水的性质变化与锅炉节能减排

口 减口 在锅炉给水 系统 中，水垢传 热 系数仅 为金属 的几十分 之一 ， 大大地削弱 了锅炉传热 ，使热效 率大幅度降低 ，同时水垢还 引起 垢下腐蚀。结垢是一个 常见 的问 题 ，全球 每年用于垢 的清洗和结 垢引起的热损失达百亿美元 。 锅炉水处理技术是通过离子 树脂交换法将水 中的硬度盐离子 即阳离子 ( 如 C a “、Mg 、N a 等 ) 置换清除 ，以生产 出合格的软化 水 ，再将水中的阴离子 ( 如 C O 、 S O 、c 1 一 等 )除掉，以生产出合 格 的除 盐 水 ；或 通 过 膜 过 滤工 艺 来生产出无硬度低 电导率 的工业 纯水。因此，传统的锅炉化学水处 理 工 艺 生 产 的软 化 水 、除盐 水 或 工 业 纯 水 都是 为 了将 进 入 锅 炉 前 水质 中的杂质离子 ( 阴、阳离子 ) 化 与锅炉节 胡冷夫 陈宝旭 孙瑞虹 郝景泰 王雷光 ( 1 辽阳市锅炉压 力容器检 验研 究所辽宁辽 阳1 1 1 0 0 0) ( 2 辽 阳石油化纤公 司设备检修 部辽 宁辽阳1 1 1 0 0 0) 【 摘 要 】 传统水处理技术基于水质稳定理论，首先着眼于对 “ 质”( 水 中杂质 )的稳 定处理 。而新技 术基 于水 的结构 的改 变，从 而使 锅炉水质 的 “ 质 ”发 生相 应 的 变化 ，达到锅 炉节 能减排 效 果 。 【 关键词 】水分子团簇纳米晶核锅炉给水节能减排 去除 ，以达到国家规定 的锅炉给 水水质标准 ( 如 G B 1 5 7 62 0 0 1 标 准等 ) 。但是，实际上水中杂质离子 通过化学水处理工艺 ( 阴床 、阳床 及混床等 ) 不可能完全清除干净，如 软化水还允许硬度0 0 3 m m o l L ，高 压锅炉除盐用水还存在 Na 、S i O ， 和微量 的电导率。在高温蒸发浓 缩的条件下，那些剩余硬度 、残存 阴离子令溶解固形物 ( T o t a l D i s s o l v e d S o l i d s ，T D S) 含量不断升高， 不但降低 了锅水 的浓缩倍数而耗 能 ，并且给锅炉带来结垢与腐蚀 的隐患 ，影响蒸汽品质。 为了解决传统 的锅炉化学水 处理 工 艺 问题 ，产 生 了锅 内化 学 加 药法来 调整锅水 指标 ( 如 P H 值 ) ，采 用排 污法 来控 制锅 水指 标 ( T DS 值 ，总碱度等 ) ，结垢严重时 胡冷夫 ( 1 9 7 0 一) 在辽 阳市锅 炉压 力容器检验研究所 工作 。 需停炉采用 酸洗或碱煮工艺来 清 洗锅 炉。但 由此带来 了一些副作 用 ，如 ：化 学药剂易产生 锅 内汽一 水共腾现象 ，影响蒸汽质量 ，并随 锅水排放污染环境及增加能耗 ；化 学 清 洗 工 艺 控 制 不 当 易使 锅 管 出 现氢腐蚀 的裂纹 ，锅筒 因酸性腐 蚀造成金属苛性 化 ，减少锅炉 的 使用寿命 ；停炉操作消耗大量丁 时 和能 源 。 如何保证锅 炉给水 的水质 指 标 及 如何 解 决 蒸 发 浓 缩 后 锅 水 的 水质指标稳定 ，是锅炉水处理行 业 乃 至锅 炉行 业 十分关 注 的问题 。 通 过新技术改变水结构的水质用 于锅炉给水领域成为当务之急。 1 水结构浅释 自然界中的液态水是 以由单 个水分子组成水分子团簇 的形式 存在 。而水分子团簇 的大小则 随 2 0 o 。 。 石油和化工设置I 39 匕匕 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m | - 排 _ 嚣 -一 常天然水的水分子团簇 由 【 ( H。 O) n( n=1 3 1 5) 】 水分子组成。 研究发现 团簇小的水 的物化 性质 ( 溶解力 、渗透力、蒸发速率 等 )明显有别于团簇 大的水 的物 化性质。水分子 团簇变小后 氢键 作用力减弱 ，使得水分子容易从 液体 中逸出 ，蒸发速率明显加快。 根据水分子 的氢键强度及 自由能 的大小计算 ，一种环状六水分子 团簇 【 ( H ， 0) n( n=6 ) 】 具有最稳 定 的 结构 特 征 。实 践 表 明 水 分 子 团簇过小 【 ( H ， O) n ( n=2 3 ) 】 的 水质 不利于在 工业锅 炉 中应用 ， 因为水分子 团簇过小 自然分离出 过多的单水分子 ，带来的单线态 氧和溶解氧易产生过量的臭氧 0 ， 对锅炉金属易造成氧腐蚀 ，如果 出现氢原子 为单 一 的裸 露质子 ， 对锅炉金属易造成氢腐蚀的裂纹 。 所 以，控制裂变后水分子团簇 大 小成了技术的关键 。 另一方 面 ，自然界的水 ( 江河 水 、地下水等天然水 )中的杂质离 子 ( 各种阴离子与阳离子 )多数以 单个离子的形 式溶解于水中 ，并 嵌在水分子团簇 的架构之 中以 自 由态 的形式存 在。各种离子均能 以配位体的形 式参与形成水 中配 合物 的竞争 。结成配合物 的离子 具有双重性质，第一 ，它们仍然是 属 于溶于水中的溶质 ，计算在溶 解度内；第二由于它们已经是整个 配合物 的一个 部分 ，已不再是 自 由离子 ，它们不再象那些仍未结 成配合物的离子 ，具有可 以 自由 地参加有关反应性质 。当不 同温 度下与杂质离子结合 的水分子团 4。l 石 油 和 化 工 设 备 。 o0。o5 的 阴离 子 和 阳离 子 的物 化 性 质 也 随之发生变化。如水 中未配位 的 自由钙离子约 9 7 ，已配位的不 自 由钙离子约 3 ，在高温浓缩条件 下 ( 加热法可改变分 子团簇 的大 小，即团簇架构分散重组 ) ，自由钙 离子 ( C a ) 都会与阴离子 ( C O 一 及 S O 一 等 ) 因电位相异而相吸，当 【 c a 】 与 【 C O 一 】的浓度乘积 K s p 值时结合成碳酸钙 ( C a C O ) 水 垢 ，分子结构 为方解 石单晶型 ，另 3 已配位的不 自由钙离子只会长 晶成碳酸钙 ( C a C O 。 )水渣，其分 子结构为文石 +方解石双晶型。 在相 同温度下 ，外加能量的 方法能改变水分子团簇结构 的变 化 ，令 团簇架构分散变小 ，自由 态 的 阴离 子 和 阳离 子 从 分散 的 团 簇架构中逸 出 ，参与形成水中配 合物的竞争 。不 同的外加能量 的 方法使这些 自由离子具有不 同的 结构排列重组 的倾 向。采用物理 法 ( 磁场 法 、电场法等 )使 自由 离 子 在 能 量场 性 的吸 引 下 ，按 极 性 ( 阴 、阳 ) 分开 ，排 列有序 ，不 参与形成水中配合物的组成 ；采 用物化法 ( 顺磁共振场 的能量协 同效应 )使 自由离子在水分子团 簇 分 裂 的 共振 运 动 中 出现 单个 阴 离子与单个阳离子配对结合 ，以 配位离子对为结合体 的方式参与 形 成 了水 中 配 物 。如 ：水 中钙 离 子在复合能量的作用下最有利于 形 成 不 自由 的六 水 钙 配位 离 子 【 C a( H， O) 】 ，同时释放 出 6 3 0 K J m o l 能量。六水钙配位离子的 直径 为 0 5 1 6 n m，这与笼式 结构水 中形成十二面体结构 的气体水合 中一个孔穴 的直径 ( 0 5 2 n m) 具 有 很好 的适应性 ，导致形成巨大的 介稳定配位离子 ( 不 自由离子 ) ， 这种不 自由水合钙离子在水分子 共振碰撞运动过程 中与碳酸根离 子 ( C O 。 一 ) 、硫酸根离子 ( S O 。 一 ) 配位成不 自由的离子对 ( 碳酸合 钙 C a C O 。 、硫酸合钙 C a S O 。 等 ) 。 配位离子对是一种溶于水 中 的配合物 ，一种纳米尺度下的晶 核 ( 人工合成的新物质 ) ，它只有 在水 分子架构 ( 水结构 ) 被 强大的 外力破坏后才能获得 ，它在高温 浓缩条件下对锅炉给水 的剩余杂 质离子 的清除收效巨大 ，且成本 低廉 。正如 中国科学 院白春礼副 院长指出的 ：纳米技术对空气中的 2 0 纳米和水中 2 0 0纳米污染物的清 除能力 ，是其它技术不可替代的。 2 工业纳米水的特征 锅炉给水的水质包括 “ 水”与 “ 质”两个方面 ，传统水处理技术 基 于水 质 稳 定 理 论 ，首先 着 眼 于 对 “ 质”( 水 中杂 质 )的稳定处理 。 而新技 术基 于水 的结构 的改变 ， 从而使锅炉水质的 “ 质”发生相应 的变 化 ，达到 锅炉 节能减 排效 果 。 锅炉 给水 中软化水与除盐水 已将 绝 大 部分 杂 质 离 子 去 除 ( 水 质硬度 0 0 0 3 mm o l L) ，在此基础 上采用 “ 顺磁共振场”水处理方法 破坏水的结构 以获得 由剩余杂质 离子所构成的纳米 晶核 ，则在锅 炉水一汽一水 系统 中制备出一种 全新 的水 质一 工业 纳米 水 。 研究表明：当水 ( 水分子 )受 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 到一定 的外力作用下 ，组成水分 子元素 ( 氢 、氧 )及周 围的杂质离 子 ( 阴离子 、阳离子 )因空间架构 的变形而引起如下变化 ： ( 1 ) 水分子团簇结构为 【 ( H ， 0) n( n：4 8) 】 ，部分水分子因断键 而游 离 的 氢 、氧 元 素 不 以氢 离 子 ( H + ) 、 氢氧根离子 ( O H一 ) 的形态出 现 ，而呈现氢的聚合 ( 2 H) 及单线 态氧 ( 0 ) 。减少了 ( H ) 、( O H一 ) 对 金 属 的腐 蚀 ，增 加 了一 些 氧 化 物的反应。如 ：臭氧 0 ( 中国广 州 分 析 测 试 中心 ，报 告 编 号 ： 2 0 0 0 1 0 0 8 0) c ( 2)因氢一 氧键 角 、键长 的变 形而使水分子团簇 【 ( H ， 0) n( n= 48 ) 】 的空间架构缩小致密，水结 构的介电容特性降低 5 0 ，降低了 水的表面张力 、粘度 ，( 见表 1 )而 提高了水一汽过程的蒸发速率 。 ( 3 ) 9 7 的晶核不再是 自由离 子，不能再参与有关反应 ( 如受热 后离子的电位相吸 ) ，只能从液体 中析出 ，长晶成具有单分散性的 双晶型水渣 而减少 了锅水溶解 固 形物 T D S的含量 。 3 锅炉水一汽一水 系统 的节 能技术 3 1除盐水节能技术 根据流体动力理论 ，当水 的 表 面 张 力 、粘度 在 一定 温 度 下 发 生变化 时 ，其流速 、压 强 、沸点 的 绝对值亦发生相应的变化。 根据 图 1 所 示 ：以 1 1 和 2 _ _ 2 截面列柏努力方程 ( 以单位重量 流体为基准 )得 ： P1 ( P g ) + u l 2 ( g ) +H = 1 3 ， (P 表面张力 ( m m ) 蒸发量 )( m 1 3 0 m i n ) 空 白 ) 2 1 5 O 5 2 6O 处 理 2 0 0 O 0 2 9 l 比较 ) 一 7 0 + 1 3 4 注 ：( a)使 用燃煤 电厂 经处理 去除 矿物 杂质 ，符 合 国家标 准 ( GB1 5 7 6 2 0 0 7)的燃 煤 电厂锅 炉 用水 ，由顺 德 某 电厂提 供 ；(b)使 用 简 易 方法 测 量 ， 用 同一 根玻 璃 毛 细 管 的 两端 分 ,5 1】 充 分接 触 空 白和 处理 的 水 表 面 ， 测 量 其吸 收 的 水柱 长度 ；(C)使 用水 浴锅 ，常压，1 0 0 ；( d) 使 用与处理 器具有相同容积的普通钢制容器循环 3 0分钟 ； ( e)使 用水 处理 节能 器循 环 处理 3 0分钟 ；( f ) 比较 ( )=处 理 空白 1 0 0； 处理 和 空 白之 间具 有极 显 著 差异 ( P 0 01)(中山 大 学 实验 室数据 ) 。 g ) +Hf g P = ( P 一 P ) ( P 一 u 2 2 ( g ) +H g 分析：H为液体沿程阻力损 失计算公式如下 ： H = l u 2 ( d ) ， =C Re ， R e = ( d u P1 J ) ， 式中1 J 为流体粘度 ， 显然 与 u成反 比，由于 电子水 处理设备的应用 ，使得 u降低 ( 电 导率上升 ) ，使得 H ， 降低 ，式 中 H。其它参数不变 ( 说明P ， 为该温度 下蒸汽饱和蒸气压 ) ，H ， 降低 ， H 下降 ，而 H 。 为泵所需的实际扬程， 最终表现为给水泵 出口压力降低。 水 的电导率上升是 电子水处 理设备使用的结果。 由于 u降低 ，表面张力下降， 从而使得蒸发量上升。 本技术 的原理性试验 结果表 明：除盐水在常压 1 0 0 条件下蒸 发量可增加 1 3 4 ；应用性试验结 果证明：除盐水在给水 1 4 5 MP a 、 给 水温度 2 1 0 C、蒸汽温度 5 4 0 C 的水 一 汽一水系统循环处理条件下其 给水压力 ( 压强 ) 下降 1 0 MP a ，生 产每度电至少节约标煤 1 01 2 g 。 3 2软化水 阻垢节能技 术 一 种 描 述盐 类 离 子 以 非 化 学 方法 ( 非共 同离子效应 )来凝 聚与 结晶，不需外加任何物质 ( 化学药 剂 )而人 为 地调 整 盐 类 到 某 种 新 的指定溶度积 ( Ks p值 )形态 ，在 锅水蒸发浓缩后只形成水渣形式 出现的新技术 。如硬度盐离子钙 ( C a 。 )与阴离子 ( C O 、S O 一 ) 在 “ 共振场”的协同效应作用下配 位成新 的离子对配合物 ，称之碳 酸合 钙 ( c a C 0 。 ) 、硫 酸合钙 ( C a S0 。 )晶核 。由于碳酸合钙 ( C a C O 。 ) 晶核的 K s p 值不同于单个 0 0 。 。 。石油和化工设聋J 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m r l _ | I i_ l -， 排 I 黧 一 量 黧 羹 霎 _ 一囊 翳黼 嬲 钙离子 ( C a )的 K s p值 ，表现为 碳酸合钙 ( C a C O 。 )晶核在相对低 的温度下就从 水中析 出并吸附其 它 游离 的可 溶性离子 一起长 晶 ， 结 晶 成 双 晶 型 颗 粒 状 碳 酸 合 钙 ( C a C O 。 ) 水渣而沉淀。 即 ：结 渣过程 ，晶核 K s p 值 温度析出长晶 吸附结晶水渣 结垢过程，盐类离子 K s p 值 温度 析 出 被吸附 结 晶 水垢 晶核在长 晶过程 的吸附 ，致 使锅水的含盐量 、氯根 、总碱度、 溶解固形物 ( T D S ) 等含量下降，由 于锅 内水质更纯净 了 ，所 以锅炉 因减排 ( 连 排 、定排 )而 节能 。 相 同条 件 下 金 属 受 热 面上 碳 酸合钙 ( C a C O 。 )水渣所积的垢层 的垢 下 升 温 值 明显 低 于 碳 酸钙 ( C a C 0 )水垢所积的垢层的垢下 升温值。 4节能减排案例 42 I 石 油 和 化 工 设 苗 00。 4 1 除盐水节能案例 2 0 0 6 年 9 月，山西省侯马市侯 马电厂 晋 田公 司 1 #锅 炉安 装 了该 水处理节能器 ，该锅炉是采用循 环 硫 化 床燃 烧 技 术 的高 压 参 数 ( 9 8 Mp a 、 5 4 0 C) 设计， 与5 0 MW等 级汽轮发 电机组相匹配 的 2 2 0 t h循 环流化床 ( C F B) 锅炉，锅炉给水 为 具 有 膜 过滤 处 理 工 艺 的 达标 除 盐水 。节能器设备位于汽机侧 的 给水系统上 ，在高压加热器前 除 氧器后 ，运行 中介质工作参数：压 力 0 5 5 0 5 6 MP a ，温度为 1 6 0 左 右。设备在试用期间运行平稳 、无 杂 音 、无 振 动 、进 出水 压 差稳 定 ( 过流管损 0 0 1 0 0 1 4 MP a o安装 水 处 理 节 能 器后 ，整 个 发 电机组 节 能 效 果 明显 ，每度 电节 约 标煤 1 0 1 2 g 。同时，锅水的p H值容易 稳定 ，加药量减少5 0 7 0 ，锅水 的电导率和 N a 离子含量分别降低 2 7 和 2 5 ，导致锅水连排量减少 8 09 0 。 检测单位结论 ：山西电力科学 研究 院 ( 检测报告编 号 ：2 0 0 6 3 0 4) 明采 用 纳 米 水装 置后 对 管 内壁有 除垢 ( 铁垢 )的功能 。 4 2软化水 阻垢节能案例 广东省湛江金岭糖业有 限公 司二台 2 5 t h锅炉对 比运行锅水性能 记录曲线，软水硬度 0 0 3 m m o l L ， 相同排污率 ，红线为常规投药辅 助处 理 ，蓝线应用本产品进行辅 助处理 ( 见图 2 o经过连续一个榨 季 ( 2 0 0 1 年 1 2 月至 2 0 0 2 年 4 月 ) 的 运行 ，结 果 表 明其 节 省燃 料 的 效 果明显 ，锅水水质清澈，符合国家 水 质标 准 ，锅 水 总 碱 度及 氯 离 子 浓度降低 ，可除垢 、节能。 专家意见 ( 成果验收 ：湛科验 字2 0 0 2 1 7 ) ( 1 ) 锅筒 内没 有水垢 积聚 ，有 明显 的阻垢 节 能效果 。 ( 2) 相同的排污条件下锅水指 标中 p H值稳定 ，其它指标降幅明 显 ，利 于锅炉 安全 运行 。 4 3软化 水减排 节能案例 2 0 0 5 年 l 0 月安装在马来西亚 吉隆坡肉联厂 1 4吨锅炉上运行使 用 ，根据用户对二台相同 ( 一台安 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 装 ，另一 台未安装 )锅炉运行 二个 月 过 程 中的锅 水 ( _T业 软 化 水 0 0 3 mm o l L 硬度