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1、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 10-4 mm之间
2、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，
3、镁离子的含量一般为钙离子含量的2550%，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
4、化碳也可溶于水。地表水中二氧化碳含量一般不超过2030mg/L，地下水中可含1540mg/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1/151/100。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
5、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
6、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
7、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105110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
8、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
9、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。,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：,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
10、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6.58.5，锅水的pH值常控制在1012。,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
11、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：,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
12、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：,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1.52%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
13、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NH
14、4R：,铵离子交换剂与水中的碳酸盐作用时，有,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：,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
15、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（B点）实际运行时，离子交换器最下部有一层不能发挥其全部交换能力的交换剂层，保护水质称为保护层,图中面积ABDE表示交换剂平衡交换容积的大小，面积ABCDE表示最大工作交换容量，二者面积之比为交换剂的利用率。运行中工作层厚度是评价交换
16、器运行效果的重要指标。工作层越厚，钙、镁离子穿透越早，交换剂的交换容量越低。工作层厚度影响因素有：水通过交换剂层的流速，水中欲被除去的离子浓度大小，交换剂粒径，交换剂的再生程度等。,2）离子交换器的再生过程再生操作时，根据再生液在交换器内流动的方向不同分为顺流再生和逆流再生。顺流再生，再生液流向与水流向相同。装置简单，操作方便，但再生效果不理想，甚至出现初期水质变差的现象。逆流再生，再生液流向与水流向相反。再生剂利用程度高，出水水质好且稳定。,3.离子交换水处理设备,根据离子交换运行方式的不同，用于软化水的离子交换器可分为固定床和连续床两大类。固定床是离子交换剂处在静止条件下运行的交换器，并且
17、原水的软化和交换剂的再生是在同一装置中进行的。固定床有顺流再生固定床、逆流再生固定床和浮床三种。连续床是离子交换剂在动态条件下运行的交换器，并且原水的软化和交换剂的再生是在不同装置内进行的。连续床有流动床和移动床之分。,1）顺流再生离子交换器,2）逆流再生离子交换器,3）浮床离子交换器,4）连续床离子交换设备,4.4 锅内水处理,现代锅内水处理是向给水或锅水中投加适当的药剂，使之与锅水中的Ca2+、Mg2+或SiO2等容易结垢的物质发生物理或化学作用，形成松散的悬浮在锅水中的水渣，通过排污排出锅外，从而减轻锅炉结垢。优点：对原水水质适应范围大，设备简单、投资小、操作方便、运行费用低。缺点：锅炉
18、排污率高，致使热损失增大，不能完全防止锅炉结垢，且防垢效果不稳定，需对锅炉进行定期清洗；在水循环不良的地方因锅内处理生成大量的沉渣，不容易被排污排出，有可能发生沉渣聚积形成二次水垢。,1.锅内水处理机理,锅水在锅炉运行中发生受热、蒸发、浓缩、结晶及物质间反应等一系列的物理和化学变化，导致锅水中沉淀物的析出，因此锅炉运行时形成沉淀不可避免。在不同的外界条件下，会生成不同形态的沉淀物质。从对锅炉工作影响角度看，分为水垢和水渣。水垢是指形成并牢固地附着于锅炉受热面上坚硬、致密的结晶体，对锅炉工作的危害较大。水渣是指形成于锅水中呈疏松絮状或细小晶粒状的悬浮物质。,密度小的水渣，随着汽水混合物进入汽包内
19、，大部分悬浮于汽水分界面上，可以通过锅炉表面排污排出。密度较大的水渣，会逐渐沉入锅炉汽包的下部，更多的会集中于下集箱里，可以通过定期排污排出。根据水渣性质又可分为粘附性强的水渣和粘附性差的水渣。粘附性强的水渣在锅炉热负荷高或锅水循环缓慢的地方沉积下来，再次形成水垢，称为二次水垢。水渣又有流动性好和流动性差之分，流动性好的水渣易于通过排污排出锅外。,锅内水处理原则,当水中有害杂质进入锅内后，经过化学处理使其转化为粘附性差、流动性好的水渣，有以下手段：创造使水垢转变为水渣的条件。例如控制锅水pH值在1012，碳酸钙沉淀在碱剂的分散作用下，悬浮在锅水中形成水渣。向锅水中引入形成水渣的结晶核心。投加表
20、面活性较强的物质，破坏某些盐类的过饱和状态，以及吸附水中形成的胶体或微小悬浮物。投加高分子聚合物，使其在锅内与钙、镁等离子发生络合反应，减少锅水中离子浓度，延缓沉淀物生成。,创造锅炉受热面的清洁条件，阻碍水垢结晶萌芽的形成。使沉淀析出的固体微粒表面与受热金属表面具有相同的电荷，或使受热面形成电中性绝缘层，从而破坏它们之间的静电作用。有效地控制结晶的离子平衡，使锅水易结垢的离子向着生成水渣方向移动。创造有利于水循环和加速水循环的条件，以破坏水垢晶体的沉积过程。,2.锅内水处理常用药剂的性能及作用,1）氢氧化钠氢氧化钠又称火碱、烧碱、苛性钠，是白色固体，吸水性很强，极易溶于水而放出大量热，具有很强
21、腐蚀性。作用如下：清除给水中的碳酸盐硬度和镁离子硬度能防止在金属表面上形成水垢保持锅水一定的碱度，防止锅炉酸性腐蚀,2）碳酸钠碳酸钠又名纯碱，为白色粉末状固体，易溶于水，水溶液呈强碱性。作用如下：消除水中的钙硬度，使钙离子不以CaSO4的形式析出成为水垢锅炉内，一部分碳酸钠可水解为NaOH，具有与NaOH相同的作用。当压力超过5MPa时，碳酸钠几乎全部水解，因此高压锅炉中钙离子不能用碳酸钠消除。锅炉内加入碳酸钠后，可以在锅水中保持一定浓度的碳酸根，防止生成坚硬的硫酸钙水垢。,3）磷酸三钠磷酸三钠又称磷酸钠，为白色晶体，在干燥空气中能风化，加热到100时会失去结晶水成无水物。作用如下：能沉淀给水
22、中的钙、镁盐类。能增加泥渣的流动性。能使硫酸盐和碳酸盐等老水垢疏松脱落，对未经水处理的老水垢比较明显。在金属表面形成磷酸盐的保护膜，防止金属腐蚀。,4）磷酸氢二钠与磷酸二氢钠磷酸氢二钠与磷酸二氢钠的作用与磷酸三钠相似，只是它能降低锅炉水碱度，所以当给水中钠钾碱度较高时，宜采用磷酸氢二钠与磷酸二氢钠代替。,5）六偏磷酸钠六偏磷酸钠俗称磷酸钠玻璃，是偏磷酸钠聚合体的一种，为玻璃状固体。有较强的吸湿性能，渐解后变粘，水中溶解度较大，但溶解速度慢。作用如下：可以防止由于给水硬度大而引起的给水系统结垢。可以代替磷酸三钠的作用。,6）拷胶应用于锅炉水处理的拷胶通常是橡碗拷胶，由栎树橡壳提炼而成。主要成分是
23、单宁，是一种高分子的无定形有机酸，水解成没食子酸。拷胶的防垢作用是：络合、凝聚作用，使沉淀物变成水渣。绝缘层作用。吸氧防腐作用。,7）合成有机防垢剂合成有机防垢剂主要是聚羧酸类和有机磷类药物。20世纪70年代开始，又采用聚丙烯酸类和有机膦类复合配置防垢剂，进行锅炉水处理。合成有机防垢剂的防垢机理一般认为有三个：结晶过程的去活化作用、晶格畸变作用和分散作用。,3.锅内水处理的加药方法及注入系统,1）锅内水处理的加药方法锅内水处理的加药方法有定期加入法和连续加入法定期加入法是每隔一定时间向给水或锅水中加一次药的方法。该方法不需要复杂加药设备，操作方便简单。但在锅炉运行中锅水药液浓度变化较大，水质监
24、督麻烦，因此仅适合低压小容量锅炉。连续加药是把预先配制成一定浓度的药液通过加药装置连续加到给水或锅水中的方法。锅水中药液浓度均匀，各项水质指标稳定，但需要一套加药设备及操作程序。,2）锅内水处理的加药系统由于采用的加药方法及药剂加入地点不同，需采用不同加药装置，形成了不同加药系统。,4.5 锅炉给水除氧,1.水中气体的溶解特性及除氧的途径,水中的溶解氧是造成锅炉设备及热力系统金属腐蚀的主要原因。对蒸发量2t/h的锅炉，均要求进行给水除氧。根据锅炉压力不同，给水溶解氧量要控制在0.050.1mg/L以下。气体在水中的溶解度取决于气体的性质，气体在气水分界面上的分压力及水的温度等，遵循气体溶解定律
25、（亨利定律）。水被加热沸腾时，汽水界面上的压力就是水的饱和蒸汽压力，则气体在水中的溶解度等于零。,根据氧的溶解特性及其活泼的化学性质，去除水中氧气的途径：设法使水处于沸腾状态，水中氧气即可逸出；排除水面上的氧分子，减少界面上氧的分压力，使水中溶解氧气逸出；使水中的氧气与金属或其它药剂化合生成稳定的化合物而消耗掉,2.热力除氧,根据气体溶解定律，在给水进入锅炉前，设置除氧器进行热力除氧。除氧器设计应满足以下条件：使水能被可靠地加热到除氧器压力下的沸腾温度；增大水与蒸汽的接触面积，水流分配均匀；使水与蒸汽成相对方向流动；必须迅速将水面上的气体去除。,热力除氧器常用的有喷雾式和溅盘式。,按工作压力，
26、热力除氧有压力式、大气式和真空式之分。压力式除氧器内压力一般为0.51.5MPa（绝对压力）大气式除氧器内压力为0.110.12MPa（绝对压力）真空式除氧器内压力为0.060.09MPa（绝对压力）。真空除氧器出水温度（3060）低，锅炉余热利用效果好，适用于低压小型蒸汽锅炉和热水锅炉的给水除氧。,3.解析除氧,解析除氧是将欲除氧的水与已脱氧的气体强烈混合，使溶解于水的氧大量扩散到无氧气体中去，从而达到除氧目的。通常水上部空间的脱氧气体是利用木炭燃烧后生成的烟气（N2+CO2）来形成的。解析除氧可以在水温较低（3060）情况下除氧，所以可提高省煤器热效率，提高锅炉有效蒸发量。解析除氧设备占地较小，金属耗量小。该方法只能除氧，不能除其它气体，且除氧后水中CO2含量要增加。,4.化学除氧,化学除氧是利用氧的活泼性质，设法使水中的溶解氧和廉价物质反应而生成新的物质。化学除氧有钢屑除氧和药剂除氧。钢屑除氧是使水流过装有钢屑的过滤器，钢屑被氧化，同时去除了氧气。水温控制在70以上，该温度还可以防止生成Fe(OH)2等铁锈物质。化学药剂除氧系用化学药剂（如亚硫酸钠、亚硫酸氢钠）将水中的溶解氧固定，形成稳定的化合物，然后借助锅炉排污将化合物排除炉外。多用于给水水质要求较高的热力系统作为辅助除氧方式。,The End,
