锅炉水处理技术培训资料(2012年度).doc

锅锅 炉炉 水水 处处 理理 技技 术术 培培 训训 资资 料料 （20122012 年度）年度） 北京化新通达清洗技术有限责任公司北京化新通达清洗技术有限责任公司 二零一二年四月二零一二年四月 目目 录录 第一章第一章 结垢及腐蚀的形成与危害结垢及腐蚀的形成与危害1 1 第二章第二章 锅炉水处理概述锅炉水处理概述6 6 第三章第三章 供暖工艺及类型供暖工艺及类型1010 第四章第四章 bf-30bf-30热水锅炉防腐阻垢技术热水锅炉防腐阻垢技术1616 第五章第五章 零排污蒸汽发生技术零排污蒸汽发生技术2121 第六章第六章 经济分析及相关成本计算经济分析及相关成本计算2626 第七章第七章 附录附录3030 1 第一章第一章 结垢及腐蚀的形成与危害结垢及腐蚀的形成与危害 1.1、锅炉结垢的原因 含有硬度的水若不经过处理就进入锅炉，运行一段时间后，锅炉水侧受热面 上就会牢固地附着一些固体沉积物，这种现象称为结垢。受热面上黏附着的固 体沉积物就称为水垢。在一定条件下，固体沉淀物也会在锅水中析出，呈松散 的悬浮状，称为水渣。水渣可随排污除去，但如果排污不及时，部分水渣也会 在受热面上或水流流动滞缓的部位沉积下来而转化成水垢(通常称之为“二次水 垢”)。 锅炉结垢的原因，首先是给水中含有钙镁硬度或铁离子，硅含量 过高；同时又由于锅炉的高温高压特殊条件。水垢形成的主要过程为： 1）受热分解 在高温高压下，原来溶于水的某些钙、镁盐类(如碳酸氢盐)受热分解，变 成难溶物质而析出沉淀。 2）溶解度降低 在高温高压下，有些盐类(如硫酸钙、硅酸盐等)物质的溶解度随温度升高 而大大降低，达到一定程度后，便会析出沉淀。 3）锅水蒸发、浓缩 在高温高压下，锅水中盐类物质的浓度将随蒸发浓缩而不断增大，当达到 过饱和时，就会在受热面上析出沉淀。 4）相互反应及转化 给水中原来溶解度较大的盐类，在运行中与其他盐类相互反应，生成了难 溶的沉淀物质。如果反应在受热面上发生，就直接形成了水垢；如果反应在锅 水中发生，则形成水渣。而水渣中有些是具有黏性的，当未被及时排污除去时， 就会转化成水垢。另外，有些腐蚀产物附着在受热面上，也往往易转化成金属 氧化物水垢。 上述这些析出的沉淀物质黏结在锅炉受热面上就形成了水垢，温度越高的 部位，越易形成坚硬的水垢。 1.2 水垢的危害 水垢的导热性很差，其导热系数要比锅炉钢板的导热系数小几十倍至数百倍， 2 所以锅炉结垢后就会严重阻碍传热并引起下列危害： 1）浪费燃料，降低出力 锅炉结垢后将严重影响受热面传热，降低热效率，降低蒸汽出力，增加燃 料消耗。根据测定，水垢厚度与浪费燃料的关系见下表 1。 水垢厚度(mm) 0.51358 浪费燃料() 2 35610 1535 表 1 水垢厚度与浪费燃料的关系 不同水垢的导热效率见表 2 介质类别导热系数 w/(mk) 软钢 46.4-69.7 碳酸盐水垢 0.58-6.97 硫酸盐水垢 0.58-2.92 硅酸盐水垢 0.06-0.23 氧化铁垢 0.12-0.23 含油水垢 0.12-0.17 水 5.81-6.97 表 2 不同水垢的导热效率 2）易引起事故，影响安全运行 受热面结生水垢后，金属的热量由于受水垢的阻碍而难于传热给锅水， 致使金属壁温急剧升高，当温度超过了金属所能承受的允许温度时，金属强度 显著降低，从而导致金属过热变形，严重时将造成鼓包、裂缝，甚至爆管等事 故。 3）堵塞管道，破坏水循环 如果水管内结垢，就会减小流通截面积， 增大水的流动阻力，破坏正常的水循环，严重时还会完全堵塞管道，或造成爆 管事故。 4）引起垢下腐蚀，缩短锅炉寿命 锅炉结垢后还会引起垢下腐蚀等危 害。有些结构紧凑或结构复杂的锅炉，一旦受热面结垢，就极难清除，严重时 只好采用挖补、割换管子等修理措施，不但费用大，而且还会使受热面受到严 重损伤。所有上述这些危害都将大大缩短锅炉的使用寿命。 另外，锅炉结垢后，将增加清洗和维修的时间、费用及工作量等，影响生 产，减小锅炉的有效利用率，降低经济性。 1.3 水垢的清除 锅炉应以积极的防垢、防腐为本。但当锅炉结垢或腐蚀沉积物达到一定程 度时，也应及时清洗除去，以免对锅炉安全运行带来隐患。 清洗除垢的方法主要分为机械除垢和化学清洗两大类，其中化学清洗又可 分为碱煮除垢和酸洗除垢。现将锅炉除垢的方法和要求简要介绍如下： 1）机械除垢 主要采用电动洗管器、扁铲、钢丝刷及手锤等工具进行机械除垢。此法比 较简单，成本低，但劳动强度大，除垢效果差，易损坏金属表面，只适用于结 垢面积小，且构造简单，便于机械工具接触到水垢的小型锅炉。近年来，由于 清洗专用的高压水枪的应用，使水力冲洗的机械除垢发展较快，这种高压水力 除垢的效果较使用原始的机械工具有很大的提高，且较为安全、方便。但 目前 高压水力除垢仍仅限于结构较简单的工业锅炉。 3 2）碱洗(煮)除垢 锅炉碱煮的作用主要是使水垢转型，同时促使其松动脱落。单纯的碱煮除 垢效果较差，常常需与机械除垢配合进行。碱煮除垢对于以硫酸盐、硅酸盐为 主的水垢有一定的效果，但对于碳酸盐水垢，则远不如酸洗除垢效果好。碱洗 煮炉也常用于新安装锅炉的除锈和除油污，有时也用于酸洗前的除油清洗或垢 型转化。 碱洗药剂用量应根据锅炉结垢及脏污的程度来确定。一般用于除垢时的用 量(每吨水的用量)为：工业磷酸三钠 510kg，碳酸钠 36kg，或氢氧化钠 24kg。这些碱洗药剂应先在溶液箱中配制成一定浓度，然后再用泵送人锅内， 并循环至均匀。 碱煮除垢的方法与新锅炉煮炉基本相同，只是煮炉结束后，应打开锅炉的 各检查孔，及时加以机械(或高压水力)辅助清垢，以免松软的水垢重新变硬。 3）酸洗除垢 目前在各种除垢方法中，以酸洗除垢效果较好，但酸洗工艺若不合适或控 制不当也会影响除垢效果或腐蚀金属，有时甚至会严重影响锅炉的安全运行。 为了确保锅炉酸洗的安全和质量，国家质量技术监督局专门制定颁发了锅炉 化学清洗规则 ，并规定：从事锅炉化学清洗的单位必须取得省级及省级以上锅 炉压力容器安全监察机构的资格认可，才能承担相应级别的锅炉化学清洗。无 相应资格的任何单位和个人(包括用炉单位)，都不得擅自酸洗锅炉。 锅炉在酸洗前应预先取有代表性的垢样进行化验，制定清洗方案；进酸开 始时须在锅炉内和酸箱内挂入腐蚀指标片(直到退酸时取出)；酸洗工艺流程及 酸洗液的温度、浓度、流速、酸洗时间等应按清洗方案实施和控制；清洗过程 中应不断取样化验并如实作好记录。清洗结束后，用炉单位、清洗单位和锅炉 安全监察部门应对清洗质量进行验收。工业锅炉的酸洗质量要求如下： (1)除垢率 清洗以碳酸盐垢为主的水垢，除垢面积应达到原水垢覆盖面积的 80以上。 清洗硅酸盐或硫酸盐水垢，除垢面积应达到原水垢覆盖面积的 60以上。 如除垢率低于上述规定，或虽达到规定要求但锅炉主要受热面上仍覆盖有难以 清理的水垢时，应在维持锅水碱度达到水质标准上限值的条件下，将锅炉运行 一个月左右再停炉，用人工或高压水枪清理脱落的垢渣和残垢。由于经酸洗后 残留的硬垢往往已有所松动，当锅炉投入运行后会逐渐地脱落，若不作再次清 理极易发生事故，所以当残留垢较多时必须加以处理。 (2)钝化膜 锅炉清洗表面应形成良好的钝化保护膜，金属表面不出现二次 浮锈，无点蚀。 (3)腐蚀速度 用腐蚀指示片测量的金属腐蚀速度的平均值应小于 6g(m2h)，且腐蚀总量不大于 72gm2。 (4)炉管畅通 清洗后锅内所有的水冷壁管和对流管等炉管都应畅流无阻。 如清洗前已堵塞的管子，清洗后仍无法疏通畅流的，应由有修理资格的单位修 理更换。 1.4、锅炉的腐蚀原理与特征 铁受水中溶解氧的腐蚀是一种电化学腐蚀，铁和氧形成腐蚀电池。铁的电 极电位总是比氧的电极电位低，所以在铁氧腐蚀电池中，铁是阳极，遭到腐蚀， 反应式如下:fe fe2+2e,氧为阴极，进行还原，反应式如下：o2+2h2o+4e 4 4oh在这里溶解氧起阴极去极化作用，是引起铁腐蚀的因素，这种腐蚀称为氧 腐蚀。 氧腐蚀的特征：氧腐蚀的形态一般表现为：溃疡和小孔型的局部腐蚀，其 腐蚀的产物表现为黄褐、黑色、砖红色不等。对金属的强度破坏非常严重。 铁受到溶解氧腐蚀后产生 fe2+，它在水中进行下列反应： fe2+2 oh fe (oh )2 fe (oh ) 2+2h2o+o2 4fe (oh )3 fe (oh ) 2+2fe (oh)3 fe3o4+4h2o 在上述反应中， fe (oh ) 2 是不稳定的，使反应继续往下进行，最终产 物主要是 fe (oh ) 3 和 fe3o4 腐蚀的部件 ：氧腐蚀是锅炉采暖系统常见的一种腐蚀。在运行和停运期间 均可发生。其主要部位，首先是给水系统和省煤器，而且其腐蚀产物进入受热 面中和循环水系统中，也会引起其他一些破坏。在系统停运期间由于防护不当， 更是如此，不断造成设备及系统的破坏，其破坏程度越来越大，在金属表面形 成许多小鼓包，鼓包表面的颜色（由黄褐色到硅红色不等，次层是黑色） 。当将 这些腐蚀产物清除后，便会出现腐蚀造成的陷坑。 给水中的溶解氧通常是造成热力设备腐蚀的主要原因，其来源主要由锅炉 给给水或热力管网返回的的热水、凝结水在循环运行中漏入空气、汽轮机或凝 汽器或凝结水泵的密封不严密等，它可以导致在运行期间和停用期间的氧腐蚀， 为防止和减轻锅炉运行期间的氧腐蚀，必须对锅炉给水进行除氧。 1.5、锅炉的腐蚀危害及预防措施 锅炉水质不良或停炉保养不当常会引起金属的腐蚀。锅炉发生腐蚀后，不 仅使金属的有效厚度减薄，而且会使金属内部的金相组织遭到破坏，机械性能 变差，造成锅炉的承压能力降低，使用寿命缩短，以至提前报废。有的腐蚀会 在人们毫无察觉的情况下对设备造成损坏，严重时还会发生爆管事故，有的甚 至会引发锅炉爆炸等灾难性事故。目前，我们普遍采用软化法进行给水处理， 以防止结垢，殊不知经过软化的给水腐蚀性还要强于自来水（软化水腐蚀性： 1.8g/m2.h，自来水腐蚀性：1.5 g/m2.h） 。因此，防止腐蚀也是保证锅炉安全 运行的重要措施。 工业锅炉常见的腐蚀主要有氧腐蚀和垢下腐蚀，其防止的措施主要有： 5 1） 搞好给水处理 给水中的溶解氧、铁离子和过低的 ph 值都会促进锅炉金属发生腐蚀。因此 给水应尽量除氧；给水 ph 值应大于 7；对于回收蒸汽冷凝水作给水的，应注意 控制铁离子含量，有时用汽系统刚启动一段时间，凝结水中往往就含有黄色铁 锈水，这时应适当排放至含铁量合格后才能作为锅炉给水。 2） 保持锅水水质达到合格 一般来说，锅水中含盐量和氯根含量过高，ph 值和碱度过低或过高都会增 加腐蚀。因此，在锅炉运行中应做到合理排污，维持锅水一定的 ph 值、碱度及 po43-含量，使锅水水质保持合格，不但可防止结垢，也有利于防腐。 3） 防止垢下腐蚀 锅炉受热面结垢后，渗入垢下的锅水会在高温下极度浓缩，并发生化学反 应，从而产生各种垢下腐蚀，但由于水垢的覆盖往往难以察觉。因此，锅炉结 垢后应及时清洗除去。 4） 使金属表面形成保护膜 对于新安装的锅炉，良好的煮炉效果应能使金属表面形成完整的钝化保护 膜。而在运行条件下，当锅水保持合适的 ph 值(一般为 1012)和一定量的磷 酸根及碳酸根时，也有助于金属表面形成致密的保护膜，减缓腐蚀。但是如果 锅炉水质控制不好，尤其是 ph 值过低或过高，常会破坏保护膜。 5） 做好停炉保养 不少锅炉的腐蚀常常是因为停炉保养不当所造成的，而停炉时产生的腐蚀 产物又常会在锅炉运行时进一步加速腐蚀。因此，停炉时必须按规定要求做好 保养工作。 第二章第二章 锅炉水处理概述锅炉水处理概述 2.1、锅炉水处理的国内外现状 水质中会有较多的有害杂质，这种水质如果不 经任何处理就进入锅炉，那 么水中的杂质会在锅炉中形成水垢或水渣。由于锅炉是一种热交换设备，水垢 的生成会极大地影响锅炉的导热能力（水垢的导热系数是钢铁的导热系数的数 十分之一到数百分之一） ，因此，锅炉结垢将导致炉管过热损坏、燃料浪费、出 力降低、消耗化学除垢药剂、缩短锅炉使用寿命等。水质不良对锅炉的另一种 危害是腐蚀锅炉金属，使金属件破坏，增加水中的结垢成分，产生垢下腐蚀等。 不良的水质对锅炉的危害如此大，因此，对锅炉给水的处理十分重要。 十年来，在发达国家，以安全和节能为发展战略的锅炉水处理技术获得长 足的进步，许多重大研究成果已转化成一系列技术标准和法规。对低压锅炉， 普遍采取软化水阻垢剂以防止结垢，采用机械除氧器化学除氧剂（亚硫酸 钠）除氧以防止腐蚀，采用防腐阻垢法和排污以保持水质工况。对中高压锅炉， 普遍采取去离子水阻垢剂以防止结垢，采用机械除氧器化学除氧剂（亚硫 酸钠或联氨）除氧以防止腐蚀，采用防腐阻垢剂法和排污以保持水质工况。对 更高压力特别是亚临界压力锅炉，普遍采用全挥发处理技术。作为必须的安全 措施，采用连续排污和定期排污以保持锅炉水质和工况。这些技术使锅炉的经 济安全性大大提高。 我国自改革开放以来，随着国民经济的发展作为工业心脏的锅炉的数量以 相当快的速度增加。目前，中国是世界上拥有锅炉台数最多的国家之一。1998 年度，全国在用锅炉总台数为 50.65 万台。其中，蒸汽锅炉 34.07 万台，占 67.27；热水锅炉 16.58 万台，占 32.73。按用途统计，生活用锅炉 26.34 万台，占 52；生产用锅炉 23.78 万台，占 52；发电用锅炉 5286 台，占 1.05。因此，中国锅炉水处理的任务十分艰巨。 2.2、锅炉水处理技术概述 2.2.1 离子交换法阻垢技术 离子交换剂是一类具有离子交换作用的功能材料。早在一百多年前，沸石 类无机离子交换剂就已经发现并得到应用。后来出现了性能更好的阳离子交换 剂磺化煤。1935 年合成的有机离子交换树脂问世，1945 年，苯乙烯系列离子交 换树脂研究成功。现代大量使用的离子交换树脂有阳离子型强酸性树脂和弱酸 性树脂、阴离子型强碱性树脂和弱碱性树脂、氧化还原树脂、两性树脂和鳌合 树脂等。 离子交换树脂在水处理上的应用约占其产量的 90。当原水经过离子交换 树脂床时，水中的杂质离子与树脂上的无害离子交换，从而把杂质离子从原水 中去掉，使水质符合锅炉的要求。工业锅炉最长用的是钠型离子交换系统，通 过钠离子交换树脂床的原水，其中的钙、镁离子即被除去，其残余硬度可降至 0.05mmol/l 以下，甚至可以使硬度完全消除。为了同时达到降低碱度的目的， 可采用部分钠离子交换、如酸钠离子交换、氢钠、铵钠、氯钠等离子 交换系统。为了获得去离子水或者脱盐水，可采用阳阴、阳阴混离子交换 系统。 目前，离子交换法在我国锅炉房的普及率已达 90以上。在离子交换树脂 7 的质量合离子交换系统的功能方面，我国与国外先进水平尚存在一定差距。美 国 autotrol、fleck 等自动软水器，kinetico 公司的水力自动软化器已纷纷进 入我国市场，我国尚无可与之竞争的国产品牌。 一种习惯性的认识是，原水经过软化之后，水的 ph 值提高了，因而水的腐 蚀性也降低了。实际上，锅炉钢在原水和软化水中的腐蚀速度很大，按照锅炉 腐蚀标准，都属于事故性腐蚀级。而且软化水比原水的腐蚀性更大。原水中含 有天然缓释剂重碳酸钙，它是一种阴极性缓释剂，当在钢表面同阴极反应产物 氢氧根离子相遇时，即生成碳酸钙沉淀而覆盖于阴极表面。由于阴极过程被抑 制，钢的腐蚀速度减小。当原水被软化之后，随着硬度成分被除去，水中原有 的天然缓释剂已不存在，因而水的腐蚀性增加了。同时，腐蚀产物覆盖于金属 表面而成垢的情况变得严重了。因此，对使用软化水的锅炉，更有必要采取防 腐措施。离子交换法的主要缺点是必须排放再生废液。再生废盐水可导致淡水 咸化，其排放在一些国家已受到限制。 2.2.2 膜分离法阻垢技术 膜分离是借助一个膜相对被分离物系中各组分的选择透过能力不同而实现 对物系中各组分分离的过程。膜分离技术发展的时间大致是，20 世纪 30 年代， 微滤；40 年代，透析；50 年代，电渗析；60 年代，反渗透；70 年代，超滤和 液膜；80 年代，气体分离；90 年代，渗透蒸发。膜技术的大致应用范围是，微 滤用于过滤细菌，超滤用于截留蛋白质，反渗透用于除去水溶液中的离子及相 对分子质量为几百的小分子溶质。 在锅炉水处理方面应用较多的是电渗析和反渗透。在发达国家，锅炉用水 的预处理采用电渗析法已很常见。虽然反渗透远不及电渗析应用那么广泛，但 反渗透法作为离子交换的预处理更为有利。膜法预处理的优点是，由于除去了 大量离子，因而可使离子交换符合减少，延长再生周期；由于除去了污染物， 因而可减轻树脂污染，延长离子交换树脂的使用寿命。 膜法的主要缺点是需要较严格的预处理和必须排放浓缩水。 2.2.3 除氧器除氧剂法防腐技术 为了防止锅炉系统的氧腐蚀，国内外研究开发的重点是从给水中除去腐蚀 剂溶解氧。已开发了许多设备除氧方法，例如热力除氧、真空除氧、解吸除氧、 氧化还原树脂除氧、钢屑除氧等。热力除氧和真空除氧的除氧效果好，使用性 能稳定，一直是蒸汽锅炉普遍采用的防腐方法。为了保证除氧效果，还应在机 械除氧之后再加入适量除氧剂。 此外，也可以向软化水中直接加入除氧剂，使其和水中的溶解氧反应，除 去腐蚀剂溶解氧。已开发了许多除氧剂，较重要的有亚硫酸盐、联氨、二乙羟 胺、碳酰肼、氢醌、异抗坏血酸、胺基胍、甲基乙基酮圬等。不过，一般认为 单独加入除氧剂不如除氧器除氧剂法经济。 亚硫酸钠使最常用的除氧剂。除了有可能使其分解的超高压锅炉外，对普 通高压锅炉、中压锅炉和大容量低压锅炉，最好的防腐方法使：首先用机械除 氧器除去大部分溶解氧，然后加入亚硫酸钠，使系统中亚硫酸根含量保持在 27mg/l。亚硫酸钠的作用是防止水中残存氧对系统金属的腐蚀。一旦机械除 氧器失灵或操作失误，亚硫酸钠还可作为防止氧腐蚀的第二道屏障。对没有安 装除氧器的锅炉，可直接采用亚硫酸钠，其用量根据给水溶解氧含量计算，然 后再稍增加，以保证系统中亚硫酸根含量。 长期以来，人们试图找到比亚硫酸盐各国更好的还原剂以克服亚硫酸盐再 8 贮存时容易氧化失效等缺点，但至今尚未发现像亚硫酸盐这样效果好而又廉价 无毒的物质。在走过了漫长之路以后，特别是从不污染环境考虑，人们的兴趣 重新回到了亚硫酸盐上来。北京化工大学通过试验研究，查明了亚硫酸盐的氧 化机理，研制了稳定亚硫酸钠，从而为亚硫酸盐贮存失效问题提供了解决办法。 水合联氨是比亚硫酸钠更好的除氧剂，国内外广泛用于高压锅炉给水除氧， 作为机械除氧的辅助措施。由于联氨价格昂贵，又有较强毒性，因而中、低压 锅炉很少采用。 2.2.4 锅内加药法防腐阻垢技术 锅内加药法防腐阻垢技术，是一种向锅内投加某些具有特殊功能的化学药 剂来达到防腐阻垢目的的方法。实际上，早在离子交换法问世以前，锅内水处 理技术已得到广泛应用。在离子交换法问世之后，锅内加药法与其配合使用， 获得了更快发展。在发达国家，广泛采用离子交换锅内加药，也可以单独采 用锅内加药法，像我国这样单独采用离子交换法的锅炉非常少见，这可能是我 国锅炉寿命较短的主要原因。下表列出锅炉水处理剂的一般种类及其作用，可 根据锅炉结构和水质特点灵活运用。 表 3 锅炉水处理药剂及其作用 种类药剂作用作用 ph 及碱度调节剂氢氧化钠、碳酸钠、磷酸盐、聚磷酸盐、磷酸、硫酸调整给水、锅水碱度、防止 锅炉腐蚀与结垢 软化剂氢氧化钠、磷酸盐、聚磷酸盐使水中的硬度成分沉淀 淤渣分散剂木素磺酸钠、单宁、淀粉、聚丙烯酸、苯乙烯磺酸与马来酸 共聚物 使淤泥悬浮分散于水中、易 于通过排污排出系统 除氧剂亚硫酸盐、联氨、二乙羟胺、碳酸肼、氢醌、异抗坏血酸、 胺基胍、甲基乙基酮肟 除去水中溶解氧、防止锅炉 氧腐蚀 凝结水缓蚀剂凝结水缓蚀剂吗啉、环己胺、烷基胺防止凝结水系统腐蚀 目前，在我国市场上流行着把用循环冷却水系统的防垢剂和缓蚀剂直接出 售给锅炉用户的做法。这种做法无疑有生意上的意义，但是对锅炉的防腐阻垢 难以达到要求的可能原因如下。 （1）锅炉系统的水温明显高于循环冷却水系统，其腐蚀结垢机理有很大差 别。 （2）氧的存在是敞开式冷却水系统缓蚀剂 1 发挥作用的必要条件。在冷却 水系统特别是敞开式冷却水系统，水中的溶解氧处于饱和状态，而锅水中的溶 解氧含量很低甚至为零，因而不利于这类缓蚀剂的作用发挥。 （3）目前，即使碱性冷却水处对水的碱性仍然有比较严格的要求，而锅炉 水的碱性远远超过这种限制 ，适合于冷却水细工的酸性处理对锅炉则是十分危 险的。 （4）目前，缓蚀性能最好的冷却水处理配方仍然是铬系配方和低铬系配方。 因环保限制而开发应用的非铬系配方，其缓蚀效果均不如前者。文献报道的采 用这些配方后金属的腐蚀速度对冷却水是允许的，而对锅炉来说，属于强烈腐 蚀级或事故腐蚀级。 水处理剂的发展方向是绿色化。 9 2.2.5 停用锅炉的防腐保养 锅炉停用期间的腐蚀甚至比运行时的腐蚀更严重，大规模的腐蚀损坏和局 部腐蚀穿孔往往是由停用腐蚀引起的。 2.3、锅炉水处理技术的发展方向 改革开放以来，随着国民经济的发展，我国锅炉水处理技术获得了很大得 发展，在许多方面已与国外先进的技术接轨，形成了一些具有自主知识产权的 技术。在全新的绿色化学的冲击下，水处理技术正酝酿这种大突破。面临挑战， 研究锅炉水处理技术的现状和发展动向是十分必要的。 绿色水处理技术是以近年提出的“绿色化学”为基础的新概念，从始端， 终端和中间过程杜绝污染产生的新思路，能够最大限度地节水和彻底解决水污 染的重大技术，使 21 世纪水处理技术发展的中心战略。绿色水处理技术的理想 是零排污水处理技术。 对锅炉水处理来说，在过去很长一段时间，环境问题被安全问题所掩盖。 在环境和安全难以兼得时，国内外普遍采取的做法是舍环境而取安全。由于受 锅炉水处理技术上不够先进的限制，过去把环境保护和锅炉安全两者对立起来 的灌顶恶化做法是可以理解的，但从可持续发展战略考虑则是不可取的。轱辘 是耗水大户，发达国家的锅炉耗水两一般占第三位，仅次于冷却水和产品处理 清洗用水。锅炉又是环境污染大户，连续排污、定期排污、冲洗废水排放、离 子交换剂再生废水排放以及燃料燃烧废气和粉尘的排放等都在污染着人类赖以 生存的环境。从可持续发展战略出发，以近年提出的绿色化学新概念为基础， 传统大额安全和节能战略已不能满足持发展要求，消灭污染源头的绿色锅炉水 处理技术或零排污锅炉水处理技术应当成为 21 世纪锅炉水处理发展的中心战略。 零排污技术是当前国外研究开发的重点和热点，难度和风险很大，改变传 统思路非常重要。在这方面，不妨提供 bf30a 技术的研究深化过程，希望起 到抛砖引玉作用。 热水锅炉防腐阻垢技术是国家“八五”重点科技攻关课题和国家“九五” 科技成果重点推广项目，其原定目标是解决我国普遍存在的热水锅炉运行腐蚀 和停用腐蚀两大难题，形成具有自主知识产权的技术。然而，在完成了规定科 研任务的基础上，其研究开发逐步深化，发展成了普通、中级和高级应用技术， 实现了零排污。试验结果表明，只要解决了关键技术问题，在零排污工况下， 锅炉运行更安全、更经济。 锅炉水处理技术是一门综合技术，与离子交换技术、膜分离技术、除氧技 术、锅内加药技术、停用保养技术等的进步密切相关。零排污技术是 21 世纪锅 炉水处理技术的发展方向，其研究开发的风险和难度很大，必须加大投入力度， 组织科技力量对传统的、常规的有关技术进行全面的认识和评价，从观念上、 理论上和技术上进行创新，才能完成历史赋予我们的任务。 （本章内容摘录于热水锅炉防腐阻垢技术 ，魏刚、熊蓉春。化工出版社） 第三章第三章 供暖工艺及类型供暖工艺及类型 3.1.供热工程发展历程 火的使用、蒸汽机的发明、电能的应用以及原子能的利用、可再生能源的 开发利用，使人类利用能源的历史不断发生着重大变革，也使供热工程技术发 生了质的飞跃。人类最早以火的形式利用能源到后来利用原始炉灶获得热能供 暖、炊事和照明，属于局部取暖和用能方式。1673 年英国工程师发明了热水在 管内流动用以加热房间。1777 年法国人把热水采暖用于房间。蒸汽机的发明， 促进了锅炉制造业的发展。19 世纪初期，在欧洲出现了以蒸汽或热水作为热媒 的集中供暖系统。1877 年，在美国纽约建成了第一个区域供热锅炉房。20 世纪 初，一些工业发达国家，开始利用发电厂内汽轮机的排汽，供给生产和生活用 热，其后逐渐形成现代化的热电厂。原子核的裂变和聚变可以释放出巨大的能 量，原子能应用于热电联产始于 1965 年。 本世纪，随着全球可持续战略的实施和新能源革命，世界能源结构正在向 优质化发展，清洁能源、可再生能源（太阳能、地热能、风能、水能等） ，将越 来越多地替代碳能源。燃料多元化和设备小型化、冷热电联供与多联产、网络 化与智能化控制和信息化管理以及环境友好，成为新一代能源系统的主要特征。 因此，供热热源与供热方式的多元化，正在促进现代供热技术飞速发展. 3.2.我国供热事业的发展 我国在远古时期，就有钻木取火的传说。故宫的火地供热，是迄今为止保 存完好的我国古代宫殿常用取暖方式。火炉、火墙和火炕等局部供暖方式不仅 至今在我国北方农村还被广泛地使用，目前的研究还表明，火炕是一种节能、 舒适、环保、有发展应用前景的农村供暖方式。 在解放前，我国仅在一些大城市的个别建筑和特殊区域内设置集中式供暖 系统，如当时北京的六国饭店、清华大学图书馆和体育馆、东单的德国医院等， 又如上海的国际饭店、华山公寓等，被视为高贵的建筑设备。 新中国成立后，随着国民经济建设的发展和人民生活水平的不断提高，我 国的供热事业得到了迅速发展，在东北、西北、华北三北地区，公共建筑、工 业建筑及城镇居住建筑都实现了集中供暖，不少城镇实现了集中供热。 供暖工程的设计、施工和运行管理，在 50 年代期间，主要以学习原苏联的 技术为主。20 世纪 6070 年代，我国经济建设走“独立自主，自力更生”的 发展道路，从而促进了供热技术的发展，形成了时代的特点。从仿制国外产品 转向自主开发，60 年代开始，我国能够自行设计开发大中小型的成套供热设备 及各种锅炉，设计和制造各种铸铁、钢制和铝合金散热器，热水供暖技术得到 快速的发展，公共建筑的蒸汽采暖方式逐步被替代，城镇集中供热事业迅速发 展起来。改革开放以来，我国经济建设进入快速发展时期，多种供暖系统型式 的应用和新型散热设备的研制都有了较大的发展。如工业企业中高温水供暖系 统，钢制辐射供暖的应用、新型钢串片、钢板模压等散热器的研制和应用，高 11 级旅馆中供暖与空调相结合的风机盘管系统等。1987 年颁布了适合我国国情的 国家标准采暖通风与空气调节设计规范 （gbj19-1987 ） ，1989 年建设部颁 布了城市供热管网工程施工及验收规范 （ cjj28-28-1989 ） ，1990 年颁布 了城市热力网设计规范 （ cjj34-1990 ） 。此后，不断完善制定相应配套设 计法规文件，对供热事业的发展起到了保证作用。截止到 2000 年，城镇供热面 积达 11.077 亿，城镇供热面积中住宅面积约占 60%以上。 我国是能源消耗大国，在能源消耗结构中，煤炭约占总能耗的 75。供热、 通风是能源消耗大户。供热事业的可持续性发展意味着资源持续利用、 也意味 着不可再生能源消耗的增长。因此，供热工程的发展，在消耗能源的同时也间 接的对环境造成污染。生态环境得到保护和社会均衡发展是当前的全球环境问 题之一。 新中国成立以来，供热事业的发展对发展我国经济、提高人民生活水平和 改善环境发挥了重要作用。优化配置城镇供热资源，坚持集中供热为主，多种 方式互为补充，大力开发和利用太阳能、地热等可再生能源和清洁能源。十五 规划以来，按照全面落实科学发展观，构建节约型、环境友好型社会的要求， 以提高能源利用为核心、以节能为重点，大力实施了城镇供热体制改革。推动 了建筑节能和供暖系统的节能，新建住宅基本实现节能 50%的目标。 3.3 集中供热的热源及类型 集中供热系统由热源、热网、热用户三大部分组成。热源：热源是泛指能 从中吸取热量的任何物质、装置或天然能源。如区域锅炉房和热电厂等。热网： 由热源向热用户输送和分配供热介质的管线系统。热用户：集中供热系统利用 热能的用户。 集中供热系的热源是供热系统中的重要组成部分，它是由管道和设备组成 的一个热力系统，其主要任务是生产和供给热媒。 当集中供热系统的设计热负 荷、热媒种类及其参数确定之后，就需要正确地选定热源型式、热源的热力系 统及其设备。因此目前，集中供热系统主要按照热源种类分类：分为区域锅炉 房集中供热系统、热电厂集中供热系统、工业余热集中供热系统、地热集中供 热系统等。 3.3.1 热电厂 火力发电厂在生产电能的过程中，利用汽轮机排汽或从汽轮机中间抽出一 部分蒸汽提供给供热系统以满足生产和生活的需要，我们把这种联合生产、供 给热能和电能的火力发电厂称为热电厂。热电厂由于客观事实不可能与大型发 电厂在同等起路线上“竞价上网”的。热电厂装机容量受热负荷大 小、性质等 制约，机组规模要比目前火电厂的主力机组小很多。热电厂由于既发电又供热， 锅炉容量大于同规模火电厂。热电厂必须比一般火电厂多增设锅炉容量以备用， 水处理量也大。热电厂必须靠近热负荷中心，往往又是人口密集区的城镇中心， 其用水、征地、拆迁、环保要求等均大大高于同容量火电厂，同时还建热力管 网。热电联产的蒸汽没有冷源损失，所以能将热效率提高到 85，比大型凝汽 式机组(热效率达 40)还要高得多。 12 供热汽轮机是热电厂实现热电联产过程中的关键装置，大体可分为背压式 和抽汽式两大类。背压式汽轮机是排气压力高于大气压力的供热汽轮机。抽汽 式汽轮机是从汽轮机中间抽汽供热的汽轮机。 (1)背压式汽轮机的发电功率是由通过汽轮机的蒸汽量决定的，而通过背压 式汽轮机的蒸汽量决定于热用户热负荷的大小，所以背压式汽轮机的发电功率 受用户热负荷的制约，不能分别地独立进行调节。因而限制了背压式汽轮机供 热系统只适用于用户热负荷比较稳定的供热系统。 (2)抽汽式供热汽轮机上有多个抽汽口，其中多数不可调节，它的抽汽量是 随汽轮机的负荷变化的。双抽式供热汽轮机有两个可调节抽汽口。由于它的抽 汽量可以调节使其不随汽轮机负荷改变而变化，所以既可以保证供汽量随着用 户的要求而变化，又可以保证在一定范围内不影响发电量。 (3)背压式汽轮机的发电功率是由通过汽轮机的蒸汽量决定的，而通过背压 式汽轮机的蒸汽量决定于热用户热负荷的大小，所以背压式汽轮机的发电功率 受用户热负荷的制约，不能分别地独立进行调节。因而限制了背压式汽轮机供 热系统只适用于用户热负荷比较稳定的供热系统。 总之，以热电厂为热源采用热电联产的方式可以有效提高热能利用率，节 约燃料，减少有害物排放量，供热范围比较大。但是，建设热电厂的投资比较 高，建设周期也较长。 图 1 双抽汽式汽轮机供热轮机供热系统示意图 1.锅炉 2.汽轮机 3.发电机 4.高压加热器 5.低压加热器 6.凝汽器 7.基本加热器 8.尖峰加热器 9.给水泵 10.凝结水泵 11.热网循环泵 12.补水泵 13.冷却循环水管道 14.旁路管道 3.3.2 区域锅炉房 3.3.2.1.区域锅炉房集中供热系统 在锅炉房中设置蒸汽锅炉或热水锅炉作为热源，向一个较大区域提供加热 的系统，称为区域锅炉房集中供热系统。相对于热电厂等其它热源的供热系统， 13 区域锅炉房集中供热系统具有以下特点： (）区域锅炉房供热设备比较简单，建厂条件要求不高，投资较低，易于实现。 (）以区域锅炉房为热源的集中供热系统，供热范围可大可小，比较灵活。 (）区域锅炉房集中供热系统热媒的种类及其参数，主要是根据热用户用热设 备的需求而选定的，比较简便。 (）供热管网施工安装工程量较小，工期短，见效快。 (）系统建设周期短，易于与城市建设同步进行。 (）区域锅炉房热效率低于热电厂的热能利用效率，但远远高于局部锅炉房的 热效率。 基于上述特点，区域锅炉房集中供热系统目前在我国发展集中供热事业过程中 占有相当重要的地位。 根据国内外经验，调峰区域锅炉房与热电厂相结合的集中供热系统，可以 使热电厂的运行达到最佳经济效益。 3.3.2.2.常用形式 (1)蒸汽锅炉房： 为集中供热系统生产和供给热媒的蒸汽锅炉及其附属设备称为蒸汽锅炉房。 以蒸汽锅炉房为热源的集中供热系统称为蒸汽锅炉房集中供热系统。蒸汽锅炉 房普遍用于工矿企业中供应生产工艺热负荷，同时也可供应供暖、通风以及热 水供应热负荷。 (2)热水锅炉房 为热水集中供热系统生产和供给热媒的热水锅炉及其附属设备称为热水锅 炉房。以热水锅炉房为热源的集中供热系统称为热水锅炉房集中供热系统。热 水锅炉房大多用于城市区域或街区的供暖，或用于工矿企业中供暖通风热负荷 较大的场合。 近几年来发展较快。 3.3.3 集中供热系统的其他热源 3.3.3.1工业余热 工业余热通常指的是工业生产过程中产品和排放物料所含的热以及设备散 发出来的热。 可回收和利用的工业余热根据其载体不同通常分为三大类：气态余热。 如化工设备中排出的可燃气体、工业炉中排出的高温烟气、工业设备中蒸发出 来的蒸汽以及动力设备中排出的乏汽等所含热量；液态余热。如从工业炉或 其它设备排出的冷却水等所含热量；固态余热。如高温焦炭、各种金属的铸 锭或熔渣所带有的物理热等。 工业余热的特点： （1）工艺余热的数量和参数直接受生产工艺影响，波动较大，与外界的热 负荷无直接关系。 （2）大多数工业余热的载能体都属于高温和非洁净的载能体，利用这能量 时，往往需要加添热能转换装置，或直接利用时，应考虑对载能体适当洁净的 问题。 （3）工业余热在较大工矿企业中较大量地存在、多种多样，因此，要针对 载能体的特点，设置合适的余热利用装置。 利用工业余热的方法： 14 （1）利用蒸汽锻锤废汽的供热系统 （2）焦炉冷却水的供热系统 （3）闪蒸循环系统 （4）中间介质法 工业余热利用是节约能源的一个重要途径。据不完全统计，我国目前许多 大中型工矿企业中还存在着大量的工业余热未被利用，被利用的部分，大多都 用在企业内部的供热系统中。关于集中供热系统中利用工业余热作热源的技术 经济评价问题，还有待于进一步研究和实践。 3.3.3.2地热水供热 地热是地热资源的简称，通常指能够经济地为人类所利用的地球内部的热 资源。地热资源是一种典型的清洁能源，同时它也被称为 “绿色能源”和“可 再生能源” 。在地球的最外层地壳（平均厚度 33km）中蕴藏着巨大的热水 库。据科学家推算，地壳内地热水约有 1 亿 km3 ，相当地球上全部海水总量的 10%。我国的地热资源非常丰富，在我国大陆地区地热资源分布丰富的地区有西 藏、云南、广东、河北、天津、北京等地。 将地热能直接用于集中供热系统是仅次于地热发电的地热利用方式。 地热能的分类：地热能按其在地下的贮存形式分为：蒸汽、热水、干热岩 体、地压、岩浆。目前开采和利用最多的地热能是地热水。 地热水供热的优点：利用地热水供热与其他热源供热相比具有节省矿物燃 料和不造成城市大气污染的特殊优点。 地热水的分类： (1)根据地热水温度的不同，地热水可分为：低温水（t100） 。 (2)根据化学成分不同，地热水可分为：碱性水和酸性水。 (3)根据矿物质含量，地热水可分为：超淡水（含盐量低于 0.1g/l） ；盐水 （含盐量大于 35g/l） 。 作为供热的热源，地热水具有以下的一些特点： (1)在不同条件下，地热水的参数（温度、压力）及成分会有很大的差别。 地热水的成分往往是有腐蚀性的，因而必须注意预防在传热表面和管路上发生 腐蚀和沉积。 (2)地热水的参数与热负荷无关。对于一个具体的水井，地热水的温度几乎 是全年不变的，地热水的参数不能适应热负荷变化的特性，使得利用地热能的 供热系统变得复杂。 (3)一次性利用。地热水热能被利用后通常就要被废弃。为了最大限度的利 用其能位，就要采用分级利用地热水热能的热能利用方式，使得系统复杂和费 用增大。 开采深层地热水对地面沉降的影响虽不象浅层水那么严重，但应引起重视。 从保护地热资源和防止地面沉降考虑，地热资源的开采要合理规划井群布局， 做好开采层位的调整，控制每眼井开采指标。统一规划，严格控制井位、井数、 井距和开采强度，有计划有步骤地科学开发利用，才能更好地发挥地热资源的 作用。 15 3.3.3.3核能供热 定义：核能供热是以核裂变产生的能量为热源的城市集中供热方式。 优点是可解决城市能源供应、减轻运输压力、消除烧煤造成的环境污染。 方式：核热电站供热方式和低温供热堆供热方式。 核热电站反应堆工作参数高,必须按照核电厂选址规程建在远离居民区的地 点，从而使其供热条件在一定程度上受到限制。 低温供热堆的压力参数较低，一般为 12mpa，从安全角度，可能建造在 城市近郊，因而，低温核供热堆用作城市集中供热的热源，今后在我国能得到 发展应用。 3.3.3.4热泵热源 热泵是可以用作集中供热系统辅助热源的一种设备。其工作原理与制冷机 相类似，主要是靠机械能、电能或其他能量的作用，把低温热源的能位提高到 可被供热系统利用的能位水平。 热泵是以低温热源排出的热量作为供热热源。采用热泵供热热源具有明显 的节能效果。与锅炉房供热系统相比， （对热泵系统，发电效率为 =0.35；热 泵效率系数 cop=3.5；对锅炉房系统，锅炉效率 =0.9）其节能效果约为 26，减少向城市的排热量约为 74。总之，热泵供热系统不仅节能，而且能 改善环境具有显著的经济效益和社会效益。热泵系统已逐步地被人们接受。今 后开发和利用热泵供热系统热源用于集中供热具有广阔的商景。 3.3.3.5太阳能热源 太阳能热源与常规能源相比较，太阳能资源优点很多，同时又都是一般常 规能源所不能比拟的，概括起来有以下四个方面。 ()数量巨大：每年达到地表面的太阳能辐射能约为 130 万亿 t 标准煤， 即为目前全世界所消费的各种能量总和的 20000 倍。 ()时间长久：根据天文学的研究结果可知，太阳系已存在大约 150 亿年 左右。根据目前太阳辐射的总功率以及太阳上氢的总含量进行估算，尚可继续 维持 1000 亿年之久。对于人类存在的年代来说可以认为是“取之不尽，用之不 竭”的。 ()普照大地：太阳辐射能“送货上门” ，既不需要开采和挖掘，也不需要 运输；普天之下，无论大陆或海洋，无论高山或岛屿，开发和利用都极为方便。 ()清洁安全：太阳能素有“洁净能源”和“安全能源”之称。它不仅毫 无污染，远比常规能源清洁；也毫无危险，远比原子核能安全。 (5)虽然太阳能也存在分散性，间断性和不稳定性以及效率低和成本高等缺 点，致使目前还不能或至少是不容易与常规能源相竞争。但是由于太阳能资源 具有上述诸多优点，特别是太阳能是“取之不尽，用之不竭”的，而且是洁净 的优质可再生能源，如能合理利用，必将取得巨大的社会效益和经济效益。 国内实践证明，太阳能利用中最先实用化的是太阳能供热水和太阳能供暖。 其原因之一是它们所需要的集热温度不太高（4060） ，另一个重要原因是： 近年来随着工农业的发展，全国总能耗量的增加迅速，其结果导致环境的严重 16 污染和常规能源的短缺。因此，节约常规能源和开发利用可再生能源势在必行。 目前从工程实用来看，太阳能能够主要用于单栋建筑物供暖或热水供应上。 （本章内容摘录于供热工程 ，田玉卓等，机械工业出版社） 第四章第四章 bf-30a 热水锅炉防腐阻垢技术热水锅炉防腐阻垢技术 随着我国城镇化及工业化进程的加快，与生产生活密切相关的工业锅炉及 热水锅炉采暖系统规模也快速增长。由于锅炉水处理技术水平的限制等原因， 目前工业锅炉普遍存在腐蚀结垢问题，导致锅炉寿命缩短，维护及运行成本上 升。 “国家级有突出贡献的专家”北京化工大学魏刚教授，根据工业锅炉腐蚀结 垢规律，利用“协同作用”原理首创 bf-30a 锅炉水处理技术。突破了把锅炉运 行和停用分别处理的模式，同时解决了锅炉及热网系统运行腐蚀和停用腐蚀两 个难题。 该技术可以不使用离子交换器及除氧设备。具有安全，节能节水，使用方 便的特点。 1997 年通过化工部工业化鉴定 1998 年获化工部技术发明三等奖 1999 年被国家科技部列为国家级科技成果重点推广计划项目 2000 年被国家知识产权局授予专利权 2002 年被认定为北京市高新技术转化项目 2003 年获中国锅炉水处理协会注册 北京化新通达清洗技术有限公司，依托学校技术科研优势，多年来致力于 工业锅炉防腐阻垢的应用技术的探索和研究、以及工业锅炉水处理的技术开发， 取得了丰硕的成果和业绩，2001 年被评为北京市高新技术企业。bf-30a 锅炉水 处理剂已经在近万台锅炉上应用，防腐阻垢效果优异，经济效益，社会效益， 环境效益显著。 4.14.1 bf-30abf-30a 防腐阻垢原理防腐阻垢原理 4.1.4.1.1 1 防腐蚀机理防腐蚀机理 bf-30a 的防腐蚀机理主要是使锅炉金属表面生成某种保护性薄膜，这 从电化学试验即可证实。 图 1 添加剂对 20g 钢电极电位的影响 从钢的电位-时间曲线（图 1）可以看出，在不同条件下，钢的电极电位随 时间变化的趋势均经历了剧烈降低然后稳定的过程，即首先发生表面天然保护 膜的破坏，然后发生基体腐蚀。与加入亚硫酸钠之类的除氧剂后钢的电位大幅 -0.8 -0.75 -0.7 -0.65 -0.6 -0.55 -0.5 -0.45 -0.4 00.511.522.53 t/ks e/v 自来水 bf-30a na2so3 18 度下降的情况相反，加入 bf-30a 后，钢的电位在经过稍微降低后保持大致稳定 的值，该值比原来水中钢的电位值高得多。对此可能的解释是，bf-30a 对阳极 过程的抑制比较显著。 图 2 示出 bf-30a 对钢在水中腐蚀的阳极过程和阴极过程的影响。bf-30a 的 加入使钢的自腐蚀电位剧烈正移，阳极极化也剧烈增加，但从阴极极化曲线看， 虽然 bf-30a 的加入使氧的离子化过电位减小，但阴极极化却明显增加，由此看 来，bf-30a 既强烈地抑制了钢腐蚀的阳极过程，又明显地抑制了腐蚀的阴极过 图 2 钢在水中的动电位极化曲线 程，是钢在水中的混合性缓蚀剂，同时，电化学试验结果很好的说明了 bf-30a 缓蚀率很高的原因。 4.24.2 阻垢机理阻垢机理 4.2.1.4.2.1. 螯合溶解作用螯合溶解作用 螯合剂能与与水中钙离子形成稳定的水溶性螯合物，使给水中引入的硬度 成分呈溶解状态。典型的螫合剂是乙二胺四醋酸盐（edta）和次氨基三醋酸盐 （nta） ，其阻垢机理是螯合剂同钙离子反应，将致垢阳离子封锁在其分子内， 使致垢阳离子无法与致垢阴离子结合成垢，使大量的钙离子稳定在水中，相当 于增加了微溶性钙盐在水中的溶解度，从而使钙在锅炉中呈溶解状态，起到了 阻垢作用。该反应按化学计量进行，lmgcaco3/l 钙硬