锅炉水处理及其设备

第四章锅炉水处理及其设备4.1水中的杂质及其对锅炉的危害1.天然水中的杂质存在于地球表面江河、湖泊和海洋里的水称为地表水。存在于土壤和岩层内的水称为地下水。地表水和地下水统称为天然水。天然水中的杂质，按颗粒大小不同可以分为悬浮物、胶体和溶解物质三大类。1）悬浮物悬浮物是颗粒直径在10-4mm以上的杂质，是使水产生浑浊现象的主要原因。水静置时，有些较轻的物质会上浮于水面，称为漂浮物。它主要是动植物生存过程中产生的物质或死亡之后的腐败产物，是一些有机化合物。水静置时，较重的物质会沉淀，称为可沉物。它主要是砂子、粘土类无机化合物。2）胶体胶体颗粒是颗粒直径在10-6～10-4mm之间的微粒杂质，是许多分子和离子的集合体。胶体具有较小的粒径和较大的比表面积，表面常因吸附有大量电子而带电。天然水中的胶体主要是由铁、铝和硅的氧化物形成的无机化合物，其次是由于水中植物或动物肢体腐烂和分解而形成的有机物。胶体杂质是使水产生色、味、臭的主要原因之一。3）溶解物质天然水中的溶解物质主要是离子和一些溶解气体，其颗粒≤10-6mm。（1）离子杂质钙离子，在含盐量少的水中，钙离子的量常常在阳离子中占第一位。天然水中的钙离子主要来自地层中的石灰石和石膏。石灰石在水中溶解度虽然很小，但当水中含有CO2时，其较易溶解。镁离子，水中镁离子来源大都是由于白云石受含CO2水溶解而致。在含盐量少的水中，镁离子的含量一般为钙离子含量的25～50%，含盐量大时则相等或超过。重碳酸根，水中的重碳酸根主要是由于水中溶解的CO2和碳酸盐反应后产生的，部分来自CO2本身的溶解。重碳酸根是天然水中主要的阴离子。氯离子，天然水中都含有氯离子，是因为水流经地层时溶解了其中的氯化物。硫酸根，天然水中都含有硫酸根，一般地下水中的含量大于河、湖水中的含量。地层中的石膏是水中硫酸根的主要来源。（2）溶解气体氧，天然水中的氧主要是水中溶解了大气中的氧。地表水中的含氧量与水温、气压及水中有机物含量有关。一定深度下，地下水中溶解氧几乎为零。二氧化碳，天然水中的二氧化碳主要是水中或泥土中有机物分解和氧化的产物，空气中的二氧化碳也可溶于水。地表水中二氧化碳含量一般不超过20~30mg/L，地下水中可含15~40mg/L，最大不超过50mg/L。水与空气接触时氧在水中的溶解度（0.98bar）2.水中杂质对锅炉工作的危害1）形成水垢水在锅炉受热面里连续的受热蒸发，为水中的杂质提供了化学反应及不断浓缩的条件，当这些杂质达到饱和时，便有固体物质析出。固体物质，悬浮在水中称为水渣，沉积在受热面上称为水垢。水垢导热性能极差，约为金属的1/15~1/100。可使结垢部位金属管壁温度升高，引起金属强度下降，易使管子发生局部变形。锅炉结垢会使受热面传热性能变差，大大降低锅炉工作的经济性。2）引起受热面金属腐蚀锅炉给水管道、省煤器、水冷壁、过热器等都会因水质不良而引起腐蚀。腐蚀会缩短设备本身使用寿命，造成经济损失。金属腐蚀产物转入水中，使水中杂质增多，又会加剧高热负荷受热面上的结垢过程，从而形成恶性循环，迅速导致受热面金属破坏。3）造成汽水共腾汽水共腾是指蒸汽锅炉锅筒内的水滴被蒸汽大量带走的现象。锅水中杂质是汽水共腾的主要原因之一。锅筒中水在不断蒸发过程中，盐分、油脂浓度达到某一限度时，锅水表面会产生许多泡沫。泡沫破裂会产生许多高度分散的小水滴，进入蒸汽空间而被蒸汽带出。汽水共腾使蒸汽品质恶化，会造成过热器及蒸汽管道中的积盐和结垢，影响过热器安全工作。4.2水质指标及低压锅炉水质标准1.锅炉常用的水质指标水质是指水和其中的杂质共同表现的综合特性。评价水质好坏的项目称为水质指标。水质指标的表示方法是根据用水要求和杂质的特性而制定的。锅炉用水的水质指标通常分为两大类：一类是反映水中某种杂质含量的成分指标，例如溶解氧、磷酸根、氯离子、钙离子等；另一类是为了技术上的需要而人为拟定的，反映水质某一方面特性的技术指标。技术指标表示的通常是某一类物质的含量，例如硬度、碱度、含盐量等。由于水的用途不同，对水质的要求也不同。1）悬浮物悬浮物是表征水中颗粒较大一类杂质含量的指标。由于这类杂质没有同一的化学和物理性质，所以很难确切地表示出它们的含量。通常是采用某种过滤材料分离水中不溶性物质的方法来测定悬浮物，单位是mg/L。悬浮物的测定方法比较繁琐，因而只做定期检测，不作为运行控制项目。水质分析中，常用水的浊度测定值近似表示悬浮物和胶体的含量。2）含盐量含盐量表示水中各种溶解盐类的总和。由水质全分析所得到的全部阳离子和阴离子的量相加而得，mg/L。通常采用溶解固形物（或称蒸发残渣）近似表示含盐量。即取一定体积的过滤水样蒸干，并将残渣在105~110℃下干燥至恒量，mg/L。水中溶解的大部分盐类都是强电解质，在水中全部电离成离子，因此可利用水中离子的导电能力来评价水中含盐量的多少。反映水导电能力大小的指标称作电导率。此法在生产中被广泛应用。3）硬度（1）硬度是指水中某些高价金属离子的浓度。由于天然水中主要是钙、镁离子，故一般把水中钙、镁离子的浓度称为水的硬度（也称总硬度），用H总表示。（2）硬度可按水中存在的阴离子情况，划分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度两类。碳酸盐硬度H碳，是指水中钙、镁的重碳酸盐和碳酸盐含量之和，一般将碳酸盐硬度看作钙、镁的重碳酸盐含量。含有碳酸盐硬度的水，在长期煮沸后可以生产沉淀，所以碳酸盐硬度也称为暂时硬度。非碳酸盐硬度H非，是指水中钙、镁的氯化物、硫酸盐、硅酸盐等盐类的含量。由于这些盐类经加热煮沸不能除去，故又称为永久硬度。总硬度=碳酸盐硬度+非碳酸盐硬度（3）硬度单位是mmol/L，此外还有用德国度°G和用10-6CaCO3表示的。（4）水的总硬度是锅炉用水中一项十分重要的指标。硬度的大小和组成硬度盐类的性质，直接关系锅炉结生水垢的数量和性质，水处理的方法和水处理的成本。4）碱度碱度是表示水中能与强酸发生中和反应的所有碱性物质的含量。碱度的单位和硬度相同，为mmol/L。天然水中碱性物质主要是重碳酸根，锅水中碱性物质有碳酸根和氢氧根，如果锅内采用磷酸盐处理时，锅水中还会有磷酸氢根和磷酸根。为防止锅炉发生苛性脆化腐蚀，对锅水制定了相对碱度的指标，它表示锅水中游离NaOH含量与溶解固形物的比值。NaOH=游离相对碱度溶解固形物5）pH值pH值是表示溶液中氢离子的含量，即表面溶液酸碱性强弱的一项指标。pH值与氢离子浓度的关系如下：1=loglog++pHHHpH值对水中其它杂质的存在形态和各种水质控制过程及金属的腐蚀程度都有广泛的影响，是最重要的水质指标之一。大多数天然水pH值为6.5~8.5，锅水的pH值常控制在10~12。6）溶解氧溶解氧表示水中溶解氧气的含量，mg/L。2.低压锅炉水质标准4.3离子交换水处理及其设备离子交换法是普遍采用的除去水中离子状态杂质的方法。通过离子交换处理，可实现对原水的软化、除碱或更彻底的净化-除盐。对工业锅炉来说，离子交换处理的主要目的是使水得到软化，即降低原水中的硬度和碱度，以满足锅炉用水的水质要求。离子交换处理，是用一种称作离子交换剂的物质来进行的。交换剂遇水时，可以将其本身所具有的某种离子和水中同符号的离子相互交换。离子交换剂种类很多，有天然和人造、有机和无机、阳离子型和阴离子型等之分。按照结构特征来分，还有大孔型和凝胶型等。人造离子交换树脂应用广泛，其结构复杂，简单可分为两部分构成：一部分是具有高分子结构形式的骨架，另一部分是化合于该骨架上、带有可交换离子的活性基因。R-为某型交换剂。离子交换法分为阳离子交换和阴离子交换两类。阳离子交换在工业锅炉水处理中应用较普遍，阴离子交换主要用于水的除盐。1.阳离子交换软化水原理1）钠离子交换软化法工业水处理中，钠离子交换用的最多，原理如下：323232324224224224222NaR+CaHCOCaR+2NaHCO2NaR+MgHCOMgR+2NaHCO2NaR+CaSOCaR+NaSO2NaR+CaClCaR+2NaCl2NaR+MgSOMgR+NaSO2NaR+MgClMgR+2NaCl钠离子交换后，水中的钙、镁盐都成了钠盐，除去了水中的硬度。钠离子交换前后碱度保持不变，含盐量稍有增加。钠离子交换剂可用食盐溶液再生，可再用于软化处理。如果原水碱度大于3mmol/L时，可采用部分钠离子交换法以降低碱度。这种方法用一部分经钠离子交换的软化水和一部分原水混合后作为锅炉给水。进入锅炉后软水中的碱度将使原水中的硬度在锅内得到软化。此方法可减少软化水量，节省食盐，又可降低锅炉水碱度，减少锅炉排污量及热损失。2）氢离子交换软化法采用氢离子置换原水中的钙、镁离子，原理如下：32222322224224224224222HR+CaHCOCaR+2HO+2CO2HR+MgHCOMgR+2HO+2CO2HR+CaSOCaR+HSO2HR+CaClCaR+2HCl2HR+MgSOMgR+HSO2HR+MgClMgR+2HCl氢离子交换后，水中碳酸盐硬度转变成水和二氧化碳，所以氢离子交换还有除盐的作用，除盐量与原水的碳酸盐硬度的当量相等。非碳酸盐硬度转为游离酸，产生的酸量与原水中非碳酸盐硬度的当量相等。钠离子交换剂可用1.5~2%的硫酸进行再生。由于氢离子交换软化水是酸性的，不能直接作为锅炉给水。钠离子交换软化水是碱性的，所以当原水的碳酸盐硬度大时可采用氢-钠离子联合工作的系统，可使软化水中没有酸性，并保持合适的碱度。氢-钠联合离子交换水处理分为并联法、串联法和混合法。并联氢-钠离子交换法是将原水分别在氢离子和钠离子交换器中软化，然后由氢离子交换器产生的酸性水和钠离子产生的碱性水混合，然后进入除CO2器除去游离的CO2。串联氢-钠离子交换法是一部分原水先经氢离子交换器软化，再与其余原水混合除去CO2进入中间水箱，再经钠离子交换器软化。混合氢-钠离子交换法是交换器内装有两种交换剂。3）铵离子交换软化法铵离子交换软化与氢离子交换软化相同，但是交换剂是用铵溶液还原，使之成为铵离子交换剂NH4R：442442CaR+2NHCl2NHR+CaClMgR+2NHCl2NHR+MgCl铵离子交换剂与水中的碳酸盐作用时，有432432432432433222NHR+CaHCOCaR+2NHHCO2NHR+MgHCOMgR+2NHHCONHHCONH+CO+HO铵离子交换既软化了碳酸盐硬度，又消除了碱度，同时也有除盐的作用。对于水中的非碳酸盐硬度：硫酸铵和氯化铵在锅筒中受热分解形成酸：442442422444244242242NHR+CaSOCaR+NHSO2NHR+CaClCaR+2NHCl2NHR+MgSOMgR+NHSO2NHR+MgClMgR+2NHCl44324243NHSO2NHHSONHClNHHCl铵离子交换软化非碳酸盐硬度后也形成酸，所以必须与钠离子交换联合使用。铵离子交换的除碱、除盐效果必须在软水受热后才呈现；软化水酸性也仅在受热时才呈现，交换器无需防酸衬里；铵离子交换处理的水受热后产生氨气，对铜制设备既附件有腐蚀作用。铵-钠离子交换系统有并联和混合两种，一般不用串联。2.离子交换器的工作过程离子交换剂装填在圆柱形的设备中，形成一定厚度的滤层，原水以一定速度均匀地通过交换剂层进行交换，这种水处理设备称为离子交换器。用于软化水的离子交换器，工作过程包括软化和再生两个过程，且这两个过程是循环进行的。1）离子交换器的运行过程整个交换剂层分为三个区域上层已完全被钙、镁离子饱和的叫失效层其下为工作层，可进行交换反应最下部的一层为尚未工作的交换剂层工作层还处于离子交换剂层中间时，出水水质一直是良好的工作层下缘移动到和交换器中交换剂层的下缘重合时，再继续运行出水残留硬度会增加（