د.م/ سامح أمين عبد العزيز إبراهيم

www.samehamin.com

تصنيف الغلايات وفقًا للاستخدام :

يمكن تقسيم أنظمة الغلايات وفقًا لأغراض الاستخدام إلى :

• غلايات لتوليد الطاقة الكهربية.
• غلايات البخار عالي الضغط للاستخدام الصناعي.
• غلايات البخار منخفض الضغط للاستخدام الصناعي.
• أنظمة التسخين بالبخار.
• أنظمة المياه الساخنة ، منخفض الضغط و عالية الضغط.
• أنظمة تستخدم سوائل تشغيل أخرى غير دورة المياه. البخار (مثل زيوت التسخين dowthem)

أنظمة  البخار لتوليد الطاقة الكهربية :

تستخدم الغلايات ذات مواسير المياه لتوليد الطاقة الكهربية في المرافق العامة ،  وهي تعمل عند مستويات من الضغط تحت الحرج (sub -critical pressure) مرتفعة بشكل ملحوظ ،  كما تستخدم في بعض وحدات الطاقة عند ضغوط فائقة الحرج (super -critical pressure). ويمد مولد البخار التوربينات بالبخار الحي المحمص. وفي الوحدات الحديثة تكون الغلايات مزودة بملحقات مساعدة مثل : السخانات ،  المحمصات (superheaters) ،  ملفات إعادة التسخين (reheaters) ،  سخانات الهواء (preheaters) والتي تزيد من الكفاءة الحرارية للغلاية.

أنظمة عمليات الضغط العالي : (High – Pressure Process Systems)

تستخدم في هذه الأنظمة غلايات مواسير اللهب أو المياه ،  تبعًأ للضغط أوالسعة المطلوبة. و يستخدم البخار لتشغيل المكابس والمضخات والمعدات الشبيهة ،  كما يستخدم أيضًا لسد احتياجات العمليات الصناعية من درجات حرارة مرتفعة.

أنظمة عمليات الضغط المنخفض /  أنظمة المياه الساخنة (Low – Pressure Steam Systems /  Hot – Water Systems)

تصنف الغلايات وسخانات المياه التي تعمل عند ضغط تحت واحد بار (1 bar) كأنظمة ضغط منخفض.

غلايات تسخين البخار (Steam – Heating Boiler)

تتكون غلايات تسخين البخار من وحدات ضغط منخفض مصنوعة من الصلب ،  وفي بعض الأحيان تستخدم غلايات الضغط المرتفع المصنوعة من الصلب في المباني السكنية الكبيرة أو المنشآت الصناعية الضخمة ،  وفي مثل هذه الحالات تزود خطوط البخار بصمامات  (محابس) لتخفيض الضغط في أجهزة التدفئة بالإشعاع الحراري (radiators) وسخانات الحمل الحراري (convectors) وملفات البخار (steam coils). وتعمل أنظمة تسخين البخار في دوائر مغلقة تضمن عودة متكثفات البخار إلى الغلاية.

وتعمل غلايات التسخين ذات الضغط المنخفض أوتوماتيكيًا بواسطة أجهزة تحكم (تشغيل وإغلاق) أو بواسطة معدات تحكم لضبط الحارق (modulating burner control) . وقد يتصور البعض خطأ أن غلايات الضغط المنخفض الأوتوماتيكية آمنة تمامًا ويمكن الاعتماد عليها حيث تعمل كإنسان آلي غير أن الحقيقة على العكس تمامًا من هذا التصور فقد يؤدي التشغيل الخاطئ أو الأعطاب التي قد تحدث في أجهزة التحكم إلى وقوع انفجارات خطيرة. فقد ينتج عن حدوث عطب مفاجئ في أحد مفاتيح الضبط والتحكم الحدية (limit control) وقوع اشتعال زائد (over firing) يتسبب في حدوثه أحد العوامل التالية :

• فشل أحد مفاتيح التحكم الحدية في إيقاف الحارق بسبب عطل ميكانيكي أو بسبب أحد المرحلات التحكمية (relay).
• عطب ميكانيكي لأحد صمامات الوقود ، أو تراكم الأتربة على أحد الصمامات مما يمنع إغلاقه.
• عدم وجود رصد لدرجات الحرارة عند تشغيل الحارق يدويًا.
• كبر حجم الحارق بالنسبة لنظام الغلاية أو انخفاض منسوب المياه بسبب توقف إحدى المضخات عن العمل.
• حدوث مس كهربائي في الأسلاك يؤدي إلى تجاوز بعض مفاتيح الضبط والتحكم
• انصهار الملامس في أحد مفاتيح الإيقاف / التشغيل عند وضع التشغيل.
• حدوث عطل ميكانيكي أو كمهربي في المحابس التي تعمل بملف لولبي (solenoid valves) أو المحابس التي تعمل بالهواء والتي تتولى عزل الغلاية عن القدرة الكهربية بسبب اعطاب قد تحدث في مفاتيح التحكم.

وقد تستخدم أنظمة تسخين البخار أساليب ميكانيكية أو أساليب تعتمد على الجاذبية لا سترجاع متكثفات البخار. ويختلف النظامان فيما يلي : إذا كانت كافة أجهزة التسخين من مشعات وسخانات وملفات البخار موجودة في مستويات أعلى من الغلاية ولا تستخدم مضخات في عملية الاستعادة فإن هذا النظام يعتمد على الجاذبية الأرضية في استعادة متكثفات البخار إلى الغلاية. أما في حالة استخدام مصائد البخار أو المضخات لاستعادة المتكثفات فإن هذا النظام يعرف بنظام الاسترجاع الميكانيكي.

ويتضمن هذا النظام بالإضافة إلى مصائد البخار, خزان المتكثفات ومضخة المتكثفات أو خزان تفريغ (vacuum tank) ومضخة تفريغ (vacuum pump).

أنظمة المياه الساخنة (Hot -Water Systems)

هناك ثلاثة فئات من أنظمة المياه الساخنة :

1. أنظمة التزويد بالمياه الساخنة لأغراض الغسل والأغراض الأخرى المشابهة.
2. أنظمة تسخين الهواء من أنواع الضغط المنخفض ويطلق عليها عادة أنظمة تسخين المباني.
3. أنظمة مياه الحرارة المرتفعة والضغط العالي التي تعمل عند درجات حرارة أعلى من 120 م ومستوى ضغط أكبر من 10 بار.

ويحتاج كل من نظام تسخين المياه الساخنة (hot -water -heting system) ونظام مياه الحرارة المرتفعة (high -temperature hot -water system) إلى خزانات للتمدد (expansion tanks) تسمح بتمدد المياه بسبب الحرارة العالية دون حدوث زيادة في الضغط.

غير أن خزانات التمدد قد تفقد وسائدها الهوائية (air cushion) مما يؤدي إلى حدوث ارتفاع في الضغط نتيجة تمدد المياه بالحرارة, وهذه المشكلة عادة ما تواجه أنظمة تسخين المياه الساخنة. وإذا أهملت هذه المشكلة فقد يؤدي تزايد الضغط إلى فتح صمام (محبس) التنفيس (relief valve) وإغراق المبنى لذلك فإن تصريف خزان التمدد دوريًا يعد أمرًا ضروريًا لاستعادة الوسائد الهوائية بالخزان.

أنظمة تستخدم سوائل تشغيل أخرى

هناك أنواع من الغلايات لا تقوم بتسخين المياه, بل على سوائل أخرى مثل الزيوت الحرارية (downtherm oils) خاصة إذا ما كانت هذه الزيوت تعمل على توصيل الحرارة بين الغلاية وأجهزة التسخين أو التجفيف كما يحدث في صناعة النسيج. وهذه الزيوت هي مواد كيميائية عضوية أو مخلقة ذات درجة غليان مرتفعة, وتتكون من ثنائي الفينيل وأكسيد ثنائي الفينيل (diphenyl and diphenyl -oxide).

تصنيف الغلايات وفقًا لنوع الوقود

تعتبر عملية الاحتراق نوعًا خاصًا من الأكسدة يتحد خلالها الأكسجين الجوي بعناصر الوقود.وتختلف التأثيرات البيئية لعملية الاحتراق تبعًا لنوع الوقود المستخدم.

وهناك ثلاثة أنواع رئيسية من الوقود التجاري التي تستخدم في الغلايات :

• الوقود الثقيل (المازوت).
• الوقود الخفيف (السولار).
• الغاز الطبيعي.

كما تستخدم أنواع أخرى من الوقود بكميات ليست كبيرة :

• الغاز البترولي المسيل.
• مصاصة القصب (bagasse) والمخلفات الزراعية.
• الليكور الأسود (black liquor).

وترتبط الملوثات الناتجة عن عمليات الاحتراق والمنبعثة إلى الهواء مباشرة بنوعية الوقود المستخدم. يوضح (جدول رقم 2) معدل انبعاث الملوثات لكل كجم من أنواع الوقود الرئيسية, أما المخلفات الزراعية فينتج عنها كميات من الرماد والجسيمات تتعدى الحدود التى تسمح بها القوانين البيئية.

المازوت

المازوت من مشتقات البترول ولونه بني مائل للسواد ويتكون من متبقيات عمليات تقطير الزيت الخام الأسفلتي, وكثافته النسبية حوالي 0.95 والمازوت سائل شديد اللزوجة في الظروف الجوية الطبيعية, لذلك يلزم تسخينه قبل استخدامه في عمليات الاحتراق. وتعتبر درجة اللزوجة 24 ستوك (وحدة اللزوجة الحركية = Stoke) عند فونية الحارق هي درجة لزوجة مناسبة ولتخزين وتداول المازوت فإن الحد الأدنى لنقطة الوميض (درجة اشتعال البخار = Flash point) هو 16º م وينبغي ضبط درجة الحرارة في المخازن عند درجة الحرارة الدنيا.

وقد يصل محتوى الكبريت في المازوت إلى 3 – 3.5% بالكتلة ويعتبر عاملًا مؤثرًا في حدوث التآكل. ويصل الحد الأقصى للمحتوى المائي في المازوت إلى 0.25%, أما محتوى المواد المعدنية في المازوت فيظهر كرماد ناتج عن عملية الاحتراق, وقد يحتوي الرماد على مواد خطرة, لذلك تم تحديد نسبة 0.25% كحد أقصى لمحتوى الرماد في الوقود. ويستخدم المازوت عادة في عمليات التسخين في الأفراع وفي الغلايات لتوليد البخار. ويعد المازوت أفضل أنواع الوقود البترولية للاستخدام في الأفران بسبب قدرته الضيائية (Luminosity).

السولار

السولار من مشتقات البترول لونه أصفر داكن ويتكون من نواتج التقطير وبعض المتبقيات, كثافته النسبية حوالي 0.87 ويستخدم السولار في ماكينات الديزل الضخمة التي تعمل في وحدات توليد الكهرباء والمحركات البحرية والثابتة والتي تعمل عند سرعات دورانية (rotational speeds) منخفضة نسبيًا ولا تحتاج إلى نوعيات خاصة من الوقود. كما يستخدم السولار أيضًا كوقود لمواقد التسخين في الصناعة, وفي غلايات توليد البخار والمياه الساخنة وفي عمليات التجفيف. ودرجة اللزوجة القصوى للسولار هي 12.5 ستوك عند درجة 80 م, ودرجة الحرارة الدنيا للتداول الآمن حوالي 10º م, وقد تم حديثًا تخفيض نقطة الوميض للسولار إلى 60 م. ويصل محتوى الكبريت في السولار المصري إلى 1 -2 ,1% وزنًا.

الغاز الطبيعي

يتكون الغاز الطبيعي أساسًا من غاز الميثان (methane) ونسب مختلفة من غاز الإثان (ethane), غاز الهبتان (heptane) بالإضافة لبعض آثار ثاني أكسيد الكربون وكبريتيد الهيدروجين (H2S) والنيتروجين (N2). ويصل تركيز كبريتيد الهيدروجين في الغاز الطبيعي إلى 0.2% حجمًا. وعلى الرغم من أن البنتان (pentane) والهيدروكربونات الأثقل تغلي عند درجات حرارة أعلى من درجة الحرارة الجوية إلا أنها تتبخر بنسب صغيرة عند درجات حرارة أقل.

الغازات البترولية المسيلة

يعتبر البيوتان والبروبان التجاري (butand and propane) من النتجات الثانوية لعملية تكرير البترول. وتتكون الغازات البترولية من خليط بنسب متفاوتة من هذين الغازين. وكل من البيوتان والبروبان له قيمة كبيرة في التسخين ويمكن تحويله إلى غاز بترولي مسيل بسهولة عند ضغط منخفض. ويعرف الغاز البترولي المسيل بغاز معامل التكرير (refinery gas). ويعبأ الغاز البترولي المسيل في أسطوانات واسعة الاستخدام وعند تبخر الغاز تصل نسبة البخار السائل حجمًا إلى 1 :250.

مصاصة القصب والمخلفات الزراعية الأخرى

مصاصة القصب من المخلفات ذات الكثافة المنخفضة وتستخدم

على نطاق واسع كوقود في مصانع قصب السكر. وهي عبارة عن ألياف أعواد القصب والتي يصل قطرها إلى 50 مم كحد أقصى ذات محتوى من الماء إلى 44 -55 % عند استخدامها كوقود للغلايات.

تستخدم معدات متنوعة لإشعال مصاصة القصب أكثرها شيوعاً هو إشعال الأكوام

Pile burning)) في الأفران الحرارية والإشعال على شبكات حديدية مائلة أو متدرجة والإشعال المعلق على شبكات حديدية ساكنة أو متحركة أو قابلة  (dumping grates)وتصلح كل من الشبكات الحديدية الثابتةstatic pinchole grates) ) المرتكزة على أنابيب الغلاية والشبكات الحديدية المتحركة التي يمكن إمالتها لإزالة الرماد من الفرن لكافة أغراض الاستخدام في الغلايات . ويتم توزيع الوقود داخل الفرن إما عن طريق أنظمة توزيع ميكانيكية أو أنظمة توزيع تعمل بضغط الهواء (pneumatic).

وتتسم أنظمة الغلايات التي تعتمد على استخدام مصاصة القصب كوقود ببطء سرعة الغازات المنبعثة و ذلك لتفادي أية أضرار قد تحدث لمواسير الغلاية من جراء تصادم واحتكاك الجسيمات (مثل الرمل) بها. كما تزود هذه الغلايات بالعديد من قواديس التجميع (hoppers) التي تعمل على تجميع الجسيمات المتطايرة بحيث لا تعيق سريان الغازات .

أما الغلايات التي يستخدم فيها الإشعال المعلق فتكون مزودة بأفران مرتفعة لتقليص كمية الجسيمات إلى الحد الأدنى.

وفي كافة الأحوال ينبغي وجود أدوات لجمع الأتربة والغبار لتلافي حدوث أضرار بمروحة السحب (draught fan) ومشاكل في انبعاثات المدخنة . وحتى وقت قريب لم يكن لقيمة الكفاءة الحرارية للغلاية أهمية كبيرة وكانت أهم المعايير تتركز في الموازنة بين الوقود المتاح وكمية الطاقة المطلوبة. ويعد نقل الكميات الزائدة من مصاصة القصب لاستخدامها في مجالات أخرى من العمليات المكلفة نظراً لانخفاض درجة كثافة هذا النوع من الوقود  ،  كما أن التخزين يحتاج إلى مساحات كبيرة بالإضافة إلى تحلل مصاصة القصب عضوياً أثناء التخزين بحيث تصبح بؤره لاجتذاب الحشرات و الفئران وقد بدأت صناعة اللب والورق حديثاً في الإهتمام باستخدام مصاصة القصب مما ينبئ بقرب استخدام مصادر وقود أخرى مثل المازوت في صناعة قصب السكر في مصر بدلاً من مصاصه القصب وتستخدم غازات العادم الساخنة المنبعثة من الغلاية في تجفيف مصاصة القصب جزئياً مما يؤدي إلى خفض درجة حرارة غازات العادم قبل دخولها إلى المدخنة  ،  فتزداد الكفاءة الحرارية وتزداد كفاءة الإحتراق.

في معظم الغلايات التي تعتمد على إشعال الوقود السائل تتمتغذية الغلاية بالوقود من خزانات صناعة قصب السكر مباشرة إلى الغلاية دون الحاجة لعمليات التخزين . لذلك فإن الأعطال التي قد تصيب وحدات (طحن) عصر القصب تؤدي بالضرورة إلى توقف إمداد الغلاية بالوقود وبالتالي توقف مخرجاته. ويعد هذا الأمر في غاية الأهمية خاصة بالنسبة لغلايات الإشعال المعلق أو اذا توافرت بنظام الغلاية الإمكانيات التي تتيح إشعال وقود بديل مثل المازوت أو الغاز الطبيعي. أما المخلفات الزراعية الأخرى فلا يتم استخدامها تجارياً في مصر حتى الآن.

الليكورد الأسود (Black Liguor) في صناعة الورق  ،  يتم استخلاص ألياف السليولوز من الأخشاب في مطاحن اللب (pupl mills) لتصنيع الورق  ،  ويتخلف عن هذه العملية سائلاً أسود يستخدم كمصدر للطاقة والحرارة . ولهذا السائل محتوى من المواد الصلبة يتراوح بين 10 -20%

كما يحتوى على مواد كيميائية تستخدم في عمليات تصنيع اللب مثل سلفات الصوديوم (sodium sulfate) أو سلفيت الصوديوم (sodium sulfite) وتبعاً لطبيعة العملية الكيميائية المتبعة في استخلاص هذا السائل يطلق عليه الليكور الأسود أو ليكور السلفيتsulfite) liquor). ويتم تركيز الليكور الأسود باستخدام عوادم الغلاية الساخنة في بخر محتواه السائل إلى 68% محتوى صلب  ،  وذلك من خلال التلامس المباشر بالمبادلات الحراريةheat) exchanger) . ثم يتم إشعاله في الغلايات للإنتفاع بالمواد الصلبة القابلة للإشتعال ،  أما الحرارة والمواد الكيميائية فيعاد استخدامها ويطلق على الغلايات المستخدمة في هذا المجال وحدات الإستعادة الكيميائية (chemical recovery units) ،  والتي تعتبر وحدات ضرورية في جميع عمليات تصنيع اللب في مصر.

وتستدعي متطلبات مصانع اللب الحديثة من البخار والطاقة استخدام غلايات الضغط المرتفع سواء كانت من الأنواع ذات الأسطوانتين المزودة بمجموعة آحادية المسار للحمل الحراري single -pass convection bank أو ذات الأسطوانة الواحدة. ويراعى عند تصميم الأفران أن تكون ذات ارتفاعات كبيرة حيث أن نواتج الإحتراق تتميز بحمل كبير من الجسيمات التي لها درجة انصهار منخفضة ،  لذلك فإن ارتفاع الأفران يسمح بخفض درجة حرارة الغازات على أسطح الحمل الحراري (convection surfaces). كما يراعى أيضاً تباعد المسافات بين ملفات التحميص ومجموعة الحمل الحرارى والموفرات لتجنب إعاقة مرور الغازات و لتسهيل إزالة الأتربة والخبث المتخلف . وتزود الأفراد بنفاثات للسناج (soot blowers) وذلك للتنظيف أثناء التشغيل.

تقنيات معالجة المياه

تعتبر نوعية عنصراً أساسياً ومؤثراً في كفاءة الغلايات وأنظمة البخار . وتحتوى مصادر المياه المختلفة على شوائب متنوعة مثل الغازات الذائبة  ،  والمواد الصلب العالقة والذائبة .

وتعتمد عمليات معالجة المياه إما على إزالة تلك المواد أو تخفيض تركيزاتها إلى المستوى الذي يحد من تأثيراتها السلبية أو على إضافة مواد أخرى للحصول على نفس النتائج .

وتهدف معالجة مياه التعويض في الغلاية (make up water) إلى :

• منع تكون القشور في الغلاية (scales) وفي المعدات الملحقة بها والتى تؤدي إلى انخفاض كفاءتها وحدوث أمراض جسيمة بها.
• الحد من تكون الرغوة وتجنب تلوث البخار بالمواد التي تحتويها مياه الغلاية.
• الحد من تآكل جسم الغلاية بسبب الأكسجين الذائب فى مياه التغذية ،  وتآكل مواسير شبكة البخار بسبب تواجد ثانى أكسيد الكربون.

وهناك طريقتين أساسيتين في معالجة المياه  : المعالجة الخارجية و المعالجة الداخلية.

المعالجة الخارجية للمياه

تعتمد هذه الطريقة على إزالة الشوائب الموجودة في المياه أو تخفيض تركيزاتها قبل دخولها إلى الغلاية. وتستخدم هذه الطريقة في حالة ارتفاع نسبة بعض الشوائب في المياه إلى الحد الذى لا يستطيع معه نظام الغلاية التعامل معها. وأكثر الطرق شيوعاً في المعالجة الخارجية للمياه هى التبادل الآيونى (ion exchange) ونزع الغازات من المياه (dearation) ونزع المعادن (demineralization).

وتجدر الإشارة إلى أنه من الضروري إجراء كشف دوري على المتغيرات الأساسية التي تحدد نوعية المياه وتسجيلها  ،  ويوضح (جدول رقم 3) أهم تلك المتغيرات.

وتستخدم مجموعة الإختبارات الجاهزة للكشف عن نوعية المياه (water test kits)  ،  أما الكشف عن الأملاح الذائبة الكلية فيتم بواسطة جهاز قياس القدرة التوصيلية (conductivity meters ) .

تكون القشور والحمأة

تحتوى المياه على نسب متفاوتة من بيكربونات وكلوريدات وكبريتات ونترات الكالسيوم والماغنسيوم والصوديوم ،  بالإضافة إلى السيليكا وبعض آثار الحديد والمنجنيز والألومنيوم.

تتسبب أملاح الكالسيوم والماغنسيوم في عسر المياه ،  أما معظم قشور الغلايات والترسيبات الأخرى في أنظمة التبريد فتتسبب فيها مركبات الكالسيوم والماغنسيوم . ويمكن تقسيم أملاح الكالسيوم والماغنسيوم إلى مجموعتين :

• بيكربونات الكالسيوم والماغنسيوم التى تتسبب في العسر القلوى للمياه (العسر المؤقت أو عسر الكربونات) ويسهل التخلص منها بالتسخين ، فيتحرر غاز ثاني أكسيد الكربون مما يؤدي إلى تكثف البخار الحمضي الذى يرتبط بمشاكل التآكل في شبكة توزيع البخار
• كبريتات وكوريدات ونترات الكالسيوم والماغنسيوم التى تتسبب في العسر الغير قلوي (non -alkaline hardness) (العسر المستديم) ولا يمكن التخلص من هذه الأملاح بالغليان. وعادة ما تتواجد النترات بكميات صغيرة للغاية.

إن استخدام المياه الخام مباشرة في الغلاية ينتج عنه تكون القشور الصلبة التي تلتصق بأسطح التسخين . وتتميز هذه القشور بانخفاض توصيلها الحراري (1.15 -3.45 وات  /  متر م) مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المعدن فيلين وتحدث به نتؤات وانبعاجات وشقوق عند الضغط المرتفع مما قد يتسبب في نتائج خطيرة.

وتعتبر أكثر الأجزاء تأثراً بهذه الظاهرة هى أنابيب المياه التى تتعرض للإشعاع الحراري  ،  أو مواسير الأفران في الغلايات ذات الغلاف الخارجى ،  حيث تكون معدلات انتقال الحرارة وبخر المياه مرتفعة. أما المواسير المعرضة للحرارة بواسطة الحمل الحراري أو التوصيل فإنها تستطيع تحمل سمكاً اكبر من القشور المترسبة قبل توقفها عن العمل. وتقدر الخسارة المباشرة في الحرارة أو في الوقود نتيجة ترسب القشور ب 2% أو أقل فى غلايات مواسير المياه بينما تصل إلي 5% أو 6% في غلايات مواسير اللهب حيث تكون أسطح التسخين أصغر حجماً.

وتمثل الغازات الذائبة نوعاً آخر من المشكلات إضافة إلى مشكلات ترسب الحمأة والقشور. فتسبب غازات ثاني أكسيد الكربون والأكسجين الذائبة وثاني أكسيد الكربون الذي يتحرر عند تسخين المياه التي تحتوى على البيكربونات في تآكل الموفرات و الغلاية الأخرى . وحيث أن البخار المتولد يحتوى أيضاً على هذه الغازات الذائبة فإن متكثفاته تؤدي كذلك إلى تآكل المواد المعدنية . وتحت ظروف معينة  ،  قد يحمل البخار المتولد بعض الأملاح والمواد الصلبة العالقة إلى شبكة توزيع البخار والآلات التى تستخدم البخار فتترسب بها تلك الملاح والمواد الصلبة.

وتتضمن المعالجة الخارجية للبخار :

أ* التبادل الآيونى :

يهدف التبادل الآيونى إلى خفض عسر المياه  ،  أو تيسير المياه . فالأملاح الذائبة في المياه تتحل إلى أيونات تحمل شحنات موجبة أو سالبة ولها درجات مختلفة من الحركة وتتضمن الأيونات الموجبة (الكاتيونات cations) أيونات المعادن والهيدروجين . أما الأيونات السالبة (أنيونات anions) فلها أهمية خاصة في عمليات تيسير المياه ومنها  :

كب أ4 – ،  كل  –  ،  ن أ3 – ،  يد ك أ3 – ،  ك أ3 –

إن العديد من التفاعلات الكيميائية  ،  مثل عمليات الترسيب  ،  تعتمد في الأساس على التفاعل بين الأيونات المختلفة في المحاليل  ،  وعند تمرير المياه على بعض المواد الصلبة تتبادل الأخيرة آيوناتها مع أيونات المواد الصلبة الذائبة في المياه. وقد تم رصد ظاهرة التبادل الآيونى أولاً في بعض المعادن (الزيوليت zeolites) . وعند تخلل المياه الخام لطبقة متدرجة من الزيوليتات يتم إحلال أيونات الصوديوم محل أيونات الكالسيوم والماغنسيوم وبالتالي تنخفض درجة عسر المياه.

وبمرور الوقت تستنفذ أيونات الصوديوم فى الزيوليت وتتحول الطبقة إلى زيوليت الكالسيوم والماغنسيوم . ومن الممكن استعادة طبقة زيوليت الصوديوم عن طريق المعالجة بمحول قوى من كلوريد الصوديوم (brine) . إن الزيوليت التخليقي يعد أكثر كفاءة في تيسير المياه عن المعادن الطبيعية . أما المواد الراتينجية (الراتنجات resins) فتتفوق على الزيوليت في تيسير المياه. والراتنجات المصنوعة بتكثيف الفينولات والفورمالدهيد تتميز بقدرة فائقة على التبادل الآيوني .

وقد تم تطوير أنواع حديثة من الراتنجات وبنفس الخصائص مثل البوليستيرين (polysterene) والرتنجات الكربوكسيلية (carboxylic resins) وتعمل هذه الميسرات بكفاءة أعلى فى المياه النظيفة  ،  حيث تتم إزالة المواد الصلبة العالقة من المياه الخام عن طريق الترشيح باستخدام المخثرات (coagulants) ،  وإلا فإنها سوف تسد مسام مادة التبادل وتقلل من كفاءتها. وتتعرض الميسرات أيضاً إلى أضرار بسبب الاحتكاك المادة المبادلة سنوياً (أو كل سنتين) لاستعادة كفاءة الميسرات. وتختلف الأضرار التي تحدث للميسرات وفقاً لظروف التشغيل ،  لذلك ينبغى استشارة موردى الميسرات بخصوص الخسائر المتوقعة وفقاً لظروف التشغيل المختلفة.

ب* نزاع الهواء (deaeration)

تتم خلال هذه العملية إزالة الأكسجين من المياه عن طريق التسخين فقابلية الأكسجين للذوبان في المياه تنخفض بارتفاع درجات الحرارة . وبذلك يمكن التخلص من الأكسجين في المياه برفع درجة حرارتها إلى درجة الغليان عند مستوى ضغط التشغيل (operating pres -sure).وهناك تصميمات خاصة بالضغط والتفريغ تستخدم لهذا الغرض . فى أنظمة نزع الهواء التى تعتمد على الضغط يتم ضخ البخار الساخن في المياه لإزالة الأكسجين ورفع درجة حرارة مياه تغذية الغلاية في نفس الوقت. أما وحدات التفريغ فتستخدم في الحالات التى لا تتضمن تسخيناً للمياه.

وتقوم معدات نزع الهواء البخارية (steam deaeralors) بنشر المياه على شكل رذاذ او غشاء رقيق جداً يدفع من خلاله البخار لطرد الغازات الذائبة مثل الأكسجين أو ثاني أكسيد الكربون ،  ويمكن بهذه الطريقة خفض محتوى المياه من الأكسجين إلى أدنى من 0.005 سم³ /  لتر ،  أى عند الحد الذي يسمح بالكشف عن محتوى الأكسجين إلى أدنىمن 0.005سم³ /  لتر  ،  أي عند الحد الذي يسمح بالكشف عن محتوى الكسجين في العينات بالوسائل الكيميائية.

ويعكس ارتفاع الأس الهيدروجيني للمياه كفاءة نظام الغاز ،  حيث يؤدى التخلص من ثاني أكسيد الكربون الذائب إلى ارتفاع الأس الهيدروجيني للمياه.

ج* ترسيب المعادن (demineralization)

تعتمد أساليب نزع المعادن على تمرير المياه خلال مبادلات للأيونات الموجبة والسالبة ففى عمليات التبادل الكاتيوني (cation exchange) تحل أيونات الهيدروجين محل كافة الأيونات الموجبة ،  أما في عمليات التبادل الأيونى (anion exchange) فيحل الهيدروكسيد محل

كافة الأيونات السالبة. وينتج بالتالي عن هذه العمليات مياه تتكون أساساً من أيونات الهيدروجين وأيونات الهيدروكسيد ،  أي الماء.

وهناك طرق متعددة لترسيب المعادن. ففي عملية تمرير المياه على طبقة مبادلات مختلطة (mixed -bed process) يتم خلط مبادلات الأيونات الموجبة ومبادلات الأيونات السالبة في وحدة واحدة. أما فى النظام متعدد الطبقات لترسيب المعادن قيتم تمرير المياه خلال

مجموعة متنوعة من مبادرات الأيونات الموجبة ،  ومبادلات الأيونات السالبة الضعيفة والقوية وأنظمة  نزع الغازات (degasifiers)

المعالجة الداخلية للمياه

تعتمد المعالجة الداخلية للمياه على التخلص من الشوائب الموجودة بالمياه في داخل الغلاية. وتتم المعالجة إما في خطوط مياه التغذية أو داخل الغلاية نفسها. ومن الممكن الاعتماد فقط على المعالجة الداخلية للمياه كما يمكن الجمع بين المعالجة الداخلية والخارجية للمياه للتغلب على عسر مياه التغذية ،  والتحكم في التأكل ،  والتخلص من الأكسجين الذائب ،  والحد من الجسيمات المحمولة مع تيار المياه. ومن خلال هذا النظام يتم التخلص من العسر القلوي للمياه الخام وتركيب الأملاح المسببة للعسر عن طريق التسخين. أما العسر المستديم فيتم ترسيبه في الغلاية عن طريق إضافة بعض القلويات مثل كربونات الصوديوم والصودا الكاوية ،  وفوسفاتات الصوديوم. ونظرا لارتفاع أسعار هذه المواد فإن استخدامها يقتصر على الحالات التي تكون فيها المياه الداخلة ذات نوعية رديئة. إلا أنه في نظم الغلايات التي تعمل عند مستوى ضغط جوي أعلى من 14 بار ،  او في حالات العسر المنخفض لمياه التغذية فإن استخدام هذه المواد يكون ضروريا.

تكييف (تلطيف) مياه تغذية الغلاية (conditioning of boilers feed water)

يتضمن تلطيف مياه تغذية الغلاية إضافة بعض ال الكيميائية كالتي تضاعفت أعدادها وأنواعها خلال السنوات العشرين الماضية وجدير بالذكر أن أي نظام للتلطيف المياه في نوع معين من الغلايات لا يمكن أن يشمل كافة المواد التي نعرضها كما يلي :

• كربونات الصوديوم : تستخدم في الغلايات التي تعمل عند مستوى ضغط أقل من 14 بار لمنع تكون القشور ولزيادة قلوية مياه التغذية مما يحد من التأكل. وتوفر بعض عمليات المعالجة الخارجية التي تستخدم فيها كربونات الصوديوم قدرا مناسبا من هذه المادة غفي مياه التعويض المعالجة.
• الصودا الكاوية : يمكن أن تحل محل كربونات الصوديوم في غلايات الضغط المنخفض ، ويمكن الاستغناء عنها إذا ما وفرت المعالجة الخارجية درجة مناسبة من يسر المياه.
• الفوسفاتات : تستخدم جميع أنواعها لمنع تكون القشور في الغلايات التي تعمل عند مستوى ضغط أعلى من 14 بار. وتعمل الفوسفاتات الزجاجية (glassy phosphates) على خفض ترسب كربونات الكالسيوم في خطوط التغذية بالمياه الساخنة. ويمكن استخدام كل من الفوسفاتات الحمضية والزجاجية للتخلص من الصودا الكاوية الزائدة الناتجة عن االمعالجة الخارجية للمياه.
• المركبات الكلابية (chelating agents) : تستخدم كبديل للفوسفاتات لمنع تكون قشور الغلايات.
• مضادات الرغوة (Anti -foams) : تستخدم لمنع تكون الرغوة في الغلاية, وعادة ما تتضمن المركبات الكيميائية التي يوزعها الموردون لدى تسليم الغلاية موادًا مضادة لتكوين الرغوة, كما يمكن الحصول عليها في طلبات منفصلة من الموردين.
• الأمينات المعادلة (neutralizing amines) : تستخدم لمعادلة ثاني أكسيد الكربون في متكثفات البخار وفي خطوط التغذية, وبالتالي للحد من التآكل. ويعتبر استخدامها غير اقتصادي في أنظمة الغلايات التي تحتاج إلى كميات كبيرة من مياه التعويض الغير معالجة. كما أنها لا تناسب تلك الأنظمة التي تتضمن تلامسًا مباشرًا بين البخار والمنتجات الغذائية أو المشروبات أو المنتجات الطبية.
• كبريتيت الصوديوم (sodium sulfite) : يستخدم للتخلص من الأكسجين الذائب في المياه وبالتالي للحد من التآكل. يتفاعل كبريتيت الصوديوم المركب (compounded sodium sulfite) بسرعة أكبر من 200 -500 مرة من سرعة تفاعل كبريتيت الصوديوم الغير مركب (uncompounded sodium sulfite) مما يتيح حماية أكبر لأنظمة التغذية القصيرة. يضاف كبريتيت الصوديوم للغلايات المملوءة بالمياه عندما تمون في حالة توقف عن العمل أو في حالة جاهزة للاستخدام (stand – by).
• الهيدرازين (hydrazine) : يستخدم للتخلص من الأكسجين الذائب في المياه وبالتالي للحد من التآكل, ويمتاز بأنه لا يزيد من نسبة المواد الصلبة الذائبة, ويتفاعل الهيدرازين عند درجات حرارة أقل من 245º م, ولا يستخدم في الأنظمة التي تتضمن تلامسًا مباشرًا بين البخار والمواد الغذائية أو المشروبات.
• كبريتيت الصوديوم (sodium sulfite) : يستخدم لتجنب حدوث التصدعات التي قد تنتج عن استخدام مواد كاوية في الغلايات المبرشمة.
• نترات الصوديوم : تستخدم أيضًا لتجنب التصدعات التي قد تحدث بسبب استخدام مواد كاوية.
• ميزلات الحمأة sludge mobilizers)) تستخدم بعض المواد العضوية الطبيعية أو التخليقية لمنع التصاق الحمأة بالجسم المعدني للغلاية ، غير أن بعض هذه المواد يستخدم عند درجات حرارة محددة ،  لذلك ينبغي اتباع إرشادات الموزعين بدقة عند استخدام هذه المواد.

التفوير (Blowdown)

يعتبر تفوير الغلاية جزءًا هامًا من نظام معالجة مياه الغلاية ويتطلب متابعة دقيقة ومستمرة لضمان التحكم الجيد ويسمح تفوير الغلاية بالتخلص من الطين والحمأة والشوائب الأخرى التي قد تترسب بالجزء السفلي من اسطوانة الغلاية. وفيما يلي عرضًا لأنظمة تفوير الغلايات وأساليب التحكم فيها. وينبغي أولًا معرفة كيفية تقدير كمية مياه التفوير التي يمكن حسابها كنسبة من البخر وفق المعادلة التالية :

٪ مياه التفوير =  X 100 %

حيث B_f = المواد الصلبة الكلية الذائبة في مياه التغذية (جزء في المليون أو مج / لتر)

B_b = الحد الأقصى للمواد الصلبة الكلية الذائبة المسموح به في مياه الغلاية (جزء في المليون أو مج / لتر)

مثال : المواصفات النمطية للغلايات الجاهزة (Package bilers) قد تضمن البيانات التالية : B_b = 3000 جزء في المليون

B_f = 1000 جزء في المليون

وبالتالي : ٪ مياه التفوير =  X 100 % = 3.45 % من كمية البخار المتولد

التفوير المتقطع والتفوير المستمر :

حيث يتم صرف مياه التفوير من قاع اسطوانة الغلاية للتخلص من الحمأة المترسبة. عادة ما يتم التفوير المتقطع بشكل يدوي مرة واحدة لكل دفعة مياه (drift) وعلى شكل نفخات أو ضخات متتالية (blasts) حادة وقصيرة. ويتم تقدير كمية مياه التفوير المنصرفة بمراقبة انخفاض مستوى الحمأة في المقياس الزجاجي على جسم الغلاية ،  أو عن طريق تحديد زمن التفوير. وتتبع هذه الطريقة في الغلايات التقليدية ذات الغلاف الجداري (boilers shelf).

كما يمكن تفوير الغلاية على شكل نزف مستمر (bleed continues) من مصدر يقع بالقرب من المستوى الأسمى للمياه (normal water level). عند الغليان يرتفع تركيز المواد الصلبة عند سطح المياه لذلك فإن تفوير الجزء العلوي من الغلاية يسمح بخفض تركيز المواد الصلبة. ووفقًا للقياس الدوري (في مواعيد محددة) للمواد الصلبة الذائبة والكلية يمكن التحكم في فتح صمام النزف (bleed valve) لصرف الجزء العلوي من المياه بشكل مستمر. ويتم التحكم في فتح صمام النزف في مواعيد ثابتة بإشارات كهربية دورية مرتبطة بمواعيد محددة أو ببعض خصائص مياه الغلاية مثل التوصيلية الكهربية (electrical conductivity). وتتوافر في الأسواق أنواع من الغلايات ذات التحكم الأوتوماتيكي في المواد الذائبة الكلية.

وفي طرق التفوير الحديثة يتم الاعتماد على التفوير المتقطع للتخلص من المواد الصلبة العالقة التي تترسب في قاع الغلاية ،  إلى جانب التفوير المستمر للتحكم في المواد الصلبة الذائبة الكلية. وينبغي القيام بدورات التفوير المتقطع في فترات الأحمال البسيطة بحيث لا يسمح بتراكم الحمأة للحد الذي يعيق الانتقال الحراري مما يؤدي إلى حدوث أضرار جسيمة بالغلاية.