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工业锅炉水处理 1 一 基础知识 1 锅炉 是利用燃料的化学能或其它能源的热能 把锅内工质加热到一定参数的热能转换设备 2 锅炉水处理的重要性如果不能很好地控制锅炉水质 就会给锅炉安全经济运行带来严重的影响 主要表现在 1 结垢 2 腐蚀 3 影响蒸汽品质 2 一 基础知识 3 常用的化学名词 1 溶液 是一种或一种以上物质分散到另一种物质里所形成的均一稳定的混合物 2 浓度 一定量的溶液里所含溶质的量叫做溶液的浓度 a 百分比浓度 100克溶液中所含溶质的克数b 重容百分比浓度 1升溶液中所含溶质的克数或毫克数mg l g lc 物质的量的浓度 摩尔浓度 1升溶液中所含溶质的物质的量 摩尔数 mol l mmol l注意 水质标准中 物质的量的浓度的基本结构单元 含一个单位电荷的粒子作为基本结构单元 3 一 基础知识 3 pH值在22 时 Kw 1 0000 10 14 pH 7中性pH 7碱性pH 7酸性 4 一 基础知识 4 溶度积KSP在一定温度下 当难溶电解质在溶液中达成溶解平衡时 其电离后所生成的离子浓度的乘积是个常数 如 18 时为1 2 10 11 25 时为8 7 10 8 当溶液中这两种离子的浓度的乘积等于该物质的KSP时 就开始出现沉淀 因此 物质的KSP越小 沉淀就越易产生 5 一 基础知识 5 溶解度在一定温度下 100克水中 所能溶解溶质的克数 P191表5 10 1MPa压力下 氧气在水中的溶解度 6 二 锅炉用水及其水中含有的杂质 1 水源 2 天然水中含有的杂质天然水中的杂质 有的呈液态或气态 它们大多以分子态 离子态或胶体颗粒存在于水中 如按其颗粒大小不同可以分为悬浮物 胶体和溶解物质三大类 如表2 1所示 7 二 锅炉用水及其水中含有的杂质 1 悬浮物悬浮物是指颗粒直径约在10 4mm以上的微粒 包括泥沙 草本植物和动物有机体的微小碎片 纤维及死亡后的腐败产物等 2 胶体胶体是指颗粒直径约在10 6 10 4mm之间的微粒 主要是铁 铝 硅的化合物及动植物有机体的分解产物 蛋白质 脂肪 腐殖质等 由于胶体颗粒比表面积大 有明显的表面活性和吸附性 因而表面常常带有正 负电荷离子 天然水体中的黏土颗粒 一般带负电荷 而一些金属离子的氢氧化物则带正电荷 结果使同类胶体因带有同性电荷而相互排斥 在水中不能相互结合形成更大的颗粒 而稳定在微小的胶体颗粒状态下 使这些颗粒不能依靠重力自行沉降 3 溶解物溶解物质是指颗粒直径约在10 6mm的微粒 它们往往以离子 分子或气体状态存在于水中 成为均匀的分散体系 称为真溶液 天然水中溶有的主要离子见表2 2 从表中可以看出 天然水中主要溶有8种离子 它们几乎占水中溶解固体总量的95 以上 8 二 锅炉用水及其水中含有的杂质 表2 2天然水中溶有的主要离子 另外 水中还有一定的生物生成物 生物生成物 NH4 NO2 NO3 磷化合物 HPO42 H2PO4 PO43 铁和硅的化合物 微量元素主要有Br I Cu2 Co2 Ni2 F Fe2 Ra2 等 它们的含量一般都小于10mg L 天然水中常见的溶解气体有氧 二氧化碳和氮 有时还含有硫化氢 二氧化硫和氨等 天然水中O2的主要来源是大气中氧的溶解 天然水中CO2的主要来源是水中有机物的分解和氧化 9 二 锅炉用水及其水中含有的杂质 3 天然水的分类按天然水中硬度的大小 可以将天然水分为五类 如表2 3所示 表2 3天然水中硬度分类 按天然水中含盐量的高低 可以将天然水分成四类 如表2 4所示 表2 4天然水中按含盐量分类 10 二 锅炉用水及其水中含有的杂质 4 锅炉用水名称由于水在火力发电厂水 汽循环系统中所经历的过程不同 其水质常有较大的差别 因此 根据生产实际上的需要 我们常给予这些水以不同的名称 现简述如下 1 生水生水是未经任何处理的天然水 如江 河 湖泊 地下水等等 在火力发电厂中生水是制取补给水的原料 或用来冷却转动机械的轴承 以及供消防用等 2 补给水生水经过各种方法处理后 用来补充火力发电厂水 汽循环系统中损失的水 补给水按其净化处理方法的不同 又可分为软化水 蒸馏水和除盐水等 3 凝结水在汽轮机中做功后的蒸汽经冷凝器冷凝成的水 称为冷凝水 4 疏水各种蒸汽管道和用汽设备中的蒸汽冷凝水 称为疏水 它经疏水器汇集到疏水箱或并入凝结水系统 11 二 锅炉用水及其水中含有的杂质 5 返回冷凝水热电厂向用户供热后 回收的蒸汽冷凝水 称为返回凝结水 简称返回水 其中又有热网加热器凝结水和生产返回凝结水之分 6 给水送往锅炉的水称为给水 凝汽式发电厂的给水 主要有汽轮机凝结水 补给水和各种疏水组成 热电厂的给水组成中 还包括返回凝结水 7 锅炉水在锅炉本体的蒸发系统中流动着的水 称为锅炉水 简称炉水 8 冷却水作为冷却介质的水称为冷却水 在火力发电厂中 它主要是指通过凝汽器用以冷却汽轮机排汽的水 5 水质指标 12 二 锅炉用水及其水中含有的杂质 1 悬浮物 mg l 指水样中能够用某种过滤材料分离出来的固形物 将一定量水中的截留物在105 110 下烘干称重而测得 也可采用从浊度仪上直接读出读数来近似表示悬浮物的量 2 含盐量 mg l 表示水中溶解盐类的总和 可由水质全分析测得阴 阳离子总和求得 3 溶解固形物 mg l RG水经过滤后 那些仍溶于水中的各种无机盐类 有机物等 在水浴上蒸干 并在105 110 下烘干至恒重所得到的蒸发残渣称为溶解固形物 可利用电导仪直接读出溶液的电导率来近似估算溶液的溶解固形物 4 电导率 s cm s cm DD 表示水中导电能力大小的指标 是电阻率的倒数 可用电导仪测定 13 二 锅炉用水及其水中含有的杂质 6 碱度 mmol l JD 表示水中能与强酸 H 发生中和作用的物质的量 OH HCO3 CO32 SO32 PO43 SiO32 5 硬度 mmol l YD 水中钙 镁离子的总含量 7 酸度 mmol l SD 是表示水中能与强碱 OH 发生中和作用的物质的量 14 二 锅炉用水及其水中含有的杂质 8 pH值 是表示水的酸碱性的指标 9 氯离子 Cl mg l 10 溶解氧 O2 mg l 11 相对碱度 表示锅水中游离NaOH含量与溶解固形物的比值 6 水质标准GB1576 2001 工业锅炉水质 第四次修订表2 5给水和锅水监测的指标及意义 15 三 水中存在的杂质对锅炉安全经济运行的影响 水中杂质的存在除能污染树脂 堵塞管道等以外 主要表现在 1 结垢 1 水垢的形成过程 固态物质从过饱和炉水中析出溶解于炉水的某些盐类都有其一定的溶解度 超过溶解极限 就以沉淀的形式在炉水中析出 a 水在锅炉中的不断蒸发 浓缩 炉水的含盐量不断地升高 b 水温升高时 某些物质的溶解度降低 CaSO4 Mg OH 2 Ca OH 2c 发生化学反应生成难以沉淀物 固态物质在锅内受热面上粘附 16 三 水中存在的杂质对锅炉安全经济运行的影响 2 水垢的种类 3 水垢的危害 降低热效率 浪费燃料 引起金属受热面过热 损坏锅炉受压元件 缩短使用寿命 破坏正常锅炉水循环 增加维修费用 为腐蚀创造条件 17 三 水中存在的杂质对锅炉安全经济运行的影响 2 引起受压元件的腐蚀腐蚀 金属 材料 表面和周围介质发生化学或电化学作用而遭受到破坏的现象叫腐蚀 一 电化学腐蚀 1 基本原理 由于金属与作为导电体的电解质互相作用 引起电流自金属的一部分流向另一部分而发生金属的破坏 称为电化学腐蚀 锅炉用钢在冶炼 轧制过程夹有衬渣或其它杂物 这些杂物的电极电位高于金属 就成为原电池中的阴极 而金属电极电位低而成为阳极 电子从阳极向阴极移动 极化 由于形成双电层而产生了钝态情况 称为极化 极化可以阻止金属的进一步腐蚀 去极化 一些物质能破坏双电层促使腐蚀不断加强 不断从阴极获得电子 称为去极化作用 18 三 水中存在的杂质对锅炉安全经济运行的影响 去极化剂 能从阴极不断获得电子 产生去极化作用 加剧腐蚀的物质称为去极化剂 如 H O2 保护膜 牢固而致密地覆盖在钢材的表面 把钢材与周围介质隔离开来 起到抑制腐蚀的作用 称之为保护膜 19 三 水中存在的杂质对锅炉安全经济运行的影响 2 影响电化学腐蚀的因素 溶解盐a 钢材的腐蚀速度随着锅水中含盐的浓度的增高而加快 b Cl SO42 会破坏金属表面的保护膜 特别是Cl 很容易取代金属表面保护膜的氧离子 因此必须对炉水中Cl 进行监督 金属材料a 镇静钢耐腐蚀性 沸腾钢 含杂质多 偏析 疏松 b 钢材在加工制造中 打击 弯曲 冷却 造成应力变化 内应力大的部位 阳极 电位低于内应力小的部位 阴极 造成腐蚀 如封头 管板的扳边圆弧处 胀管 焊管处出现腐蚀坑 椭圆形状 贝壳状 三角形状 20 三 水中存在的杂质对锅炉安全经济运行的影响 降低了Fe2 浓度 使Fe溶解得更快 pH值pH 4时 Fe3O4全部溶解 pH值 炉水 应控制在10 12 对防腐最为有利 溶解氧a 氧是一种去极化剂 有利于电化学腐蚀的进行b 氧腐蚀机理 阳极 pH 13时 Fe3O4全部溶解 阴极 且 21 三 水中存在的杂质对锅炉安全经济运行的影响 注意 a 不同比例的二价和三价铁的氢氧化物相混合 其颜色有绿色和灰色 若全为三价铁 则为红棕色Fe OH 3沉淀 b 氧腐蚀产物 一般分为三层 最内层为二价铁化合物 FeO nH2O 呈黑色 最外层为三价铁的水合氧化物 Fe2O3 nH2O 呈红棕色 中间一层一般为Fe3O4 nH2O 呈黑褐色 给水需要除氧 游离CO2腐蚀CO2来源 水中溶解及重碳酸盐分解和碳酸盐在高温高压下水解而来的 a 使 H 增多 产生氢的去极化腐蚀 阴极 22 三 水中存在的杂质对锅炉安全经济运行的影响 b 加剧氧腐蚀 Fe2 金属不断溶解 CO2循环腐蚀至O2消耗光 腐蚀特征 表面没有腐蚀产物 呈或大或小的溃疡状凹坑 控制给水pH值 7 温度和热负荷a t 电解质电阻 离子扩散速度 电化学腐蚀 b 热负荷高金属表面蒸汽泡对保护膜产生机械作用而遭破坏 同时热应力的变化也加剧腐蚀 23 三 水中存在的杂质对锅炉安全经济运行的影响 二 垢下腐蚀 也属电化学腐蚀 1 垢内的氧化物与金属壁之间的电化学腐蚀 原理 位置 一般发生在向火侧的水冷壁管内壁 防止结垢 控制给水硬度 2 碱性腐蚀垢下锅水浓缩 且难以和沉淀物外炉水混合 故锅水中NaOH含量高 沉积物下 pH可能 13 此时 24 三 水中存在的杂质对锅炉安全经济运行的影响 保护Fe3O4破坏 使电化学腐蚀加剧结果 金属表面出现 产生 凹凸不平的腐蚀坑 坑上有疏松的腐蚀物 从金属表面上去除沉积物 可以看到腐蚀坑上有白色沉积物 这些沉积物是碳酸盐 3 酸性腐蚀当锅水中有硬度时 MgCl2 CaCl2 此时沉积物下发生如下反应 结果pH 对钢材产生酸腐蚀 阳极 阴极 25 三 水中存在的杂质对锅炉安全经济运行的影响 若水垢致密 坚硬 则H2很难逸出 则与渗碳体发生反应 结果 造成碳钢脱碳 CH4 在金属内部晶粒晶格间产生压力 产生微小晶间裂纹 使金属变脆 产生爆管 即氢腐蚀 控制给水YD 防止结垢与炉水中出现Mg2 Ca2 4 蒸汽腐蚀 当受压元件壁温 400 过热蒸汽与金属壁产生直接的化学反应 均匀性腐蚀 一般在550 570 时存在 若不及时排除H2 则产生氢腐蚀 26 三 水中存在的杂质对锅炉安全经济运行的影响 5 应力腐蚀苛性脆化 控制相对碱度苛性脆化发生条件 在金属中存在很高的局部应力 受压元件采用铆接 胀接 焊接加工后 加工部位存在较多的残余应力 且存在细小缝隙 受压元件连接处不严密 或缺陷地方有缝隙 锅水中存在高浓度的游离NaOH 3 影响蒸汽品质给水中含油量的多少 锅水中的碱度 溶解固形物含量高都能引起汽水共腾现象 造成过热器 减温器 汽轮机结盐等 影响其正常运行 控制炉水碱度 27 四 锅炉用水水处理方法 目的 除去水中的部分杂质 确保锅炉安全经济运行 1 水的预处理 1 方法 通过混凝 沉淀和过滤处理 使水中悬浮物含量 5mg l 同时也可除去水中部分胶体物质 注意 原水悬浮物 20mg l 可不设置预处理装置 悬浮物在20 3000mg l 视情况选择预处理方法 3000mg l 考虑预处理前设置预沉淀池或换水源 2 机械过滤装置注意 滤料一般有石英砂 锰砂 除铁 活性碳 除余氯等 反洗强度使滤料层膨胀率达25 28 四 锅炉用水水处理方法 图1机械过滤装置 29 四 锅炉用水水处理方法 2 水处理方法选择 3 锅内加药处理 一 药剂的选择 阻垢能力 毒性 二 适用范围P223 三 优缺点 设备简单 投资小 操作方便 排污率高 热损失大 防垢效果不够稳定 四 加药方式 通过加药泵和给水按比例配比进入锅炉 五 加药注意事项P229 六 常用水处理药剂及用量 30 四 锅炉用水水处理方法 4 锅外水处理 一 钠离子交换法 工作原理软化原理 再生原理 31 四 锅炉用水水处理方法 软化结果 a 能够除去硬度 b 不能除去碱度 c 水中盐类物质含量略有增加 处理方法 通过离子交换器来完成 逆流再生交换器的操作 32 四 锅炉用水水处理方法 黄色管 盐液管红色管 硬水管绿或蓝 软水出口管 33 四 锅炉用水水处理方法 34 四 锅炉用水水处理方法 在支管四周钻孔 在支管上装滤网 滤网采用50 60目的尼龙网 35 四 锅炉用水水处理方法 出水量的计算 36 四 锅炉用水水处理方法 盐耗的计算 g mol 37 四 锅炉用水水处理方法 特点 a 再生剂利用率高 b 出水水质好 c 交换容量利用率高 d 废液排放比顺流少 e 进水浊度变化对它影响大 f 结构复杂 顺流再生交换器区别 a 少一个中排装置 b 再生液的进入方向与运行方向相同 步骤 反洗 再生 正洗 运行 10m h2 3m h10 15m h20m h 38 四 锅炉用水水处理方法 特点 a 结构简单 易操作 b 对进水悬浮物要求不高 c 再生效果低 出水水质差 全自动交换器注意事项 a 提高交换剂的再生度 i 规定的用盐量 ii 规定的盐液体积 iii 吸盐管长度 软管 2 5m 不能漏气b 自来水压力较高 0 2 0 6MPa c 根据水源水质 做好调整工作 二 H Na离子交换a 氢离子交换的原理 39 四 锅炉用水水处理方法 交换 再生 b 特点 i 不仅降低硬度 同时也降低碱度 ii 软化结果产生H 使pH 7 故不能直接进入锅炉 c 使用型式 40 四 锅炉用水水处理方法 d 再生剂稀HCl3 4 流速 5m h 图5H Na离子交换 41 四 锅炉用水水处理方法 三 除盐装置 42 四 锅炉用水水处理方法 阴床放在阳床后面的原因 阴床出水有OH 与Mg2 Ca2 结合成Mg OH 2 Ca OH 2覆盖在树脂表面 不利于交换 阳床出水有H 与HCO3 结合 有利于阴床与其它阴离子交换 强碱性阴树脂对水中阴离子的选择性 SO42 NO3 Cl OH F HCO3 HSiO3 5 给水除氧 比较燃煤炉与燃油炉氧腐蚀情况及原因 除氧剂 混床出水控制在 电导 0 2 s cmSiO2 20 g l 43 五 试运行 运行及停用时的化学监督 1 设计 制造时要考虑锅炉水质问题 考虑到锅炉的清扫与排污 2 设计锅炉房和安装锅炉时要考虑的水质处理 按锅炉额定蒸发量 每天运行时间通过计算来配备合适的水处理设施如 4t h锅炉一台每天运行12h则需水4 12 48t 损耗交换器出水量 t E 树脂的工作交换器容量 1000mol m3v 交换器内树脂所占体积 m3 750mm YD原 2mmol lQ 350 400t 按用量设计一定容量的软水池 内做防腐 水处理设备 药剂 树脂的监督 水规 2000年版 44 五 试运行 运行及停用时的化学监督 3 运行锅炉的水质监督 按GB1576 2001 工业锅炉水质 标准监督给水和炉水注意 a 一些单位不重视 一些小炉子只测给水 不测炉水 b 一些小型热水锅炉 小型汽水两用炉 小型蒸汽锅炉 不具备水处理设施 锅炉房水处理管理制度 操作规程 排污制度 交接班制度 药品消耗指标等 查看水处理运行记录 通过内部检查 观察锅炉结垢和腐蚀情况 根据水处理情况 提出整改意见 45 五 试运行 运行及停用时的化学监督 离子交换器运行情况的监督a 树脂的有效性 层高 中毒否b 布水装置的完好性c 阀门是否渗漏 检查方法 d 进水浊度是否合格e 剩余树脂的保管 防冻 防霉 f 新树脂的预处理 排污控制问题 化验试剂是否有效4 停