电厂化学课件

电厂化学 培训 制作人 司广树Email sgshu 华南理工大学电力学院 目录 第一章绪论第二章水质概述第三章炉外水处理第四章离子交换处理第五章化学补给水除盐系统第六章凝结水处理第七章热力系统的金属腐蚀第八章冷却水处理第九章蒸汽污染的预防第十章电厂水处理实例 第一章绪论 第一节研究背景第二节电厂用水第三节电厂化学基础 第一节研究背景 一 电厂系统简介二 电厂本质三 电厂安全和效益四 电厂化学的研究对象 1 煤 风 烟系统 一 电厂系统简介 2 汽水系统 二 电厂本质 能量转换 为我所用 化学能 热能 工质的焓 机械能 电能条件保障设备 炉具 锅 壶 工质 水 茶等 壶底结垢燃料 酒精等 三 电厂安全和效益安全 效益 安全是高效的基础 高效反映着安全 设备安全运行意味着人的安全和电厂的安全 锅炉安全 锅 汽水 炉 烟气 汽机安全 转动 固定 包括附属设备 发电设备的安全 发电 变电 配电等工质 燃料和产品的性质与安全紧密相关 四 电厂化学的研究对象广义 涉及的所有化学 包括物理化学 的问题 水处理 设备防腐 化学监测 电力用油 发电机冷却 氢 水 燃料分析 三废处理 环保等 侠义 锅炉汽机等设备 三防 污 垢 腐 具体为 水处理 设备防腐研究方法 理论 实验 试验 经验 第二节电厂用水 一 火电厂中水的作用和损失二 火电厂中水的名称三 水质不良的危害四 火电厂水处理工作简介 凝汽式发电厂水汽循环系统 1 锅炉 2 汽轮机 3 发电机 4 凝汽器 5 凝结水泵 6 凝结水精处理设备7 低加 8 除氧器 9 给水泵 10 高压 11 补给水处理设备12 冷却水泵凝汽式发电厂水汽循环系统主要流程 过热蒸汽 生水 补给水 凝结水 冷却水 冷却水水 排汽 1 10 8 11 2 4 12 7 2 3 给水 6 9 5 1 作用 电厂血液 水汽循环是封密的 冷源 冷却介质2 火力发电厂的水汽损失锅炉部分 排污 安全门和过热器放汽 蒸汽吹灰和燃油雾化 汽机部分 轴封处连续向外排汽 抽气器和除氧器的排空 管道系统 法兰盘连结不严密和阀门漏泄等 各种水箱 疏水箱 给水箱等 的溢流和热水蒸发 用蒸汽加热或推动附属设备 如加热器 汽动给水泵 为维持正常水汽循环 系统需要 补给水 补给水是经过处理 去除有害杂质后 从除氧器处补入系统的 正常情况下 凝汽式发电厂的补给水量不超过锅炉额定蒸发量的2 4 一 火电厂中水的作用和损失 水在火电厂水 汽循环系统中的流程和作用不同 其水质常有较大差别 因此 水的名称也不同 1 生水 原水 未经任何处理的天然水 是各种用水的来源 2 补给水按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 凝结水在汽轮机中作功后的蒸汽经凝汽器冷凝成的水 4 疏水各种蒸汽管道和用汽设备中的蒸汽凝结水 经疏水器汇集到疏水箱或并入凝结水系统 二 火电厂中水的名称 5 返回 凝结 水热电厂向用户供热后 回收的蒸汽冷凝水 有热网加热器冷凝水和生产返回冷凝水之分 6 给水 送进锅炉的水 包括 凝结水 补给水 各种疏水甚或返回水 热电厂 7 锅炉水在锅炉本体蒸发系统中流动着的水 简称炉水 8 冷却水作为冷却介质的水 主要指通过凝汽器冷却汽轮机排汽的水 9 内冷水水氢氢冷却式 或包括水水氢冷却式 发电机中 用于带走发电机定子绕组 或包括转子绕组 运行中产生的热量的水 水汽质量好坏直接影响到热力设备的安全 经济运行 汽水质量不良会引起热力设备结垢 腐蚀 积盐等危害 1 热力设备结垢即水质不良 使热力设备的受热面上生成一些固体附着物 水垢 危害 安全性降低 壁温 强度 壁面局部变形 起包 爆管 经济性下降 锅炉受热面上结有1mm厚水垢 燃料多消耗3 5 2 0 凝汽器结垢 真空度降低 机组热效率和出力下降 加热器结垢 水的加热温度达不到设计值 结垢后的清洗 需要停机 并增加检修工作量和费用 三 水质不良的危害 2 热力设备腐蚀腐蚀部位 管道 锅炉受热面 汽轮机和凝汽器等 缩短设备本身的使用寿命 腐蚀产物转入水中 增多水中杂质 进而加剧受热面上的结垢和腐蚀 甚至加速爆管等事故发生 3 过热器和汽轮机积盐水质不良或金属腐蚀导致蒸汽中带有杂质 并沉积在过热器和汽机等蒸汽通过的部位 此即积盐 危害 过热器内积盐会引起管壁过热 变形 鼓包甚至爆管 汽轮机内积盐会降低汽轮机的出力和效率 特别是高参数大容量汽轮机 其高压部分蒸汽流通面积很小 少量积盐也会大大增加蒸汽流通阻力 使汽轮机出力下降 若积盐严重 还会使推力轴承负荷增大 隔板弯曲 造成事故停机 为保证热力系统水质良好 需对天然水进行适当处理 并监督水汽质量 电厂水处理工作主要包括 1 净化生水 经过混凝 澄清 过滤及离子交换等方法制备补给水 并通过调整试验降低相关成本 2 对给水要进行加氨和除氧等处理 3 对于汽包锅炉要进行锅炉水的加药处理和排污 4 对于直流锅炉机组和某些亚临界汽包锅炉机组 要进行汽轮机凝结水的净化处理 5 热电厂中 对生产返回水进行除油 除铁等净化处理 四 火电厂水处理工作简介 6 对冷却水进行防垢 防腐和防止有机附着物等处理 7 在热力设备停用期间 做好设备防腐工作中的化学监督工作 8 热力设备大修时 应掌握设备的结垢 积盐和腐蚀等情况 以便审查水处理效果 不断改进水处理工作 9 做好各种水处理的调整试验 配合汽机 锅炉做好除氧器调整试验 锅炉化学试验以及设备的化学清洗 10 正确取样 化验 监督给水 炉水 蒸汽 凝结水等各种水 汽质量 并如实向领导反映情况 简言之 净化 三防 监测 试验 清洗 请思考 1 电厂用水越纯净越好吗 2 水处理与生产什么关系 3 水处理环节顺序和选定 第三节电厂化学基础 一 物质的组成和计量二 化学反应及反应方程式三 酸 碱 盐 氧化物及配合物四 反应速度与化学平衡五 水的离子积常数及pH值六 缓冲溶液七 盐类的水解八 沉淀与溶解平衡九 稀溶液的依数性质 物质由分子 原子等组成 原子 原子核 质子和中子 电子 元素 具有相同质子数 核电荷数 的一类原子 同位素 同种元素中质子数相同 中子数不同的物质 如C12 C13 C14就是C元素的三种同位素 用吨来表示一粒芝麻的质量会感觉如何 国际上将一个C12原子质量的1 12用作原子质量的计量单位 相对原子质量 原子量 就是一个原子的质量与上面数值的比值 某种元素的相对原子质量是其各同位素的原子量的加权平均 相对分子质量 分子量 是其各原子的相对原子质量之和 摩尔 mol 是架接微观和宏观之间的 计量物质量的单位 1mol相当于6 023 1023个微观粒子 摩尔质量 M 每摩尔物质的质量 g mol或kg mol 一 物质的组成和计量 分子式的意义和溶液浓度 1 分子是能够独立存在并保持物质化学性质的最小微粒 分子式除表示物质的一个分子和相对分子质量外 还能表示分子中所包含各元素的原子数目及其各元素的质量比 2 溶液浓度的表示方法有 质量分数 溶质与溶液之间的质量比 质量浓度 单位体积溶液中含有溶质的质量 g L mg L g L等 物质量浓度 单位体积溶液中含有溶质的量 mol L 体积比浓度 溶质与溶液之间的体积比 1 化学基本定律定组成 定比 定律 任何化合物都有固定的组成 即每一个化合物的分子 其组成元素 重量都有一定的比例 质量守恒 物质不灭 定律 反应前后物质的质量 原子的种类和数目都不发生变化 2 化学反应方程式类型在火电厂常见到置换 化合 分解等简单化学反应外 还出现 复分解反应 两种以上化合物互相交换成分 生成几种新物质 氧化还原反应 在反应过程中 元素化合价发生变化 离子反应方程式 反应有离子参加 在水溶液中进行的 二 化学反应及反应方程式 三 酸 碱 盐 氧化物及配合物 酸 碱 在水溶液中电离出来的阳 或阴 离子全部是H 或OH 盐 在水溶液中电离时生成金属离子酸根的化合物 氧化物 由氧和另一种元素组成的化合物称为氧化物 碱性 酸性 氧化物 能与酸 或碱 起反应生成盐和水 两性氧化物 既能与酸反应又能与碱反应生成盐和水 配位化合物 由一个简单的阳离子 中心离子 与一定数目的分子或阴离子 配位体 以配位健结合而成的离子称为配位离子 或配离子 内界 常用 括起来 含有配离子的化合物叫配位化合物 或配合物 配位键 由一个原子单独提供一对电子而与另一原子共用所形成的化学键 KAl SO4 2 12H2O 不是配合物 因它在水中全部电离成简单离子 胺 铵和肼 胺 氨分子中的氢被烃基取代而生成的化合物 铵盐 氨与酸反应的生成物都是由铵离子和酸根离子构成的离子化合物 这类化合物称为铵盐 肼 联氨 一种无色发烟的 具有腐蚀性和强还原性的液体化合物N2H4 hydrazine 它是比氨弱的碱 易溶于水 和水结合成稳定的水合联氨 N2H4 H2O 肼通常即由水合肼脱水制得 主要用作火箭和喷气发动机的燃料部分 用在制备盐 如硫酸盐 及有机衍生物中 水处理中 联氨用于出去水中溶解的氧 四 反应速度与化学平衡 1 质量作用定律 反应速度与反应物浓度的幂次方乘积成正比 方次为对应物质的计量系数 2 可逆反应 aA bB cC dD 正 k正 A a B b 逆 k逆 C c D d3 平衡常数 正 逆K k正 k逆 C c D d A a B b 平衡常数表达式4 影响化学平衡移动的因素反应物浓度 Ba2 SO42 BaSO4 Ba2 利于SO42 沉淀压力和温度 2NO2 棕红色 N2O4 无色 p 颜色变浅 此为放热反应 T 颜色变深 五 水的离子积常数及pH值 水电离方程为 H2O H OH K H OH H2O 水是极弱的电解质 H2O 几乎不变 在一定T下 K H2O 可视为常数 称之为水的离子积常数 用KW表示 KW只是温度的函数 在25 时测得 H OH 1 0 10 7 mol L KW H OH 1 0 10 14 1 将式 1 两边取负对数 并定义 pKW lgKW pH lg H pOH lg OH pKW pH pOH 14pH H 浓度指数 pOH OH 浓度指数 它们均可用于表示溶液的酸碱度 但一般前者应用较广 100 时 H OH 1 10 6 KW 1 10 12 pH 6 六 缓冲溶液 1 同离子效应在弱电解质溶液中 由于加入了相同离子的强电解质 从而使电离平衡发生移动的现象 例如 氨水是弱碱 在其中加入氯化铵 其电离平衡 NH3 H2O NH4 OH 则会由于 NH4 而朝着生成NH3 H2O方向移动 从而导致氨水的电离度和溶液中的 OH 降低 2 缓冲溶液在氨水中加入一定量的氯化铵后 却能在一定程度上抵御少量外来酸 碱或稀释的影响 使溶液的pH值不发生改变 此即缓冲作用 具有缓冲作用的溶液称为缓冲溶液 如醋酸与醋酸钠的混合溶液 通常其pH值7等 水解 使某一化合物裂解成两个或多个较简单化合物的化学过程 其中水分子的H和OH部分参与被裂解化学键的任一侧起反应 盐水解后形成的溶液的酸碱性 由组成盐的酸和碱的相对强弱来决定 谁强溶液就显示谁的性质 醋酸钠 CH3COONa 水解后 溶液呈碱性 而氯化铵 NH4CI 溶液则呈酸性 原因 盐在水中全部电离 电离出的弱酸 或弱碱 根离子与水电离出的H 或OH 反应生成难电离的弱酸 或弱碱 分子 进而导致溶液中有过剩的OH 或H 如 H2O CH3COO CH3COOH OH NH4 H2O NH3 H2O H 弱酸弱碱生成的盐水解时 道理相同 但若弱酸和弱碱的电离平衡常数接近 溶液就呈中性 如CH3COONH4水解 七 盐类的水解 八 沉淀与溶解平衡 溶解度 一定温度下每1000克水中溶解溶质的最大克数 溶度积 难溶物质 如AgCI 在水中溶解达平衡时 各离子浓度乘积等于其平衡常数 此平衡常数称为溶度积常数 简称溶度积 用KSP表示 如KSP AgCI Ag CI 溶解度规则 溶液中 Ag2 Cl KSP 过饱和溶液 应有沉淀析出 直至离子浓度之积达KSP 九 稀溶液的依数性质 稀溶液中溶剂的蒸气压下降 pA pA p A p A xB稀溶液的凝固点降低 条件 析出固态纯溶剂 Tf KfbB稀溶液的沸点升高 条件 溶质不挥发 Tb KbbB bB nB mA 即1kg溶剂中所含溶质的量 稀溶液的渗透压 cBRT R 摩尔气体常数 T 温度 cB 质量摩尔浓度 即1kg溶液中所含溶质的量 稀溶液的渗透压在一定温度下 用一个只能使溶剂透过的半透膜把纯溶剂与溶液隔开 溶剂就会通过半透膜渗透到溶液中 使溶液的液面上升 直至达到平衡状态 如上页图中 a 所示 这种对于溶剂的膜平衡叫渗透平衡 此时 溶剂液面和同一水平的溶液截面上所受的压力差 gh 即稀溶液的渗透压 任何溶液都有渗透压 测定渗透压的一种方法是 在溶液一侧施加一额外压力 促使反渗透发生 直至纯溶剂和稀溶液的液面达到一样高 此额外的压力即为渗透压 如上页图中 b 所示 第二章水质概述 第一节天然水中的杂质第二节水质指标第三节天然水中的主要化合物第四节天然水的特点及分类 分布很广 覆盖地球表面的四分之三 高山上和南北极还有常年积雪和冰 地层和大气中也有相当数量的水 天然水在太阳辐射作用下循环运动 图2 1水在自然界中的循环 天然水无时不与各种物质混杂 其溶解能力又较强 因此其中不同程度地含有各种杂质 这些杂质按其颗粒大小和混合形态的不同 可分为三大类 如下表所示 第一节天然水中的杂质 一 悬浮物 颗粒直径约在100nm以上 在水中不稳定 容易除去 常悬游在水流中 造成水发生浑浊现象 当水静止时 比重小于1的草本植物碎片等会上浮于水面 称为漂浮物 比重接近1的动植物有机体的微粒 纤维或动植物死亡后的腐败产物 悬浮于水中 称为悬浮物 细微砂子和粘土类无机化合物 比重均大于1 则会沉淀于水底 故称为可沉物 二 胶体 直径约为1 100nm 往往是许多分子或离子的集合体 比表面积很大 表面活性 吸附能力 明显 常因表面吸附某些离子而带电 天然水体中的粘土颗粒一般带负电荷 而一些金属氢氧化物则带正电荷 同类胶体因带同性电荷相互排斥 不能聚集 因此在水中比较稳定 分布也较为均匀 难以用自然沉降法去除 天然水中的有机胶体多半由动植物躯体腐烂分解而成 主要是腐殖质 湖泊水因此常呈黄绿色或褐色 因受工业排水污染 工业区水源的有机胶体也很多 天然水中的矿物质胶体 主要是铁 铝和硅的化合物 因悬浮物和胶体颗粒能散射光线 丁达尔效应 故会造成天然水体浑浊 在水处理工艺中应首先清除之 三 溶解物质直径 1nm 多以离子或分子态存在于水中 形成均匀的分散体系 称为真溶液 只能用蒸馏 膜分离或离子交换等方法去除 1 水中的离子态杂质天然水中的各种离子 按其含量不同分为三类 见下表 其中以第 类含量为主 是需要净化的主要对象 2 溶解气体天然水中的气体以O2和CO2为主 有时还有H2S SO2和NH3等 1 氧天然水中O2的含量一般在0 14mg L之间 主要来源于对大气中氧的溶解 气体在水中的溶解度一般随T 而 随压力 而 但影响天然水中氧含量的因素还有 有机物降解 微生物呼吸 矿物质化学反应等耗氧 水生植物白天光合作用产生氧气 其夜间新陈代谢耗氧 水的紊流特性和空气泡的大小等 是故 地下水含氧量一般较少 地面水含氧量因各地水温和气压而不同 由于水中的溶解氧对金属有腐蚀作用 应通过热力或化学方法除去之 2 二氧化碳大气中CO2含量只有0 03 0 04 体积比 其在水中溶解的量很小 天然水中的CO2主要来源于水中或泥土中有机物的分解和氧化 地层深处所进行的地质化学过程也会产生一定量的CO2 在实际天然水中 CO2含量一般为20 30mg L 地下水有时可达几百毫克每升 水中的CO2不仅自身会腐蚀金属设备 而且会加剧水中溶解氧对金属的腐蚀 所以在锅炉用水和冷却水中含有CO2具有较大危害 水质即水的质量 反映水的使用性质 用途不同 水质要求也不同 水质指标可用水中杂质的组成表示 锅炉用水的水质指标如下页的表所示 此表中的水质指标分为两类 一类反映水中的某一具体组分 如pH值和各种无机离子 一类表示某一类物质的总和 称之为技术指标 表中自全固形物至稳定度都是技术指标 第二节水质指标 下面介绍电力生产中常用的主要技术指标 一 溶解固形物和含盐量1 溶解固形物是水中除溶解气体之外的各种溶解物总和 有离子态 非离子态 SiO2 铁铝氧化物 和有机物等 这是理论性指标 采用一些与其涵义近似的指标进行测定 2 含盐量 矿化度 指水中溶解盐类的总和 由于盐在水中一般均以离子态存在 因此可通过水质全分析后把各种阴阳离子全部相加而得 含盐量或以物质量的浓度 用阳离子或阴离子所带电荷的总量计算 mol L 或以质量浓度 用阳阴离子的总质量计算 mg L 表示 水质全分析比较麻烦 只能定期 一季度或一年 测定 不宜作为运行控制指标 3 蒸发残渣指过滤后的水样在105 110 下蒸干所得的残渣 它近似等于溶解固形物 但要考虑蒸发过程中碳酸氢盐的转化 以及残留湿分和结晶水不能除尽 灼烧残渣是将蒸发残渣在800 下灼烧所得的残渣 蒸发残渣与灼烧残渣之差能近似表示有机会含量 但要考虑灼烧导致残存的湿分 结晶水以及一些氯化物的挥发 以及一部分碳酸盐分解 4 电导率 电阻率倒数 S cm或 S cm 常用电导率仪测定 水的导电能力与水中离子含量 离子间相对比例和水温有关 因此 测定电导率时 应保持水温一定 水中离子相对稳定 且可以用测电导率方法测定水中含盐量 若水的溶解固形物总量 TDS mg L 在50 5000mg L之间 TDS与水的电导率 H2O S cm 有如下关系 lgTDS 1 006lg H2O 0 215 S 西门子 1 也称作姆欧 电导的单位 What 二 悬浮物和浊度悬浮物 mg L 是各种水处理工艺中都需监督的项目 其可通过重量分析法测定 用定量滤纸过滤后 再在110 烘干称重 但此法麻烦且准确度不高 不宜作现场监测使用 浊度 浑浊度 指水体不透明的程度 它实质上反映了水中的悬浮物和胶体物质会使光线发生散射的性质 故一般用它来衡量这些物质在水中的大致含量 浊度的测定开始用杰克孙烛光浊度计 此法不适宜低浊水 测得结果可能因人而异 现在多用散射浊度仪 如激光浊度仪 方法是 先测定样品在90 光照下的散光强度 再与标准液的比较 两种方法测得的结果基本相同 单位分别是JTU和NTU 近年来 因国际上选用了重现性更好的浊度标准液 福马肼 FTU FTU也成为浊度单位 1FTU 1JTU 1NTU 三 碱度和酸度碱度 A 指水中能接受H 的物质 OH CO32 HCO3 和其它弱酸盐类 的量之和 天然水中 碱度主要由HCO3 的盐类组成 锅炉水中 则主要由OH 和CO32 甚或PO43 炉内加磷酸盐处理时 的盐类组成 碱度用酸中和办法来测定 指示剂不同 酚酞和甲基橙 滴定终点也不同 前者 pH值 8 1 8 3 后者 pH值 4 3 4 5 故有酚酞碱度PA和甲基橙碱度MA之分 它们测得的物质也不同 酚酞把水中的OH 和CO32 分别中和成H2O和HCO3 甲基橙把水中的OH CO32 和HCO3 分别中和成H2O和H2CO3 酸度是指水中能接受OH 的物质 强酸 强酸弱碱盐 酸式盐和弱酸等 的量之和 天然水不显酸性 只有1 2 的CO2 碳酸 只有在化学除盐过程中阳床出水会产生酸度 四 硬度 H 硬度指天然水中高价金属离子 主要是钙 镁离子 的总浓度 根据水中阴离子的存在情况 硬度可分为 1 碳酸盐硬度指水中钙 镁的碳酸氢盐 以之为主 碳酸盐浓度之和 由于水在长时间煮沸后 它们会转化成沉淀的CaCO3和Mg OH 2 故又称为暂时硬度 2 非碳酸盐硬度总硬度和碳酸盐硬度之差 主要是钙 镁的氯化物和硫酸盐等 它在水沸腾时不能除去 故又称永久硬度 实际上永久硬度和非碳酸盐硬度只是近似相等 教材上表1 3列出了天然水的一般分析项目 危害和处理方法 pp 8 9 五 有机物水中有机物组成复杂 含量难以确定 常采用各种相对表示有机物含量的指标 1 化学耗氧量 COD 指利用化学氧化剂氧化有机物所需的氧量 化学氧化剂一般用重铬酸钾或高锰酸钾 前者较常用 2 生物需氧量 BOD 指用微生物氧化水中有机物所消耗的氧量 氧化分为把有机物转化成CO2 水和氨 以及把氨转化成亚硝酸根和硝酸根两个阶段 测定方法一般有BOD5和BOD21两种 前者较常用 为了更好理解水处理工艺 本节介绍几种主要化合物 一 碳酸化合物其在水中的形态主要是CO2 HCO3 和CO32 H2CO3含量不足1 分析时可略去 其相对含量与pH值有关 pH值 4 3时 只有游离的CO2 可利用吹脱原理除去 pH值 12时 主要是CO32 它会与水中的Ca2 生成CaCO3 饱和后沉积成垢 但此时游离态的CO2含量很低 从而避免了其对金属的腐蚀 故炉水常保持碱性环境 大多数天然水的pH值为6 0 8 0 主要是HCO3 和游离态的CO2 第三节天然水中的主要化合物 二 硅酸化合物硅酸结构复杂 通式为xSiO2 yH2O 偏硅酸 x y 1 正硅酸 x 1 y 2 多硅酸 x 1 呈聚合态 聚合度增加 硅酸从溶解态变成胶态 甚至会呈凝胶状析出 SiO2的溶解度与pH值有关 pH值 9时 水中硅酸化合物几乎都呈分子态 溶解度恒定 当pH值较大时 硅酸根离子增多 而且还会出现多聚体 进而导致其溶解度增加 天然水中硅酸化合物来自于其流经的含有硅酸盐和偏硅酸盐的岩石 其在地下水中的含量相对多 硅酸的酸性很弱 电离度不大 不易用pH计或电导率检测 对于分子量较低的硅酸化合物可采用钼蓝比色法测定 称之为活性二氧化硅 活性硅 不能用比色法直接测得的称为非活性二氧化硅 非活性硅 水中硅酸盐较多时会在炉管或汽机内部沉积结垢 必须处理 三 铁的化合物水中的铁有Fe2 和Fe3 两种 深井水中的Fe2 含量较多 因其 O 和pH值低 Fe2 盐类溶解度大 水解度小 不易形成沉淀物 地表水中的Fe2 含量较少 因其 O 和pH值较高 Fe2 氧化成Fe3 后者易水解成Fe OH 3沉淀物或胶体 铁的化合物一般以胶溶态Fe OH 3的形式存在 在含有腐殖酸的沼泽水中 由于其pH值较低 Fe2 会与腐殖酸形成不易被氧化的络合物 所以其含量可能较多 炉水含铁 设备腐蚀也会导致 会引起炉内生成氧化铁铁垢 故应进行水处理 且注意防腐 盐的水解度 盐类的水解达到平衡时 已水解的盐的分子数与溶解在溶液中的盐的分子总数之比 四 氮的化合物天然水中的无机氮主要来源于动植物的有机氮和随工工业排水混入的NH4 随污水进入水源的有机氮 蛋白质 尿素等 在微生物作用下 会逐渐分解 此过程无氧存在时 最后的转化产物为氨 有氧时 氨会继续分解 并最终转化成亚硝酸盐或硝酸盐 因此 根据天然水中氮化物的相对含量可推测水被有机物污染的时间 NH4 含量较多 污染时间不长 NO3 含量较多 则污染时间较长 第四节天然水的特点及分类 一 天然水的特点 水的来源有关 1 地表水的特点具有悬浮物 江河水的随季节降雨变化 湖泊和海水的较少 但由于流动性差 日照条件好 藻类较多 含盐量较低的淡水 硬度和CO2含量较低 含盐量和硬度会随季节 降雨 变化 含氧量一般呈饱和状态 且易被污染 2 地下水的特点经过土壤和砂砾的过滤 悬浮物和菌类含量较低 溶解氧较少 游离态CO2较多 且含盐量和硬度较高 水温和水质比较稳定 不易被污染 二 天然水的分类 按着阴阳离子的相对含量 天然水又分为 碱性水 碱度大于硬度 其之差称为过剩碱度 也曾称之为负硬 非碱性水 硬度大于碱度 其中有非碳酸盐存在 第三章炉外处理 第一节水的混凝处理第二节水的澄清处理第三节水的过滤第三节过滤设备 水中含有悬浮体和胶体会导致堵塞 管道和设备表面擦伤和腐蚀 以及伤及后续工艺的正常进行 使蒸汽品质恶化 进而影响机组设备的安全性能和经济性能等 因此在电厂水处理工艺中 应首先从天然水中除去之 水中悬浮物比水重 水流很慢或静止时 可自行沉降 沉降速度决定于颗粒大小等性质 胶体颗粒直径太小 在水中分布均匀 无法直接依靠自行沉降或过滤去除 必须先使之凝聚 第一节水的混凝处理 不同粒径的悬浮物和胶体在静水中沉降1m所需的时间 1 胶体的结构由胶核 吸附层 固定层 和扩散层组成 胶核是不溶于水的多分子集合体 因表面吸附离子而带电 胶核外侧吸附有相反电荷的离子 反离子 其中与胶核表面离子紧密结合的部分即吸附层 吸附层以外的反离子受胶核的静电吸引较弱 比较活泼 分散到溶液深处 形成扩散层 一 水中胶体的稳定性 胶核及其外侧的吸附层称作胶粒 胶粒带电 当胶体在水溶液中移动时 扩散层中的部分反离子会滞留在水溶液中 形成一个脱层的界面 滑动界面 该界面形成的电位 电位 大小直接影响到胶体颗粒自身的凝聚性 此值越高 胶体颗粒之间的斥力越大 其自身凝聚的稳定性越高 2 胶体颗粒的主要特征1 丁达尔效应 能散射光线 对光观察 可见光束通过溶液 2 颗粒的总表面积大 具有吸附能力 这是范德华力 氢键力 静电作用力和化学键的综合作用结果 3 胶体结构特点和布朗运动使之在水中处于均匀分散状态 能长期稳定存在 而且胶体粒子表面有水化层 并吸附一些促使其稳定的物质 致使胶体粒子在水中不能自动相互聚集而沉降 要从中去除之 必须首先使其脱稳 为此需采用混凝处理 混凝处理就是向原水中投入混凝剂 俗称药品 如铝盐 铁盐 削弱胶体的带电稳定性 促进细小的悬浮物和胶体互相粘结生成易于沉淀的粗大絮状物 矾花 然后再澄清和过滤除去 混凝处理包括胶体脱稳和絮凝两个阶段 如将硫酸铝投入水中 则其会电解生成氢氧化铝 后者溶解度很小 当pH值合适时 会从水中析出形成胶体 此胶体与水中原有胶体的电荷极性相反 通过中和 吸附架桥和网捕等作用 两种胶体结合形成矾花 然后再沉淀去除之 二 混凝处理 中和 静电中和 降低胶体的 电位 使之脱稳 继而通过碰撞 粘接促使凝聚 吸附架桥 新生胶体吸附原有胶体 继而起架桥作用 促使凝聚 此作用在原胶体未完全脱稳时亦可发生 网捕 矾花下沉时卷扫水中胶体和悬浮颗粒 使之一起下沉 这三种机制一般同时起作用 但可能有所侧重 当pH值偏低 胶体颗粒浓度小 加药量不足时 以前两种为主 反之 以后两种为主 在pH值 胶体颗粒浓度和加药量均适中时 吸附架桥可能起主要作用 对于实际情况 应具体问题具体分析 混凝处理效果以生成絮凝体大小 沉降速度快慢 水中胶体和悬浮物残留量来评价 混凝过程复杂 影响因素很多 主要的有 水温 pH值 投药量 混凝剂与水的混合速度 原水水质和接触时间等 1 水温影响显著 与混凝剂种类有关 水温高 水粘度小 颗粒迁移能力强 利于混凝和絮凝体下沉 反之 则胶体颗粒溶剂化作用增强 不利于混凝和下沉 此时 可增加混凝剂量 投加高分子絮凝剂 或改用其他混凝剂 铝盐的适宜水温为25 30 铁盐可放宽 三 影响混凝的因素 2 pH值絮凝反应的产物是两性氢氧化物 pH值低时 它无法形成 pH值高时 又会形成含氧酸盐溶解 因此混凝需要一合适的pH值范围 混凝剂两性越弱 其pH值适应范围越宽 铁盐的为6 0 8 4 铝盐的为6 0 7 5 3 加药量药量不足 不能较好脱稳 残余浊度大 药量超过合适范围 则会导致胶体电性变号 产生再稳 残余浊度重新增加 药量再增加 生成大量氢氧化物沉淀 在吸附和网捕作用下 再次凝聚 混凝剂剂量一般由实验而定 一般为0 3 0 7mol L 聚合氯化物可为0 25 0 35mol L pH值影响的机理 4 混凝剂与水混合时的搅拌速度最好由快转慢 先快 为使混凝剂在水中快速均布 使其水解产生的胶体迅速与水中原有胶体发生作用 当凝絮形成和长大时 搅拌速度应放慢 以避免阻碍破坏凝絮的形成长大 5 原水水质原水浊度太小时 也应增加混凝剂用量 因为水中胶体颗粒即使脱稳 但碰撞机会少 仍不能凝集 水中有适量的HCO3 SO42 Cl 等阴离子对混凝有利 水中有机物含量高 不利于混凝 因为它们会吸附在胶体表面 阻碍胶体凝聚 此时可采用加氯或臭氧破坏之 6 接触介质水中的泥渣层 一般是前期混凝处理过程生成的新鲜絮状物 能起到吸附 催化以及作为结晶核和过滤作用 对混凝有利 是故 澄清设备中都设计有泥渣层 据不完全统计 用于水处理方面的混凝剂有60多种 其中无机混凝剂近20种 有机混凝剂40余种 后者可分为阳离子型 如明胶 阴离子型 如海藻酸钠 和非离子型 如骨胶 常用混凝剂有铁盐和铝盐两大类 1 硫酸铝类化合物包括硫酸铝 粗制和精制 硫酸铝钾 钾明矾 和硫酸铝铵 铵明矾 历史长 效果好 但要求的最佳pH值与处理对象有关 去除有机物 应使水的pH值为4 0 7 0 去除悬浮物 水的pH值为5 7 7 8 处理浊度高 色度低的水时 水的pH值应为6 0 7 8 四 混凝剂 2 聚合氯化铝 碱式氯化铝 PAC 一类无机高分子混凝剂 可看成AlCl3水解成Al OH 3过程的中间产物 相对硫酸铝 其优点在于 加药量少 只有硫酸铝的1 3左右 因为含Al2O3多 混凝效果好 絮凝快 絮状物致密 易沉降 设备体积减少 能适应低温 低浊水 也能适应高浊度水 腐蚀性小 加药设备简单 市面上有固 液两种 其质量指标有三点 Al2O3含量越高越好 碱化度B指聚合氯化铝中氢氧根所占的比例 50 80 为宜 太小 碱化不够 太大 接近Al OH 3 稳定性差 易沉淀 聚合度 无机分子的聚合程度 用分子量表示 在数千为宜 3 硫酸亚铁 绿矾 绿色半透明晶体 易溶于水 水溶液呈酸性 因部分Fe2 Fe3 其在空气中带有棕色 其在水中的混凝反应为 FeSO4 2H2O Fe OH 2 H2SO44Fe OH 2 2H2O O2 4Fe OH 3 为使Fe2 Fe3 必须使水的pH值在8 5以上 以便利用水中溶解的氧 加速氧化过程 天然水的pH值一般只有7 8 为此多与石灰处理联合使用 也可向水中投加氯气和漂白粉的办法来氧化的Fe2 此时就无需提高水的pH值了 4 三绿化铁 FeCl3 6H2O 其市面上有三种 无水 结晶和液体 吸水性强 易溶于水 其腐蚀性很强 对设备防腐要求较高 在水中的混凝反应为 FeCl3 3H2O Fe OH 3 3HCl与其它铁盐混凝剂类似 形成的Fe OH 3絮状物致密 易沉降 对低温 低浊水的混凝效果比铝盐好 适应的pH值范围广 5 聚合硫酸铁硫酸铁 适量硫酸 某氧化剂 聚合而成的无机高分子混凝剂 粘稠状液体 除具有铁盐混凝剂的优点外 对有机成分去除率较高 助凝剂是增强混凝效果的辅助药剂 与混凝剂没有绝对区别 有人统称之为絮凝剂 作用 可改善絮体结构 促进疏松絮粒密实 加速沉降 提高混凝效果 机理在于 电离后的中和凝聚 高分子链状结构的吸附架桥 凝絮 一些天然聚合物 明胶 骨胶和海藻酸钠等 曾被用作助凝剂 现在人工合成了许多有机高分子絮凝剂 特别是作为助凝剂与无机混凝剂联合使用 获得了良好效果 已用过的助凝剂有近40种 如pH值调节剂石灰 将Fe2 氧化为Fe3 的C12和O2等 澄清池启动投运 或原水浊度较低时投加的黄泥 其能促使泥渣层快速形成 增加絮凝晶核 提高混凝效果 也可算是一种助凝剂 常用的助凝剂有水玻璃 泡花碱 C12 漂白粉 聚丙烯酰胺 三号絮凝剂 等 见pp 17 五 助凝剂 即向水中加CaO 粉末 或Ca OH 2 以和水中的碳酸氢盐反应 产生沉淀 消除或降低其暂时硬度 不能消除永久硬度 因只发生硬度离子交换 石灰处理还可除去部分铁和硅的化合物 适用于碱度高的水 并作为离子交换前的预处理 可延长离子交换剂的工作时间 水中有机物 粘土和硅酸胶体等会阻碍沉淀生成 降低结晶速度 故必须同时进行混凝处理 以提高石灰处理效果 应将水加热至约40 不能过高 否则对离子交换不利 以使水中残留碳酸盐硬度降至更低 如只减少Ca HCO3 2 出水的 HCO3 应为0 05 0 2mmol L pH值约为9 5 当需有Mg OH 2沉淀和去除SiO2时 出水中的 OH 范围与上相同 pH值约为9 6 10 4 六 石灰处理 澄清 使原水中的浊质与水分离的过程 悬浮体 包括混凝后生成的 在水中的沉降分为自由沉降和拥挤沉降 一 悬浮物的沉降1 自由沉降悬浮颗粒在静水中独立下沉 无聚合和形变 不受器壁和周围环境的影响 只受自身重力和水的阻力作用 对于Stokes区域 Re 1 自由沉降的沉降速度随着颗粒密度和粒径的增加 流体粘性的减小 T 而增大 悬浮颗粒在流动水中的沉降可看作垂直方向的自由沉降和随水流的水平运动的合成 此时的下沉轨迹是一条斜线 第二节水的澄清处理 2 拥挤沉降若水中悬浮物浓度较高 包括混凝过程中的产物 颗粒间的碰撞 聚合等作用将使下沉和絮凝同时进行 此即为拥挤沉降 拥挤沉降过程中 伴随着水从下而上的移位 这会增加下沉阻力 因此其沉降速度相对较小 颗粒群体浓度越大 这种影响越显著 拥挤沉降过程中会出现一个浑水和清水的交界面 沉淀过程就是交界面下沉过程 此面以下的悬浮体浓度可视作均匀分布 澄清池是利用拥挤沉降去除水中颗粒的设备 其作用是 1 利用活性泥浆的混凝功效 2 反应池和沉淀池装在一个设备内 充分发挥混凝剂作用 提高单位容积的产水能力 澄清池分为泥渣循环性和泥渣悬浮性两类 前者较常用 如机械搅拌加速澄清池和水力循环澄清池 后者如脉冲澄清池 处理效率高且效果稳定 单位面积产水量大 适应性强 1 结构 1 2 进水管和进水槽 3 4 第一 二反应室 5 6 7 8 导流室 分离室 清水室和泥渣浓缩室 9 加药管 10 机械搅拌器 11 12 导流板和伞形板 二 泥渣循环型澄清池 2 工作流程原水 1 2 环形水槽 3 初步混凝 提升和搅拌 4 絮凝 长大 5 6 实现泥渣和水的分离 3 循环利用泥渣活性 或 7 清水收集和排出 或 8 泥渣浓缩排掉 涡轮提升能力可通过改变转速和开启度来调整 混凝剂在进水管 配水槽 水泵吸入管等处投加均可 应视效果而定 同时进行石灰处理时 石灰和混凝剂可分别在进水槽和第一反应室投加 进水槽上部的排气管可排除进水中的空气 水在分离室的上升流速为0 8 1 2mm s 在池中的总时间为1 1 5h 三 水力澄清池结构和工作流程 特点 靠水流动力实现泥渣循环 在进水管加药 混合室负压 吸入回流泥渣 喉管3高速水流实现水 药和泥渣充分混合 两个反应室截面渐扩利于絮凝长大 升降4 3 2 调整喷嘴和混合式喇叭口的间距 或更换口径不同的喷嘴 调整回流泥渣量 四 真空式脉冲澄清池 利用抽真空和破坏真空 形成脉冲水流 导致池内泥渣层周期性的上升和下沉 胀缩 实现对原水的澄清 五 沉淀池沉淀池是利用重力使水中悬浮物沉淀去除的一种构筑物 多应用在废水处理中 按池内水流方向 其可分为平流式 竖流式和辐流式三种 每种型式各有特点 平流式 水流从一端水平流向相对一端 特点 构造简单 沉淀效果好 性能稳定 使用广泛 但占地面积较大 竖流式和辐流式 废水均自池中心入池 前者水流沿池的整个断面缓慢上升 占地面积小 但深度大 池底为锥形 施工较困难 后者沿径向向池周缓慢流动 正在研究试验的还有周边进水沉淀池 回转配水沉淀池以及中途排水沉淀池等 斜板或斜管沉淀池 较为新型 利用哈真 Hazen 浅池理论 在池中加设一系列斜板或斜管把水流分成若干薄层 进而增加沉淀池面积 缩短沉淀时间 提高沉淀效率 3 5倍 或减小沉淀池体积 为了创造理想沉降条件 Re数一般控制在200左右 层流 弗劳德 Froude 数可达10 3 10 4 但有斜板 斜管易结垢 长生物膜 产生浮渣 维修工作量大 寿命短等缺点 哈真浅池理论 在理想情况下 L H V u0 其中L和H分别为水流距离和沉降距离 V为水的水平流速 可见 L与V值不变时 H越小 可被去除的颗粒越小 u0约与dp2成正比 去除效率越高 在u0 或dp 不变时 若分n层沉降 H缩为1 n 则处理能力增大为n倍或需要的沉降池体积缩小为1 n 弗劳德数Fr是反应惯性力与重力之比的准则数 u0 沉降 悬浮 速度 L 定性尺寸 澄清后的水还残留一些细小的悬浮物 必须经过过滤除去 以满足后续处理 反渗透 离子交换除盐 时的水质要求 一 过滤过程与原理将水自上而下通过装有粒状填料 滤料 的设备 其中细小悬浮物被滤料吸附截留的过程 滤料分层排布 小颗粒的在上 由于上层砂砾排列致密 使悬浮物易于被其表面吸附 重叠和架桥 形成滤膜 滤膜而后起主要过滤作用 称为薄膜过滤 水进入滤层内部后 悬浮物在深层滤料的复杂空隙通道内更容易发生碰撞 从而被吸附截留 称之为渗透过滤或深层过滤 失效滤料可以通过自下而上的反洗而再生 第三节水的过滤 二 过滤中的压力损失测定出水浊度和水通过滤层的压降均可知滤池运行效果 出水浊度变化规律性不强 不能及时反映滤层的污染程度 后者因变化明显 测量方便而成为反映滤池运行效果的实际指标 水流经滤层的压降与滤料污染程度和滤池的出力有关 二者的增加都会导致其值增大 在压降一定时 出力会随着滤料污染程度的增加而下降 若保持滤池的出力不变 随着滤料的污染加重 进水压力 压降 必须增大 压降过大 可能造成滤层局部破裂 过滤作用破坏 出水水质恶化 滤料污染加重 反洗时不易洗净 滤料结块等 实际运行中 压降应比导致滤层破裂的临界值低很多 三 滤料工艺要求 粒度 机械强度和化学稳定性等 常用滤料有石英砂 无烟煤和大理石等 1 粒度常用粒径和不均匀系数两个指标表示 在105 烘干 筛分 称重 作筛分曲线而得 1 粒径 平均粒径d50和有效粒径d10 下标指通过筛孔的质量百分比 后者反映滤料中较细颗粒的尺寸 粒径过大 滤层孔隙大 出水水质不好 且反洗强度要求较高 影响反洗效果 进而可能造成其它不良影响 粒径过小 滤层通流阻力加大 水头损失上升过快 2 不均匀系数 K80 d80 d10 滤料不均匀 反洗不易控制 且影响反洗效果 甚或加剧反洗后颗粒的上小下大分布 使水头损失上升 过滤周期缩短 2 机械强度反洗时滤料处于流化状态 颗粒间碰撞和摩擦 易造成颗粒的磨损或破碎 磨损率和破碎率是常用的两个指标 其估算方法为 取100g样品 筛分出0 5mm 1mm的部分 放入装有150mL水的容器内 置于实验室震荡24h 再用0 5mm和0 25mm的筛子进行筛分 通过0 25mm筛子的部分占总量的质量百分比为磨损率 介于0 5 0 25mm之间的部分占总量的质量百分比为破碎率 有的国家规定 前者不得大于0 5 后者不得大于4 3 化学稳定性水与滤料化学反应会造成水质恶化 如pH 9的水会使石英砂溶解 造成水中SiO2增加 化学稳定性验证 一定条件下 用中性 0 5mg L的NaCl pH 6 7 酸性 盐酸溶液 2 1 和碱性 NaOH溶液 11 8 的水浸泡已预处理 洗涤和60 干燥 的滤料24h 若溶解固形物 耗氧和硅酸的增加量均不超过10mg L 则可被接受 一般情况下 中性和酸性水可用石英砂做滤料 碱性水则宜用无烟煤或半烧白云石 不能用石英砂 4 颗粒形状常用滤料非球形 其形状和表面积会多少影响通流阻力和过滤效果 球状度和形状因子是两个常用概念 它们互为倒数 前者为等体积的球和颗粒之间的表面积之比 其值小于等于1 5 滤层孔隙率孔隙率为孔隙与总体积之比 与颗粒形状 排布和均匀程度等有关 不规则滤料的孔隙率一般大于球形颗粒的 孔隙率 一般通过实验测定 计算公式为 四 运行的主要参数滤速 过滤周期和截污能力等 1 滤速即空塔流速 2 过滤周期两次反洗之间的实际运行时间 3 滤层的截污能力又称泥渣容量 指单位面积的滤面或单位体积的滤料能去除悬浮物的质量 kg m2或kg m3 一般 滤料粒径越大 截污能力越大 截污能力也与过滤水之前经过的处理方式有关 五 影响过滤过程的主要因素1 滤速一般10 12h m 小 投资和设备尺寸 大 水质 压降 过滤周期缩短 2 反洗目的 恢复滤料的过滤能力 反洗水流自下而上 滤层膨胀 导致高度增加一定比例 此即滤层膨胀率 它可直观反映反洗强度 一般取20 50 反洗强度 单位滤池面积的通流量 L m2 s 和反洗时间 一般取5 6min 直接影响着反洗效果 滤层中污泥清洗不净 可能导致滤料结块 破坏滤池正常工作 反洗强度与滤料粗细 轻重和水温等因素有关 石英砂和无烟煤 较轻 的反洗强度通常分别为15 18 10 12L m2 s 一般在反洗5 10个周期后 通入压缩空气擦洗 以提高清洗效果 擦洗时 一般池中水位在滤层上面200mm处 擦洗强度为10 20L m2 s 时间取3 5min 3 水流均匀性过滤和反洗时 都要求水流尽可能均匀 进水管上的挡板保证进水的均匀性 配水系统 或称排水系统 反洗时用于进水 对水流均匀性影响最大 其分为小阻力 中阻力和大阻力三类 小阻力配水系统 水头损失3m 系统孔隙面积小 阻力较大 阻力分布中滤层和管道所占比例较小 故只要配水系统孔隙分布合理 即可基本保证水流均匀 故稳定性较好 中阻力配水系统的阻力和性能介于上述两者之间 重力式滤池通常选择小阻力配水系统 要求其配水不均匀性不大于5 4 滤池滤料的结块原因 反洗不彻底 原水水质变化等造成滤料中积累了污泥 油泥或微生物及其排泄物 并与之粘结成块 消除方法 1 加强反洗 强度 时间 压缩空气擦洗 针对轻度结块 2 卸出滤料人工清洗 3 碱洗 针对油泥结块 把NaOH或Na2CO3溶液注入滤池静泡或进行循环冲洗 4 酸洗 针对滤料上的重金属沉淀 一般使用盐酸 注意设备防腐 加缓冲剂 和滤料对盐酸的稳定性 5 氯清洗 针对微生物和有机物生长而致的结块 投加漂白粉和次氯酸钠 使水中活性氯达到40 50mg L 通过滤层 待排水中有氯臭味时 停止排水并静泡1 2d 杀死有关微生物后 再反洗 为提高清洗效果 上述方法可几种结合使用 5 单层滤料和多层滤料单层 一种滤料 多层 多种滤料 分层聚集 单层 反洗后颗粒分布上小下大 过滤主要依赖滤料表面形成的一层滤膜 滤膜会加大阻力 同时下部滤层的过滤功能没得到充分发挥 因此运行周期短 截污能力差 双层 上层滤料密度小 颗粒大 下层的恰好相反 如无烟煤在上 石英砂在下 粒径上大下小分布 破坏了滤层表面滤膜的形成 下层滤料的截污能力得以发挥 因而压降增加慢 截污能力强 运行周期长 滤速可适当提高 双层滤料间分层不好 则不利于过滤 但混杂无法避免 一般认为混杂厚度为5 10cm是可以的 关键是其粒度和密度 材料 的选择 实际应用中 双层滤料的粒度和反洗强度可实验确定 后者一般为13 15L m2 s 多层滤料道理类似 考虑到反洗效果和滤料结块问题 其运行终点时的水头损失一般应在30kPa左右 不宜过大 第四节过滤设备 过滤器 过滤设备虽有多种 但组成大致相同 都有滤层 进排水装置 配水装置 反冲洗设备及必要的管道 阀门等 一 普通过滤器简单 单路进出水 圆形钢制容器 运行流速8 10m h 进水装置 有向上布置的漏斗或环形布置的水管 以使进水均匀 滤层与其之间有一充满水的空间 水垫层 可缓冲进水 使滤料反洗时有膨胀空间 配水装置 有水帽式 小阻力 或支母管式 大阻力 等 均匀分布反洗水 运行 反洗和正洗三步周期运行 反洗前应先用压缩空气搅拌擦洗 以提高清污效果 正洗是为了清除滤料内的残余污物 水流也是自上而下 二 双流式过滤器进水分上下两路 分别利用薄膜过滤和