Chap.14 锅炉水与蒸汽的处理和净化.doc

第十四章 锅炉水处理与蒸汽净化141 锅炉水工况与水处理 锅炉的工作介质是水和蒸汽。如果锅炉的水汽品质超出锅炉水汽标准规定的质量标准，就会因结垢、腐蚀和蒸汽污染而危及锅炉的安全经济运行。锅炉水处理的任务是要通过锅炉的用水处理、防止腐蚀、锅内清洗、汽水监督和水质管理等综合防垢、防腐及防止蒸汽污染措施，确保锅炉的安全经济运行。14.1.1 锅炉用水概述一. 锅炉及其热力循环设备的水汽系统 水汽系统包括从原水进入锅炉流经的一系列设备管道及其蒸发受热面等的给水系统，以及蒸汽流经过热受热面及其用汽设备等的蒸汽系统两个部分。由于水在热力系统中经历不同的过程，各处水质差别较大，根据水汽系统中水质及功用，常将锅炉用水区分为：原水：未经任何净化处理的天然水，如江湖水、地下水等，或者是取自城市供水系统的自来水，是锅炉补水的原料；补水：原水经过各种方法净化处理后，用以补充锅炉损失的水，按不同的处理方法，又可分为软化水，除盐水和蒸馏水等。回水：蒸汽经用汽设备的作功或热交换，冷凝后返回锅炉的水，即凝结水。给水：送进锅炉的水，通常包括回水和补水两部分。炉水：在锅炉本体的蒸发系统中流动着的水。排污水：锅炉炉水的含盐量或碱度在不断蒸发和浓缩作用下，其水质指标超过标准的要求时排放掉的炉水。 二. 水中杂质锅炉初期运行的给水和正常运行时的补给水均来源于天然水。天然水在自然界的循环中，由于与周围环境接触且溶解能力较强，均含有各种各样的杂质。水中杂质按颗粒大小可分成三类：悬浮物、胶体和溶解物质。 悬浮物是颗粒直径在104mm以上的不溶性杂质微粒，包括泥砂，粘土、藻类、细菌及动植物有机体的微小碎片、纤维或腐烂产物和其它不溶性物质。根据微粒大小和密度的差异，有些漂浮或悬浮于水中，有些沉淀于水底。悬浮物使水变得浑浊，但是很容易用自然沉降和澄清过滤去除。 胶体物是颗粒直径在106104mm范围的微粒，主要是铁、铝、硅的化合物，如硅酸胶体等，以及动植物的有机体分解后的高分子化合物，如腐殖质胶体等，使水变成黄褐色。胶体微粒表面经常因吸附离子而带电，由于同性电荷胶粒的相互排斥作用，它们较均匀、稳定地存在于水中而不能相互结合，不易靠重力自然沉降，一般采用混凝超滤的方法除去。 溶解物质的颗粒尺寸最小，一般小于1m，通常以离子或分子状态存在于水中。天然水中的溶解物主要分为两类，一类是溶解在水中的矿物质盐类的离子，如钙，镁、钠、钾、铁、锰等盐类的正负离子；另一类为溶解于水的气体，有氧气、二氧化碳、硫化氢等气体。这类杂质很难用混凝、沉降或过滤等方法除去。一般需用离子交换、膜分离或蒸馏技术才能除去。 原水中的各种杂质如未经处理就进入锅炉的水汽系统，就会危及锅炉的安全经济运行，其危害有以下几个方面：（1）结垢 水中杂质在蒸发过程中会不断浓缩，并发生错综复杂的物理化学反应，达到一定浓度时就以沉淀物析出，形成坚硬的物质，沉淀在受热面上，或沉积在水中，通常称之为水垢。水垢的导热系数很小，约为钢的130150，使受热面的传热能力急剧下降，造成排烟热损失增加，锅炉热效率降低，燃料量增加。一般受热面观壁生成lmm厚的水垢，可使燃料量增加23左右。当水垢增加到一定厚度，由于受到炉膛结构的限制，燃料量将无法继续增加，则锅炉出力降低。受热面结垢后将使管壁温度急剧增加，超过正常工作所允许的温度，金属强度显著降低，引起锅筒或炉管过热变形、鼓疱、裂纹，严重时发生爆管等事故。锅炉结垢后的清洗除垢工作，还会使金属管壁受到不同程度的损伤，缩短了锅炉寿命。 （2）腐蚀 锅炉受热面在与水接触时，水中杂质会使金属表面受电化学的作用而产生腐蚀，使金属构件减薄，出现凹坑，继而金属强度降低，缩短锅炉使用年限。金属腐蚀产物易与其它杂质形成水垢贴在管壁内表面上，促使发生垢下腐蚀。 （3）蒸汽污染 给水品质不良会引起炉水品质恶化，在锅炉运行操作不当等情况下，锅筒内的水滴往往会被蒸汽大量带走；此外，水中某些杂质还溶于蒸汽，蒸汽中的水滴和蒸汽溶盐使蒸汽受到污染。蒸汽污染会在过热器、管道阀门和汽轮机叶片等处形成盐垢沉积，造成过热器爆管、管道堵塞以及汽轮机出力和效率降低等运行不可靠性或事故。 因此，必须进行锅炉的给水处理并规定水质指标。P501-502表14,1-3给水,炉水14.1.2 锅内结垢与腐蚀一. 锅内结垢 1. 锅内结垢过程 含杂质的水进入锅炉后，在一定的热力条件温度和压力下，水中的杂质在蒸发过程中不断浓缩，经过各种物理化学过程，必然会以不同形态的结晶形式析出，沉积在受热面上或沉淀在水中。 水中沉淀物析出时具有不同的结晶核心，形成不同的水垢。如果以水中胶体质点、气泡及各种悬浮为结晶核心而形成的悬浮状晶体颗粒称为水渣（或称泥垢、泥渣），如果以壁面粗糙点为结晶核心而直接而附着在金属表面的沉积物称为水垢。通常把沉积在省煤器、蒸发受热面或锅筒内的沉积物称为水垢及水渣，沉积在过热器受热面上的称为盐垢。水垢的结晶体坚硬而致密，难以清除，需采用锅内化学清洗方法。水渣的结晶体呈疏松絮状或细小的晶粒状悬浮于炉水中，可通过锅炉排污清除。 2. 水垢形成的原因 当水中某种盐分在炉水中的浓度超过其相应的溶解度，即会从炉水中析出并形成沉淀物，生成水垢。引发这些物理化学变化过程的原因： （1）蒸发浓缩 炉水的蒸发沸腾过程使锅水不断浓缩，水蒸汽本身携带的盐分极少，因此给水中含有的和锅内腐蚀增加的杂质以超过给水几十倍的浓度留在炉水中，当浓度大于其相应的溶解度后便析出沉淀物。 （2）高温沉淀和分解 水垢的形成与杂质在水中的溶解度有关，溶解度愈小，盐分愈容易饱和析出。许多溶于水的物质都具有正的溶解度系数，既溶解度随温度升高而增加，为易溶物质，如NaCl、Na(OH)2等。而少数难溶物质的溶解度却随温度的升高而减小，具有负的溶解度系数，如钙镁盐及氢氧化物CaSO4、CaCO3、Mg(OH)2等，以及金属与水形成的氧化物，它们极易在高温时析出，如图42所示。 此外，Ca(HCO3)2及Mg(HCO3)2在炉水蒸发过程中发生热分解反应，生成难溶的CaCO3及有一定溶解度的MgCO3，而MgCO3进一步水解后，生成溶解度更小的Mg(OH)2沉淀。（3）结晶核心 炉水中的难溶物质时常都处于过饱和溶液状态，炉水中有固态结晶核心存在，如微小悬浮物或金属表面粗糙不平，就会成为沉淀物的析出的诱因，使盐分向结晶核心聚积，生成沉淀物。 3. 水垢的成分 水垢的成分很复杂，通常是多种化合物的混合体，按其化学成分可分为钙镁水垢、硅酸盐水垢，铁垢和铜垢。（1）钙镁水垢 其主要成分为钙镁盐，含量占90左右，有CaC03、CaSO4、CaSO42HO2、CaSiO3、5CaO5SiO22H2O、Mg3(PO4)2、Mg(OH)2等类型。其中， CaCO3在锅炉温度较低的部位，如非沸腾式省煤器、热交换器、给水管路等形成坚硬水垢，在炉水强烈沸腾时以水渣形态析出。钙镁硫酸盐水垢坚硬质密，常沉积在锅炉热负荷较大的受热面上，如水冷壁管和锅炉管束。钙镁硅酸盐水垢非常坚硬，导热性差，难以清除，通常在蒸发受热面沉积。 （2）硅酸盐水垢 其化学成分含有4050的二氧化硅，2530的铁和铝的氧化物及510氧化钠，钙镁盐含量极少，如锥辉石Na2OFe2034Si02、钠沸石Na2OA12033Si022H20等。硅酸盐水垢有的呈多孔状，有的质地坚硬致密，通常在高压锅炉的水冷壁管生成。 （3）铁垢和铜垢 铁垢可分为氧化铁垢与磷酸盐铁垢。氧化铁垢主要成分为铁的氧化物Fe203和Fe304，含量约(7090)，其成因与炉水含铁量及受热面热负荷有关。磷酸盐铁垢主要成分为磷酸亚铁钠NaFePO4和磷酸亚铁Fe3(PO4)2,通常发生在采用磷酸盐处理的炉水中磷酸根Po43-及铁含量高，而碱度较低时，容易在有分段蒸发的盐段水冷壁管中生成。铜垢是铜部件的腐蚀产物进入炉水且含量过高时形成的， 铁垢和铜垢大多生成在锅炉高热负荷区的水冷壁管壁上。 钙、镁水垢主要发生在水处理简单，给水品质较差的工业锅炉中，是水处理的主要对象。硅酸盐水垢及铁垢和铜垢发生在水处理设备良好，给水硬度极小的大型电站锅炉中，除盐是水处理工作的重要任务。防止水垢预防措施主要是加强锅炉给水及补水的水处理以及炉水水质的调控工作，保证水质达到标准规定的要求，防止锅炉金属腐蚀和炉水中的磷酸根含量过高以及凝汽器泄漏等。 4.水垢的清除 锅炉受热面一旦形成坚硬致密塞的水垢，非常难清除。目前可采用酸洗和碱洗两种化学方法清除除垢。盐酸对金属也起到一定的腐蚀作用，因此常在酸洗液中加入少许的缓蚀剂来降低腐蚀速度。缓蚀剂的种类很多，如02缓蚀剂、若丁等。酸洗时盐酸的浓度和视水垢厚度而定，其随水垢的厚度增加而提高，相应缓蚀剂用量也增加，参考用量见表44。为了控制酸洗时的金属的腐蚀速度，酸洗液的温度不易太高，一般控制在4060。酸洗缓蚀剂虽然起到一定的减缓腐蚀作用，但酸洗法总是对金属管壁有损害，通常不能以此作为清除锅炉受热面结垢的方法。表144 酸洗液和缓蚀剂浓度的配制水垢厚度0.50.5111.51.52.52.5以上盐酸浓度，34566802缓蚀剂用量比例，0.20.30.40.50.6 碱洗除垢法对钢材的腐蚀作用小，操作简便，但除垢效果不如酸洗法显著。洗液是由NaOH、Na2CO3或Na3PO412H2O配制而成。前者任何水垢都适用，而后者适用于硅酸盐水垢，碱洗液浓度也是视水垢厚度而定，一般情况下每立方米水中，NaOH用24kg，Na2CO3用1020kg，Na3PO412H2O用35kg。碱洗时在常压下加热锅炉，时间不少于24小时。洗后应立即冲洗水渣防止重新硬化。二. 锅内腐蚀锅炉水汽系统发生金属腐蚀的影响因素材料(种类、材质、耐蚀性及表面状况)工作条件(金属表面温度、热负荷强弱及水循环状况)腐蚀介质(盐分和溶解气体的种类、浓度及给水PH值) （一）金属腐蚀的原理金属腐蚀:金属材料表面与周围介质(如水、水蒸气、空气等) 接触时发生化学作用而遭到损耗或破坏的现象。根据金属腐蚀过程的原理分类，如果是直接的化学作用而无电流产生的腐蚀过程属于化学腐蚀，若是金属与周围介质起化学作用的同时还伴有电流产生，则属于电化学腐蚀。根据金属结构的腐蚀特征，还可分为全面性腐蚀和局部性腐蚀两大类，如图144所示，图中 (a)和(b)为全面性腐蚀，其它为局部性腐蚀。按图144中从(a)到(h)顺序排列，腐蚀的金属重量损失减少，而金属强度损失却增加。因此，部位集中的局部性腐蚀，尤其是发生在晶粒上的腐蚀，对金属的危害性要远大于全面性腐蚀。在锅炉内部这些腐蚀类型均能发生。 金属的腐蚀速度与炉水pH值有很大的关系。试验表明，腐蚀速度最小 的pH值为1012，过低或过高都导致腐蚀速度加快。（二）锅内腐蚀的主要类型 锅炉内部的腐蚀主要有以下一些类型。 1. 锅炉内部的化学腐蚀 锅内的化学腐蚀型式为汽水腐蚀。汽水腐蚀是金属铁与水蒸汽发生氧化反应而形成的，主要发生在过热器内，以及循环停滞或蒸发管中出现汽水分层时。一般对金属的破坏性较小，属均匀腐蚀形态。当过热蒸汽温度在450570之间时，其化学反应式为： 3Fe+4H2O Fe3O4 + 4H2 (44)还可能发生金属中渗碳体的脱碳反应： Fe3C + H2O 3Fe + H2+ CO (45) 2. 锅炉内部的电化学腐蚀 锅内的电化学腐蚀:气体腐蚀、碱性腐蚀和垢下腐蚀。 （1）气体腐蚀气体腐蚀主要是金属铁与水中氧气O2和二氧化碳CO2气体发生反应而形成的。氧腐蚀主要发生省煤器入口段和给水管道中，因为溶氧首先与这些金属表面接触，是锅炉中最常见的腐蚀型式。如果过热器管在锅炉停运时有积水也会受到氧腐蚀。 腐蚀产物Fe(OH)3和Fe3O4比较疏松，没有保护性。因此金属表面某些点一旦发生腐蚀，腐蚀产物和铁又会形成微电池，电位较低的铁成为阳极而继续腐蚀下去。因此，氧腐蚀为溃疡腐蚀或斑点腐蚀形态，腐蚀产物的表面为疏松、黄褐色或砖红色的小鼓包，如清除这些腐蚀产物便呈现腐蚀坑。CO2腐蚀属于酸性腐蚀，当它溶于纯水中时，pH值会显著降低。水中溶解的C02能与水反应生成碳酸氢根，则溶液中游离的H+浓度增加， 当水中有O2时，只要存在少量CO2，即可提高腐蚀速度。溶液中同时有O2和C02存在时，两者间起着促进腐蚀过程的作用，从而加剧了对金属的腐蚀。CO2 腐蚀属于均匀腐蚀类型，形成的氧化铁层非常疏松且易溶，无法形成保护膜，致使腐蚀过程持续地进行下去。 （2）碱性腐蚀发生碱性腐蚀时，由铁和管壁上非铁成分及其炉水组成一系列微电池。 当炉水碱度不大，NaOH浓度约为13mg/kg时，即使处于高温状态，Fe(OH)2也可变为致密的Fe3O4保护膜，增强了抗腐性能。很低温度条件下，即使NaOH浓度非常高也不会发生碱性腐蚀。温度越高，NaOH浓度越大，碱性腐蚀愈严重。碱性腐蚀通常发生在炉水蒸浓的区域，如焊缝、水循环停滞、汽水分层、水循环停滞及水垢缝隙等处，其腐蚀特征为溃疡腐蚀或斑点腐蚀，形成凹凸不平的腐蚀坑。 （3）垢下腐蚀 酸性(氢脆),碱性垢下腐蚀发生在锅炉金属表面沉积的水垢下面，主要由于该处为炉水蒸浓区域，pH值过低或过高所致，通常分为酸性垢下腐蚀和碱性垢下腐蚀两类。酸性垢下腐蚀通常发生在比较致密水垢下的浓缩炉水中含有较多的MgCl2和CaCl2时。MgCl2和CaCl2与水形成氢氧化物和强酸HCl，从而引起水垢下聚积的H发生去极化腐蚀，吸收壁面上的电子生成H2。由于H2在垢下积累后不能很快扩散出去，因而部分H2可能渗入钢铁内部引起脱碳反应，导致金属的金相组织破坏，产生细小的裂纹，使金属变脆。严重时，管壁没有变薄就会爆管。因此酸性垢下腐蚀也称为脆性腐蚀或氢脆。 碱性垢下腐蚀发生在多孔水垢下的蒸浓炉水中含有很多的游离NaOH时。NaOH可溶解金属表面的Fe3O4保护膜或直接与Fe反应，生成亚铁酸钠Na2FeO2以及H2，而Na2FeO2高碱性溶液仍可溶解。因此高pH值(pH13)下，金属腐蚀速度很快。碱性垢下腐蚀特征是在垢下产生一些凹凸不平的腐蚀坑，上面覆盖着腐蚀产物，属于斑形腐蚀形态。3. 机械应力与腐蚀性介质交互作用产生的腐蚀锅炉内部还会发生机械应力与腐蚀性介质电化学作用交互产生的腐蚀，机械应力会降低金属的热稳定性，并能损坏金属保护膜的完整性，如磨损腐蚀、腐蚀疲劳及苛性脆化。（1）磨损腐蚀 冲蚀,空穴腐蚀 磨损腐蚀在流体运动中产生的对金属壁面的冲击磨损作用下，并伴有电化学腐蚀时发生的，腐蚀处呈深洼状。发生在管道上的弯头、调节阀及节流阀等处的磨损腐蚀，通常称为冲蚀。冲击磨损破坏了金属表面的氧化膜，与电化学腐蚀的交互作用加剧了腐蚀过程。另外一种情况，是在高速流体因流动不规则时，产生含有微量水汽或低压空气的空穴，空穴随流动条件和压力的变化周期性地产生和消失，当它消失时，其附近的金属表面受到水击作用，因此又称为空穴腐蚀。 （2）腐蚀疲劳 穿晶裂缝 腐蚀疲劳是在交变应力和电化学腐蚀共同作用下发生的。交变应力使金属的疲劳极限大为降低，形成穿晶裂缝。通常发生在锅筒的给水、排污和加药等管的连接处，集汽集箱的排水孔，以及蒸发受热面中出现汽水分层或脉动性流动流动时。 （3）苛性脆化 晶间腐蚀苛性脆化是在高附加应力和浓碱的共同作用下所产生的一种电化学腐蚀。金属的晶粒和晶界在高应力下产生电位差，形成微电池。晶粒电位比晶界的要低，为阴极，则腐蚀沿着晶界发展，属于晶间腐蚀。苛性脆化的阴极产生原子氢，除了部分直接转变成H2向外释放，其余部分可能会溶入金属内部小空穴处转变成H2。由于金属中的H2和可能产生的其它气体不易扩散，可积累起很高的附加应力，导致金属结构疏松，裂缝加速扩展。发生苛性脆化必须同时具备三个条件：炉水中含有较高的游离NaOH浓度；金属中有接近于其屈服点的拉伸应力；锅炉结构上有造成炉水局部高度浓缩的区域。 防止锅内腐蚀主要是通过水处理进行，保证水质达到标准规定的要求。 14.1.3 锅炉水处理方法及其系统锅炉水处理是指给水的净化、软化、除盐和除气及炉水的防垢等过程。按原水的质量和各种锅炉不同的水质标准，可采用相应的水处理方法和水处理系统。 一水的净化处理 混凝、沉淀、过滤 水的净化处理包括混凝、沉淀、过滤等工序，其目的去除原水中的悬浮杂质和胶体杂质。混凝处理就是在水中投放混凝剂后，经过混合，凝聚、絮凝等作用，最后使微小颗粒聚合成较大的絮状物的综合过程。当向水中投加混凝剂后，使溶液中离子浓度增高，胶粒的扩散层被压缩而迅速凝聚。胶粒表面对异性电荷的胶体有强烈的吸附作用，发生吸附电的中和作用，促使它们粘合并析出。胶体高分子物质与胶粒的吸附过程中，由于吸附架桥作用凝聚成大颗粒的絮体。网状凝絮物在下沉的过程中可以捕捉水中的悬浮物和胶体。常用的混凝剂有铝盐和铁盐两类，铝盐有硫酸铝A12(SO4)318H2O、硫酸钾铝（明矾）A12(SO4)3K2S0424H2O、铝酸钠NaAI2、聚合铝等，铁盐有：硫酸亚铁（绿矾）FeS047H20、三氯化铁FeCI36H2O和硫酸铁Fe2(SO4)3等。铝盐作混凝剂时，最优的pH值一般在6.07.5之间，如用硫酸铝的最优加药量为1050mg/L。沉淀处理是依靠重力作用，将水中悬浮颗粒物分离出来的过程，包括悬浮物的自然沉降，投放混凝剂的混凝处理，以及投放沉淀剂使钙、镁离子转变为难溶沉淀物析出的沉淀软化处理，镁剂除硅沉淀处理等，通常和混凝处理同时进行。过滤处理一般是指具有空隙的粒状粒料层，截留水中不溶物质而使水获得澄清的过程。净化处理后的水贮存于清水箱，准备作下一步处理。 直流锅炉电站中，汽轮机来的凝结水受到Cu、Fe等颗粒状微小悬浮腐蚀物的污染，要经过净化才能作为锅炉给水。由于普通滤料很难截留这些微小颗粒物，通常采用覆盖过滤器和磁力除铁过滤器将其除去。自然循环锅炉可以不作净化处理，除非返回的凝结水质很差时才处理。 二. 水的软化处理 水的软化处理是指将给水中的硬度成分降低或去除的过程。常用的软化方法有沉淀软化法和离子交换法，其中沉淀软化法包括热力软化和药剂软化两种。 （一）热力软化法热力软化法是将水加热至100或100以上，使水中钙、镁的碳酸氢盐受热分解，生成难溶物质CaCO3和Mg(OH)2而沉淀， 因反应产物CaCO3和Mg(OH) 2都有一定的溶解度，热力软化法只是将暂时硬度(碳酸盐)基本去除而不能除尽，而对永久硬度（非碳酸盐）则完全不能去除，其水质一般不能满足锅炉给水的要求，故常用以小型锅炉的锅内热力软化或处理热网补水。 （二）药剂软化法 药剂软化法就是往水中投放化学药品，促使钙，镁离子转变成难溶的化合物析出，广泛使用的药剂是石灰和纯碱Na2CO3。 1. 石灰沉淀软化法生石灰CaO加水后生成熟石灰Ca(OH)2，将其投放进原水中，与水中的钙、镁的碳酸氢盐化合成CaCO3和Mg(OH) 2析出：可以除去暂时硬度，但不能除去水中的永久硬度，仅将镁的非碳酸盐硬度转变为钙的非碳酸盐硬度，也不能除去碱性水的过剩碱度。 采用此法使水中碳酸盐硬度和含盐量降低，非碳酸盐硬度和碱度不变，适用于暂时硬度高的水。即使软化处理主要是暂时硬度的水，处理后水的残余硬度仍约为0.5mmol/L左右，一般仅用于水火管锅炉用水，或其它锅炉的给水预处理，不宜单独使用。 为了进一步降低水中非碳酸盐硬度和过剩碱度，时常将石灰处理与纯碱NaCO3、钙盐和磷酸盐等药剂处理同时使用。 2. 石灰纯碱沉淀软化法在水中同时投放石灰和纯碱，利用后者消除非碳酸盐硬度 。 这种方法比单独用石灰法的软化程度高，但水的残余硬度仍较大。若与热力法结合使用，能有效降低硬度。提高水温可降低硫酸钙的溶解度，如常温下残留硬度约为0.3 mmol/L，水温提高到7080时，残余硬度可降至0.150.2mmol/L。但用热力法作为离子交换的预处理时，处理后的水温需冷却至40左右。此法应用范围主要是暂时硬度的水，与石灰法相同，且适用于全硬度大于全碱度的水。 3. 热法石灰一纯碱一磷酸盐沉淀软化法为了进一步降低水的硬度，将上述方法处理后的水进行初步沉淀处理，再加热到80100，投放磷酸三钠Na3PO4等等磷酸盐补充软化处理，使水中残留的Ca2+和Mg2+与溶解的PO43-化合成Ca3(PO4)2和Mg3(PO4)2沉淀。由于磷酸钙和磷酸镁沉淀物的溶解度很小，可使残余硬度降至0.0180.035 mmol/L。 4. 石灰一钙盐沉淀软化法当原水的全硬度小于全碱度达2 mmol/L以下时，则表明水中的过剩碱度含量较高。此时，在水中同时投放石灰和钙盐（CaCl2或CaSO4），利用钙盐消除水中过剩碱度 （三）离子交换软化法1. 离子交换原理和离子交换剂 树脂离子交换剂离子交换法是去除水中可溶性杂质离子的方法，当前广泛用于水的软化、除碱和除盐等过程。这种方法是利用具有交换离子能力的交换剂，其本身的某种离子和水中同电性离子进行等质量的相互交换，以达到消除杂质离子的目的。根据原水的特点采用不同的离子交换水处理方式，可以制取满足各种锅炉对给水水质的要求。最早使用的离子交换剂为无机质，如天然的和人造的沸石等，因其交换能力很小，已不使用。常用的离子交换剂为有机质，如磺化煤、树脂离子交换剂等。磺化煤是用粉碎的烟煤经过发烟硫酸处理后制成，其颗粒核心结构疏松，也有一定的交换能力，但因机械强度低，化学稳定性和耐热性差，以及再生剂用量大，现已很少使用。目前广泛使用的是树脂离子交换剂。树脂离子交换剂是一种高分子电解质，由网眼状结构的高分子骨架和能离解的活性基团两部分组成。骨架是交换剂的母体，用R表示,支撑着整个化合物。活性基团与骨架牢固地结合，不会自由移动，但附有一个能与水中同性离子进行交换的可离解离子。附有阳性交换离子的称为阳离子交换剂，如钠型(NaR)、氢(HR)型及铵型(NH4R)等，能与水中的阳离子交换；附有阴性交换离子的称为阴离子交换剂，如氢氧型(ROH)及亚硫酸型(RHS04)等，能与水中的阴离子交换。 由于树脂离子交换剂颗粒由网眼状结构组成，其可交换基团不仅处于树脂颗粒的表面，而且大量分布在内部。遇水时，其孔隙内充满含有水中杂质离子的水，交换过程在其表面和内部同时进行。树脂交换剂的性能主要取决于它的结构及其所带的交换基团，对水处理过程有着决定性的影响。它呈球形状，具有一定的机械强度，较好的耐热性及较强的化学稳定性；一般不溶于水；离子交换反应是可逆的，可以反复使用；对不同离子的可逆交换能力有强弱，具有选择性。因此，要根据原水的组成和处理后水质的要求，合理地选用树脂交换剂，使其发挥最大的效能。 通常把树脂离子交换剂可交换离子量的多少称为树脂的交换能力，将树脂全部交换基团都起作用直至完全失效时的交换能力称为总交换能力，而在工作状态下达到一定失效程度时所表现的交换能力称为工作交换能力，一般只有全交换能力的6070。树脂离子交换剂的交换能力主要的影响因素：（1）树脂的交联度 树脂的交联度越小，其网孔就越大，则其颗粒内部离子扩散速度就越快，交换能力增大。（2）树脂的颗粒度 树脂的颗粒度愈小，表面积愈大及内扩散距离愈短，则交换能力愈大。但会增加水的流动阻力，处理水量减少。（3）原水中的有害杂质与出水的水质 原水中的有害杂质如铁、锰、游离氯等对钠型树脂，氧对阴离子交换剂均会产生污染“中毒”，降低树脂的交换能力。处理后的水中含盐量愈越低，树脂的交换能力也相应降低。（4）设备和运行条件 随着树脂交换剂层的增高，出水品质相应提高，但增加到一定高度以后，出水品质与交换剂的高度便无关了；交换剂高度相同的水处理设备，直径愈小，树脂的交换能力愈大；交换时流体的速度太高，其交换能力下降；交换剂失效后的再生程度愈高，树脂的交换能力也愈大， 2. 钠型离子交换软化法 离子交换软化法在水处理过程中分以下列三步进行。软化,反洗,再生 （1）软化过程 当原水经过钠型离子交换剂时，通过交换反应，水中的Ca2+、Mg+2等阳离子被吸附到交换剂上，而交换剂中的Na+离子溶入水中，从而除去水中的硬度，使水得到软化，如图145所示，其代表性反应式为：Ca(HCO3)2 + 2NaR CaR2 + 2NaHCO3 (1428)MgSO4 + 2NaR MgR2 + Na2SO4 (1429)经钠离子交换软化后，消除了原水中的硬度，但软水中的阴离子未减少，即碱度不变而总含盐量稍有增加，原水中的碳酸氢盐硬度转变为软水中的碱度。 水由上部进入交换剂层时，水中Ca2+、Mg+2先与表面层的交换剂进行交换，当这层交换剂失效后，交换作用便渗入到下一层的交换剂中进行，即交换剂是分层交换和分层失效的。为了保证一定的出水品质，通常在下部留有一定厚度的不能发挥其全部交换能力的交换剂层作为保护层，保护层以上的交换剂均属于饱和区。因此，交换进行到保护层时就必须停止工作。对于含有多种阳离子的水由上向下经过交换剂时，被交换离子按其与交换剂的交换能力也是分层分布，最上部是交换能力最大的离子，最下部为交换能力最小的离子。当出水残留硬度超过水质标准时，则认为交换剂已经失效，由Na型变成Ca、Mg型，必须进行再生。 （2）反洗过程 为了提高交换剂的再生效果，再生前需要用澄清的自来水或水质较好的原水自下而上进行反冲洗。其目的是翻松交换剂层，清除表面层的污物等杂质及破碎和磨损的细小树脂碎粒，为再生创造条件。 （3）再生过程 食盐水溶液NaCl是常用的再生剂，用其所含的Na+把失效树脂中的Ca2+、Mg+2置换下来，以恢复其软化水的能力。再生时生成的CaC12和MgC12为可溶解性物质，可随再生液排除。再生剂的浓度和耗量小，将使再生过程进行得不完全，反之则不经济。实践证明，顺流再生固定床中再生液浓度约为810，用先稀后浓的盐水进行再生效果较好；再生剂的实际用量，一般为理论用量的23.5倍。再生方式分为两种，一种是顺流再生方式，即由交换器上部送入再生液，从底部排出，其流动方向与软化处理时水的流向一致。这种方式再生液首先接触到的是上部完全失效的交换剂层，该层有较好的再生效果。而再生液流至底部时浓度已大为降低，且积累了相当数量的Ca2+、Mg+2，使直接影响出水水质的最下层交换剂的再生效果差。因此，顺流再生效果不够理想，再生剂耗量高，但设备和操作都比较简单。另一种是逆流再生方式，即再生液的流向与软化处理时的水流方向相反，下进上出。这种方式的优点是底层交换剂总是和新鲜的再生液接触，再生程度高，再生剂的耗量比顺流再生方式少30左右，且软化处理时的出水品质好，但操作时要控制好运行参数，以防止交换剂发生乱层现象。(4)清洗 再生后洗清再生物,(正洗)用单级钠离子交换法一般可使水中残余硬度小于0.02mmol/L。如原水水质较差或对软化水要求较高时，则应考虑采用两级钠离子交换器进行处理。 3. 氢型及铵型离子交换软化法 当原水经过氢型离子交换剂时，水中的阳离子和交换剂中的氢离子进行交换，除去了水中原有的阳离子，水质得到软化。氢型离子交换软法是利用交换剂中的氢离子与原水中的硬度离子进行置换反应，如：Ca(HCO3)2 + 2HR CaR2 + 2H2O + 2CO2 (1432)MgSO4 + 2HR MgR2 + H2SO4 (1433) 经H+交换处理后的软水，其残余硬度与Na+交换软化法相当，且含盐量有所降低，因为碳酸氢根离子生成了碳酸而通过脱气被除去，但水质呈酸性，酸度相当原水中非碳酸盐硬度值，因此不宜直接用作锅炉给水(用复合型)。再生过程通常使用浓度为5左右的稀盐酸或1.52的稀硫酸溶液作为再生剂，其部分反应式为： CaR2 + 2HCl 2HR + CaCl2 (1434)或 MgR2 + H2SO4 2HR + MgSO4 (1435) 用盐酸作再生剂，再生操作过程简单，只需将稀盐酸一次性通过交换剂层，再生后树脂的交换能力也比较高。而硫酸处理后的树脂的交换能力约为盐酸的60，且必须按先低后高的浓度分几次通过树脂，才能防止硫酸盐沉淀。 铵型(NH4R)离子交换法与氢型离子交换法的工作原理相同，但处理后的水质也为酸性，但交换剂使用铵盐NH4C1，其软化及再生反应式举例如下：Ca(HCO3)2 + 2NH4R CaR + 2NH4HCO3 (1436)及 CaR2 + 2NH4C1 2NH4R + CaC12 (1437) 4. 氢钠型离子联合软化法 钠离子处理的软化水中碱度较高，而氢离子处理的软化水呈酸性，为了降低软化水中的碱度并没有酸性，当原水的碳酸盐硬度大时常采用HNa型离子联合软化法。图146为双层床离子交换器，原水先经上层的H+交换剂，使水呈酸性，然后水再经过下层的Na+交换剂吸收水中的H+及残余的Ca2+、Mg+2，如： CaSO4 + 2HR CaR2 + H2SO4 (1438)H2SO4 + 2NaR 2HR + Na2SO4 (1439) 通过这种联合处理方法，软水中的酸性被消除，但仍有部分碳酸根，则软水保持适当的碱度。再生时，先用稀硫酸溶液，然后再用食盐溶液分别将上、下层树脂还原成氢型和钠型交换剂，两种溶液再生之间要进行中间正洗。这种系统设备简单，耗酸量小，缺点是残留碱度较大，约1.01.5mmol/L，再生操作比较复杂等。HNa型离子联合水处理系统，还可分为串联和并联两种，如图147所示。HNa型串联软化系统中，部分原水先经H离子交换器进行软化后与剩余原水混合，再经除CO2器除去生成的CO2，最后用泵送入Na离子交换器软化。串联系统操作容易，但Na离子交换器容量大，投资较高，残余碱度约为0.7 mmol/L，且不稳定。HNa型并联软化系统中，两部分原水分别经H离子和Na离子交换器进行软化后混合，再经除CO2器除去生成的CO2。并联系统出水碱度低，不大于0.35mmol/L，水质比较稳定，设备投资较少，但再生剂耗量较大，运行中应按进水水质，适当调节进入两种交换器水量的比例，严防产生酸性水腐蚀后续设备及控制软化水的碱度。NH4一Na型离子联合软化法与HNa离子交换法相同一样，具有软化和除碱作用。一般采用并联而不用串联系统，因为NH4+及Na+的活性相近，串联时水中NH4+和Na+可能相互置换，除碱效果差。 5. 离子交换水处理方式 根据生产上的不同需求，离子交换水处理装置可按不同的方式运行，按交换剂工作时的状态，一般分为分成固定和连续两种方式。固定式包括固定床离子交换方式和浮动床离子交换方式，离子交换各过程(交换、反洗、再生和清洗)均在同一装置中完成，交换剂在各过程中并不移动或流动，连续式包括移动床离子交换方式和流动床离子交换方式，离子交换各过程是在同一时间内的不同装置中完成，离子交换剂在交换过程中处于移动或流动状态。 （1）固定床离子交换方式 基本结构见图14-8所示，图中采用逆流再生的方式，为防止再生时交换剂乱层，交换剂上部放置150200mm的压实层。这种交换方式设备简单、操作容易。但交换剂和再生液耗量多，且呈周期性间断运行，再生时间约24h，若要连续供水必需增加交换器等设备。 （2）浮动床离子交换器方式 原水由交换器底部进入床层，利用水流的动能，使上部自由空间仅有25的交换剂层以密实状态向上浮动，处理好的水经上部分配装置引出。床层失效后采用逆流再生，再生液自上向下流经床层完成再生反应，并由底部排出，如图149所示。与逆流固定床比较，这种交换方式， 交换剂装量多，运行周期延长，再生时不会乱层，适合于高交换流速运行。 （3）移动床离子交换方式 这种交换系统按其设备分为单塔，双塔及三塔式三种，交换塔、再生塔和清洗塔三者合为一体的单塔式移动床系统如图1410所示。原水从下向上流经交换剂，软化水由交换塔上部输出。同时，在水压力作用下，失效的交换剂随部分被处理水由交换塔底部送至再生塔中进行再生，清洗塔内的树脂也同时被清洗。软化、再生与清洗同步同时完成。当树脂全部失效后，停止进水软化，并打开排水阀排出交换塔内的水，塔内压力下降，在重力作用下贮存在清洗塔内已再生，清洗过的交换剂自动进入交换塔。此后，关闭排水阀，继续进行软化、再生和清洗，重复上述过程。移动床交换系统的交换塔体积小，交换剂利用率高和再生剂耗量少，出水品质高且稳定，但离子交换过程还是半连续间断进行，交换/间断时间约90/10分钟，且交换剂磨损较严重，其补充量多。 (4)流动床离子交换 完全连续工作，按其设备分为单塔、双塔及三塔式，当前用的多为重力双塔式流动床(还有压力式)，如图1411所示。原水从交换塔底部进入，向上流动时与自由下落的交换剂进行离子交换，其流动动能使交换剂处于悬浮状态，软水从塔顶输出。再生后的交换剂借重力由再生塔底输出，并靠重位压差从交换塔顶输入。交换塔内已经反应过的交换剂因由较轻的Na型转变为较重的Ca、Mg型，故可下降到交换塔底部，由水力喷射器抽出并从再生塔顶输入，并在沉降过程中与上升流动的再生液和清洗水混合而得到再生和清洗。清洗水进入再生塔后朝两各方向流动，一部分作为交换剂的清洗水向上流动，另一部分输送再生后的交换剂进入交换塔。这种交换方式能不间断地工作，交换剂利用率高，清洗水耗量低，操作管理简方便，但树脂磨损较严重，对负荷适应性差，设备调整过程比较麻烦。三. 水的除盐处理 随着火力发电厂的锅炉向高参数大容量方向发展，对锅炉水质提出了更高的要求，因为蒸汽的溶盐能力，尤其是硅酸盐，随压力增高而增强，因而必须对锅炉给水进行彻底的除盐处理。水的除盐处理有离子交换法、电渗析法、反渗透法和蒸馏法等，现今离子交换法除盐已得到广泛应用。对于工业锅炉一般不需进行给水的除盐处理，除非原水含盐量很高。除盐就是将水中各种离子消除或减少到一定的程度。离子交换法除盐就是让原水先流经强酸型H离子交换器，转变为由H+和酸根离子组成无机酸的酸性水，再流经强碱型OH离子交换器。由阳、阴离子交换器各一台组成的（称为复床）基本除盐系统称为一级复床除盐系统，如图1412所示。图中两台交换器之间安置除碳器用以清除CO2，因为H2SiO3的酸性比H2CO3弱，若不先将CO2除去，就会妨碍阴床交换剂对H2SiO3的吸附能力。一级复床除盐系统处理的水质已经较高，SiO2含量为0.10.5mg/L，硬度接近于零，可以满足中压锅筒锅炉的水质要求。 对于高压、超高压、亚临界锅筒锅炉和直流锅炉，一级复床除盐尚不能达到水质标准，若再加一级复床组成二级处理系统，则费用增加，系统更复杂，操作困难。通常采用一级复床再加混床除盐系统。所谓混床就是将阴、阳交换剂按一定比例均匀混合置于同一个交换器里，水通过混床时就完成了多次阴、阳离子交换过程，进一步提高给水纯度，这样出水的SiO2含量降至0.020.1mg/L。亚临界压力大型直流锅炉采用的一级复床加混床除盐系统的如图1413所示，其中，加联胺N2H4是作为辅助除氧,加入氨NH3是为了调节水的pH值。 四. 水的除气处理水的除气：除去氧气和二氧化碳气体。除氧的方法有药剂除氧，热力除氧和解析除氧等。 1. 药剂除氧将某种还原剂（常用亚硫酸钠Na2SO3和联胺N2H4。） 与水中溶解的氧发生反应，以达到除氧目的。Na2SO3除氧方便无毒，但增大水的含盐量，在中、低压锅炉中可单独使用。当压力高于4.1MPa后，Na2SO3在较高温度下会分解形成有腐蚀性的介质SO2及H2S，所以采用N2H4除氧。其生成物不增加水的含盐量，但N2H4易挥发且有毒。由于除氧剂的价格较贵，尤其是联氨，所以很少单独使用药剂除氧，通常是作为热力除氧的辅助措施。 2. 热力除氧 热力除氧是最常用的除氧方法。由于水温越高，O2的溶解度越愈小，当水沸腾后就转变成无氧水。因此可将给水加热，使O2随温度升高而逸出排除。给水进入脱气塔后，通过雾化落至填料层或直接送至淋水盘向下流动，而蒸汽从下向上流动与其接触加热，完成除氧过程。热力除氧的系统如图1414所示，除氧器的工作压力一般为表压力0.020.025MPa，温度为105左右。热力除氧器能将O2、CO2、N2等溶解性气体都除去，除氧效果稳定可靠，水中含盐量也不会增加，但须有汽源，且耗汽量较高。 对于无蒸汽来源的热水锅炉房中，除药剂除氧外，也可采用真空除氧。真空除氧仍属于热力除氧，但除氧器内保持一定的真空度，使除氧得以在较低的饱和温度进行，因此能够节约能源。为了有较好的操作条件和除氧效果，除氧器中的真空度一般约为0.035MPa绝对压力，加热后的水温高于除氧器内压力下的饱和温度35。除氧器中的真空度由真空泵或水力喷射器等设备维持，且必须保证系统的密封性，以免空气进入。为了使除氧水进入锅炉给水泵时不会发生汽化，真空除氧器距水泵的高度一般要大于10m，这样的高度对小型工业锅炉房比较难以实现。 3. 解析除氧 解析除氧的原理:减小水面上某种气体的分压力，则该气体将会从水中逸出，处理系统如图14-15所示。气体流经位于锅炉烟温为500600烟道内装有木炭的反应器，气体中的O2与热木炭反应生成CO2。反应器出口的气体无氧气,由需除氧水靠水力喷射器送入解析器内，O2析出。从解析器顶部引出的带氧气体经冷却器和汽水分离器再进入反应器，循环工作。此方法设备简单，操作容易，无需化学药品，但只能除氧，不能除其它气体，且除氧水的CO2含量增加。4. 除二氧化碳原水经氢型离子交换器处理后，酸性出水含有大量游离CO2，要在除气器（或称除碳器）中将CO2除去。除气器可分为鼓风式和真空式两种。(1)鼓风式除气器 其工作原理与解析除氧相同，利用CO2分压力很低（约0.035）的空气与含CO2的水接触，则CO2从水中析出并随空气排出。含CO2的水除气器的顶部进入，经配水管散布在填料上(填料有瓷环、聚丙烯多面空心球等)，向下流动时与由鼓风机送入的逆向流动空气接触，从而除去CO2，如图14-16所示。除气器可使出水C02含量降至5mg/L。 (2)真空式除气器 其工作原理与真空除氧原理相同，即利用水在真空状态时产生沸腾，从而使水中包括CO2的所有溶解气体从水中逸出排走。五. 锅内水处理为了防止锅内结垢，定期向锅炉的锅筒内投放化学药剂，药剂与给水中的盐类化合，生成不沉积在金属壁面上的松散水渣，再通过排污除去的方法锅内水处理。这种方法对于无水处理设施的小容量锅炉是一种常用的水处理方法，而对大容量锅炉仅作为给水处理的辅助措施。 1加碱处理法 向锅内投放一定数量的纯碱（俗称苏打）Na2CO3，并维持一定的CO32浓度，则CO32首先与Ca2+起反应，而后在炉水中发生水解反应。 反应产物CaCO3和Mg(OH)2为流动性水渣，可随排污除去。 CaCO3价格低廉使用方便，可有效去除水中非碳酸盐硬度，但总要发生水解反应，水解率随压力增高上升很快 。因此压力越高，炉水的碱性也就越强，但为保持炉水中一定的CO32浓度，需加入更多的纯碱，造成过高的OH-浓度而产生碱性腐蚀。因此，加碱防垢法不适用于压力较高的锅炉，仅适用于压力小于1.5MPa以下的低压锅炉。 2. 加磷酸盐处理法 为了得到适当的pH锅水，防止过高的碱度，当压力大于1.5MPa时，通常采用磷酸三钠(Na3PO412H2O)或磷酸氢二钠(Na2HPO412H2O)作为锅内水处理药剂,当炉水保持一定的磷酸根离子PO4-3浓度时，Ca2+、Mg2+与PO4-3可生成难以溶解的钙镁磷酸盐类随排污除去，从而使浓度减小到不能形成水垢的程度。 炉水中适量的磷酸盐含量，能使金属壁面上生成磷酸盐保护膜，防止金属的电化学腐蚀。但过高的PO4-3浓度会增加炉水含盐量，还有可能生成粘性很强Mg3(PO4)2或Fe3(PO4)3，沉积在金属表面上形成二次水垢，因此炉水中的PO4-3浓度必须适量。 3三钠一胶综合处理法对于只采用锅内水处理的低压小容量的火管锅炉，可以采用由磷酸三钠、纯碱及烧碱NaOH三种钠盐和拷胶组成的综合防垢剂，根据不同水质按一定比例投放进锅筒，与给水中的硬度盐反应，生成松散的泥渣随排污除去。其中，磷酸三钠与钙化合生成分散状的磷酸钙或水渣状的水化磷灰石，并能生成磷酸亚铁保护膜；纯碱与Ca2+及烧碱与Mg2+均生成水渣CaCO3及Mg(OH)2；栲胶的主要成分丹宁，促使悬浮杂质和水渣发生凝聚作用，还能生成丹宁酸铁保护膜。防垢剂的药剂用量参见表146。表146 综合防垢剂用量每吨水所需药剂量，g/t水的总硬度，mmol/L1.81.83.63.65.45.47.07.