیا، انتخاب شده و بر اساس آن چگونگی طراحی، ساخت و نصب پایلوت CPP زرین قابل احیا به موازات سیستم CPP، توضیح داده شده است. در انتها تأثیر عوامل مختلف نظیر دما، دبی آب، غلظت و نوع یون و زمان، بر عملکرد و کارایی پایلوت CPP ارایه شده است که با توجه به نتایج حاصل، مشخص شده جایگزینی سیستم CPP موجود در نیروگاه قدیمی باسیستم انتخابی در نظر گرفته شده، مناسب است.
در سالهای اخیر به دلیل نیاز به بویلرهای فشار بالا، تصفیه کندانسیت، مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. از آن‌جا که کندانسیت عموما عاری از املاح محلول‌بوده و نیاز آن به تصفیه، کم است، گاه درتصفیه آن غفلت شده است و در شرایطی که‌کندانسیت آلودگی زیادی داشته، عموما دورریخته شده است.
تا قبل از بکارگیری بویلرهای جدید، به مساله تصفیه کندانسیت توجه زیادی نمی‌شد. ولی امروزه با توجه به اینکه بویلرهای جدید، دارای درجه حرارت، فشار و ظرفیت بالایی هستند، مقادیر جزیی املاح و مواد معلق نیز مشکل آفرین است. درچنین حالتهایی صرفا تصفیه آب جبرانی کافی نبوده و باید آلودگیهای کندانسیت بازگشتی به بویلر نیز به حداقل مقدار ممکن برسد. با ظهور انرژی هسته‌ای به ویژه کاربرد راکتور های آب جوشان و راکتورهای باخنک کن گاز، نیاز به تصفیه کندانسیت قبل از ورود به بویلر، افزایش پیدا کرده است.
حدود ۵۰ درصد یا بیشتر از آب تغذیه بویلر، کندانسیت تشکیل شده در کندانسور است و این در حالی است که در بویلرهای بافشار ۲۰۰۰psi و بالاتر، تصفیه کندانسیت، مورد نیاز است. بویلرهای جدید نسبت به تشکیل رسوب، بسیار حساس بوده و این رسوبات می‌توانند موجب بروز اورهیت شده یا به دیواره لوله‌های قسمتهای مختلف‌آسیب برسانند. همچنین در نتیجه ناخالصی‌های موجود در آب جبرانی، احتمال بروز پدیده حمل قطرات (Carry Over) افزایش یافته که موجب پایین آمدن کیفیت بخار و در نهایت کاهش بازدهی توربین شده و از طرف دیگر به صورت‌ترکیدگی خوردگی تنشی (SCC)پدیدارمی‌شود.
تصفیه کندانسیت در نیروگاهها
هدف از تاسیس واحد تصفیه کندانسیت (CPP)، تصفیه کل جریان کندانسیت به گونه‌ای است که کیفیت استاندارد آب‌بویلر/ آب تغذیه در صورت ورود هرگونه ناخالصی به کندانسیت، ثابت نگه داشته شود. انواع مختلفی از سیستمهای CPPوجود دارد که بخش اصلی تصفیه همه آنها شامل بستر مخلوط است. انواع سیستمهای متداول تصفیه کندانسیت شامل این موارداست:
– بسترهای مخلوط
– رزین پودری Powdex در بسترهای مخلوط
– بسترهای مخلوط رزینهای پودریPowdex
– واحدهای کاتیونی بسترهای مخلوط – فیلترها در بسترهای مخلوط
– فیلتر با پوشش کاتیونی در بسترهای مخلوط
– واحدهای کاتیونی، واحد آنیونی در واحد کاتیونی
انتخاب سیستم CPP مناسب با رزین قابل احیا در نیروگاه، در یون زدایی کندانسیت با استفاده ازرزینهای پودری، لایه نازکی از رزینهای کاتیونی و آنیونی (دانه بندی رزین حدود۳۰ میلیمتر) بر روی سطح خارجی استوانه فلزی میان تهی قرار گرفته است. استفاده از این رزینها در رزین CPP اشباع کامل ظرفیت، یا رسیدن به افت فشار مشخص، ادامه دارد. درپایان این مرحله با عبور آب درجهت عکس‌جریان بهره برداری، رزین اشباع شده از سطح‌استوانه، جدا می‌شود.
مزایای اصلی این سیستم عبارتند از:
الف) به مقدار قابل ملاحظه‌ای از مهاجرت محصولات خوردگی به بویلرهای LPجلوگیری می‌کند.
ب) تعویض رزینهای کارکرده آسان است.
مهمترین معایب این سیستم عبارتند از:
الف) هزینه بهره‌برداری آن بالاست. چون رزینها در دوره‌های مشخصی از بهره برداری،باید تعویض شوند.
ب) محدودیت دمای بهره‌برداری، وجوددارد.
ج) قابلیت محدود برای رفع آلودگی‌کندانسیت.
در سیستمهای CPP اولیه نیروگاهها، برای اولین مرحله تصفیه، از فیلتر استفاده می‌شد. فیلترهای پریکوت، یکی از انواع این فیلترهاست که گرانقیمت بوده اما فضای نسبتا کمی اشغال می‌کنند. این فیلترها عموما با بازدهی بالایی، آهن معلق درکندانسیت را حذف می‌کنند. اما دفع پریکوت اشباع شده از سطح استوانه‌ها، همواره کامل نبوده و این امر باعث می‌شود تا پریکوت بعدی دارای کیفیت مطلوب نباشد. از دیگرانواع فیلترها، فیلترهای مغناطیسی است. این فیلترها ذرات مواد فرومغناطیسی و به‌مقدار محدود، اکسید مس را حذف می‌کنند. استفاده از این فیلترها به دلیل کنترل شدید درشرایط شیمیایی و نصب نیروگاههایی CPPکه آب تغذیه با کیفیت عالی مورد نظر است،ادامه پیدا نکرد.
بسترهای مخلوط واحد CPPساختاری مشابه با واحدهای آنیونی و کاتیونی تصفیه آب جبرانی دارند. بسترهای مخلوط در CPP باید دارای امکانات احیای خارجی باشند. چون تداخل رزینهای کاتیونی و آنیونی درفصل مشترک دو نوع رزین باعث کاهش بازده احیای بستر می‌شود.
اولین ضرورت در کاهش آلودگی رزینها با محلول های احیا کننده این است که این رزینهای کاتیونی و آنیونی باید دارای دانه بندی و دانسیته مناسب باشند، تا جداسازی خوبی در شستشوی معکوس به وجود آید. البته در حالت ایده‌آل، رزین آنیونی با دانه بندی کوچک و دانسیته پایین، بهترین شرایط جداسازی را فراهم‌می‌کند. اگر چه سایر عوامل از قبیل افت فشار، قدرت فیزیکی، ظرفیت بهره‌برداری و رفتار سینتیکی نیز باید رضایت بخش باشد.
اگر یک واحد کاتیونی (به شکل‌هیدروژنی) قبل از بستر مخلوط قرار گیرد، نسبت رزین کاتیونی به آنیونی در بسترمخلوط حدود ۱:۱ خواهد بود. و در غیاب بستر کاتیونی فوق، اغلب نسبت بالاتر کاتیون به آنیون، یعنی حدود۲:۱ استفاده می‌شود. از نظر تبادل یون، سیستم کاتیون -مخلوط نسبت به سیستم بستر مخلوط ارجحیت دارد.
مزایای اصلی سیستم کاتیون – مخلوط:
الف) آب با کیفیت بالاتری تولید می‌شود.
ب) از جزء آنیونی بستر مخلوط، ظرفیت بالاتری را می‌توان به دست آورد.
ج) سیستم، توانایی بیشتری برای تطبیق با تغییرات pH کندانسیت دارد.
د) انعطاف پذیری بیشتری در نسبت‌کاتیون / آنیون مورد استفاده در بستر مخلوط حاصل می‌شود.
س) تعداد دفعات احیای بستر مخلوط کاهش یافته و در صورتی که نشتی کندانسور وجود نداشته باشد، می‌توان پس از هر پنج بار احیای بستر کاتیونی، یک بار بستر مخلوط را احیا کرد. با کاهش تعداد دفعات احیای بستر مخلوط، میزان سولفات ورودی‌به سیستم نیز کاهش می‌یابد.
ش) امکان فیلتراسیون اضافی فراهم شده که در نتیجه از رزینهای بستر مخلوط محافظت می‌کند.
معایب سیستم کاتیون – مخلوط:
افزایش افت فشار درسیستم و نیاز به فضای بزرگتر و صرف هزینه های بیشتر.
با توجه به مطالعات انجام شده، سیستم‌تبادل یون کاتیون – مخلوط با رزین قابل‌احیا به‌عنوان سیستم مورد نظر برای‌جایگزینی سیستم CPP موجود در نیروگاه می تواند انتخاب شود.
طراحی، ساخت و نصب پایلوت CPP
با توجه به شرایط عملیاتی، پایلوت CPP انتخابی شامل یک بستر کاتیونی و یک بستر مخلوط، طراحی می شود.
معمولا پایلوت CPP درمسیر By Passاز سیستم اصلی CPP وبه‌صورت موازی با آن نصب شده می شود.
نتایج آزمایشهای پایلوت CPP
به‌منظور ارزیابی عملکرد و کارایی بهینه پایلوت CPP انتخابی، اثر دما، دبی آب، غلظت و نوع یون و زمان کارکرد بر کارایی پایلوت CPP، باید در قالب آزمایشهایی بررسی شود. که به‌صورت خلاصه تشریح می‌شود:
الف: اثر دما بر عملکرد و کارایی پایلوتCPP
بررسیهای انجام شده نشان می‌دهد که کارایی رزینهای کاتیونی در بستر کاتیونی در حداکثر درجه حرارت ۷۲ درجه سانتی گراد بعد از ۲۶ ساعت کارکرد، معادل ۴۹/۸۸ درصد و کارایی مخلوط رزینهای آنیونی و کاتیونی در بستر مخلوط در دمای ۷۰ درجه سانتی‌گراد بعد از ۲۶ ساعت کارکرد،۲۳ درصد بوده است.
ب) اثر دبی آب بر عملکرد و کارایی پایلوت CPP
بررسی های انجام شده نشان می‌دهد که با افزایش دبی آب، کنداکتیویته آب خروجی از بستر کاتیونی شدیدا کاهش یافته و رزین کاتیونی این بستر در حداکثر دبی ۲۵ m3/hr معادل ۴۹/۸۸ درصد، کارایی دارد. همچنین در حداکثر دبی آب، کنداکتیویته آب ورودی به بستر مخلوطms/cm 1/3 بوده و کنداکتیویته آب خروجی از بستر مخلوط تا ۱ms/cm کاهش می یابد که نشان دهنده ۲۳ درصد کارایی رزین انتخاب‌شده برای دبی فوق است.
ج) اثر غلظت و نوع یون بر عملکرد و کارایی پایلوت CPP
بررسیهای انجام شده نشان‌می‌دهد که یونهای آهن و آمونیاک به نحو مطلوبی توسط پایلوت CPP حذف شده‌اند. ولی یون سیلیس کاهش کمتری داشته است. همچنین هر قدر غلظت یونهای آمونیوم و آهن بیشتر باشد تبادل آن به‌وسیله رزینهای کاتیونی محسوس تر است. در پایلوت طراحی شده به‌دلیل بار کاتیونی قابل‌ملاحظه ناشی از یونهای آمونیوم و آهن و نیز پایین بودن بار آنیونی، علاوه بر منظور کردن بستر کاتیونی قبل از بستر مخلوط، نسبت رزین کاتیونی به آنیونی در بستر مخلوط ۲ به ۱ درنظر گرفته شده است.
ج) اثر زمان بر عملکرد و کارایی پایلوت CPP
بررسیهای انجام شده نشان‌می‌دهد که با افزایش زمان بهره برداری ازپایلوت، رزین کاتیونی ظرفیت تبادل خود راحفظ کرده و رزین آنیونی بستر مخلوط، کاهش ظرفیت پیدا کرده است.
ه) تغییرات pH با دبی آب
بررسیهای انجام شده نشان می‌دهد که با افزایش دبی آب، pH در آب خروجی از بستر کاتیونی، افزایش و در آب خروجی از بستر مخلوط، کاهش می یابد.
نتیجه‌گیری
– از مهمترین مزایای فنی و اقتصادی سیستم CPP نسبت به سیستم موجود این است که در سیستم موجود رزینهای پودری در دوره های زمانی کوتاه، اشباع می‌شوند و به‌دلیل عدم امکان احیا باید تعویض شوند ولی با بکارگیری سیستم‌مناسب (کاتیون – مخلوط) با رزینهای قابل‌احیا، به‌دلیل قابلیت احیای مجدد و همچنین طولانی شدن دوره زمانی احیای بسترمخلوط، از مصرف مواد شیمیایی نظیر اسید و سود و اتلاف رزین و در نتیجه از هزینه بیشتر، جلوگیری می‌شود.
– از معایب فنی سیستم موجود، بالا بودن کنداکتیویته و آمونیاک آب ورودی به CPP، است که زمان اشباع رزینهای پودری را در سیستم موجود کوتاه می‌کند ولی درسیستم جایگزین با بکارگیری بستر کاتیونی، این نقص برطرف می‌شود.
– به عنوان مثال، استفاده از رزین کاتیونی Lewatit S 100به‌دلیل مقاومت حرارتی بالا و حفظ ظرفیت تبادل یون در شرایط طراحی یک نیروگاه، مناسب بوده ولی رزینهای آنیونی Lewatit M 500به‌دلیل اینکه در محدوده دمایی ۶۰ تا۷۲ درجه سانتی‌گراد و حداکثر دبی m3/hr25 از نظر دانه بندی رزین و ظرفیت تبادل یونی تغییراتی داشته و ضمن خرد شدن رزین، ظرفیت آن کاهش یافته است. لذا به جای رزینهای آنیونی فوق باید از سایر رزینهای آنیونی نظیر Lewatit MP 500 MB/BGاستفاده شود.
– این سیستم جایگزین به لحاظ زیست محیطی نیز بر سیستم موجود برتری دارد. چرا که درسیستم های موجود، انتقال رزینهای پودری در زمان اشباع آن به شبکه پساب صنعتی، سیستم تصفیه پساب را با مشکل مواجه کرده و در نهایت باعث آلودگی محیط زیست می‌شود.
منابع:
۱-Water Treatment Handbook,Degremont, 1973.
۲-British Electricity International Modern Power Station Practice ,Chemistry and Metallurgy, Vol.E, Chapter3, Central Electricity Generationof Board (CEGB), 1992.