化学专业讲义

化学专业讲义一般来说，火力发电厂的化学工作，主要包括以下内容：⑴炉外水处理，即净水站的澄清、过滤处理及化水车间的除盐处理；⑵炉内水处理，即对给水、炉水进行加药、除氧、排污等处理；⑶凝结水精处理；⑷水汽取样与监督；⑸冷却水处理，一般指循环水的防垢、杀菌处理；⑹制氢；⑺热力设备的化学清洗及机组停运期间的保养；⑻废水处理，包括工业废水、生活污水等；⑼水、煤、油的质量监督。由于我厂一、二期工程化学淡水水源基本一致，机组参数相同，都是亚临界，所以化学水处理的状况也基本相同。下面结合一、二期化学系统的情况，简单介绍一下化学专业的一些基本知识。一概述c.我们先看一份我厂采用的水质全分析报告单，见附件。常见的水质技术指标：①悬浮物，②胶体，③溶解盐类，④硬度，⑤有机物和耗氧量下表为水中杂质的分类及常用的处理方法：粒径10-710-610-510-410-310-210-1110mm分类真溶液胶体悬浮物特征透明光照下浑浊浑浊肉眼可见常用处理法离子交换反渗透超滤精密过滤自然沉降、过滤混凝、澄清、过滤附件：水质全分析报告序号项目单位1991年平均1997年平均2001年平均水样名称黄姑塘黄姑塘广陈塘外观淡黄色浑淡黄色浑淡黄色浑PH值7.217.377.42浊度mg/L30.625.432.25电导率μs/cm450803.58649全固形物mg/L309.38470.88368.8溶解固形物mg/L263.29432.58331.6悬浮物mg/L46.0238.437.2灼烧减量mg/L118全硅mg/L8.710.058.04溶硅6.05.90胶硅2.72.15二氧化碳mg/L11.5未测耗氧量mgO2/L9.458.748.44全碱度mmol/L1.942.832.43全硬度mmol/L2.491.781.45铁铝氧化物mg/L0.541.444.7钾+钠离子mg/L39.0887.7861.475钙离子mg/L30.1647.6440.96镁离子mg/L11.9115.0810.26铁离子mg/L0.310.300.31铝离子mg/L0.051.811.82碳酸氢根mg/L118173.6148.15氯根mg/L46.61116.4868.09硫酸根mg/L35.4356.8747.02硝酸根mg/L7.5314.927.71硅酸根mg/L7.777.46从上表中我们就可以看出原水处理的基本方法，下面结合我厂化学水处理的流程，讲述一下水处理的基本原理。二净水站部分净水站的流程为：加药（混凝剂、次氯酸钠）厂外淡水→浑水池→机械搅拌澄清池→滤池→化学、生活水工业水上述流程一、二期相同，不同的是滤池型式，一期为无阀滤池，二期为空气擦洗滤池。澄清池的作用就是混凝、澄清，由于细小的悬浮物，特别到达胶体状的颗粒，其在静止状态下的沉降速度极慢，如10-4mm的颗粒，沉降1米的时间需要2年。所以，我们加混凝剂，以加速沉降。常用的混凝剂有铝盐、铁盐，我厂用的是聚合铝{简称PAC，化学式为Aln(OH)mCl3n-m碱式氯化铝、或[Al2(OH)nCl6-n]m聚氯化铝}。混凝剂的作用机理也是比较复杂的，一般认为主要有⑴吸附作用：当氢氧化铝形成胶体时，会吸附水中原有的胶体杂质；⑵中和作用：天然水中的胶体大多带负电，混凝剂形成的胶体带正电；⑶表面接触作用；凝絮（矾花）一般在较大颗粒的悬浮物表面形成；⑷网捕作用：矾花主要是由于氢氧化物的胶体在聚沉过程中相互结成长链，起了桥架作用，组成了许多网眼，在下沉过程中，把悬浮物带走。影响混凝效果的因素有：水的pH值、混凝剂用量、水温、水和混凝剂的混合速度、水中的杂质、接触介质（泥渣）等。滤池的作用就是过滤，滤池的型式除了上面提到的外，反渗透系统的多介质过滤器属于压力式滤池。常用的滤料有石英砂、无烟煤、大理石、磁铁矿等。过滤的原理，一般认为有两种，一是机械筛分，二是接触凝聚。三、反渗透系统3.1先了解一下反渗透的概念：a)渗透现象：当把两种不同浓度的溶液分别置于半透膜（只允许溶剂(水)能过，而溶质不能透过的膜叫做半透膜）的两侧时，溶剂自动地从低浓度的一侧流向高浓度的一侧，这种自然现象叫做渗透。渗透是自发进行的，无需外界的推动力。b)反渗透：当在浓溶液上外加压力（该压力大于渗透压）时，浓溶液中的溶剂就会通过半透膜流向稀溶液的一侧，这种现象叫做反渗透。3.2二期工程化学补给水反渗透系统设计出力为2130t/h，工艺流程为：氧化剂凝聚剂助凝剂还原剂↓↓经凝聚、澄清、过滤后的清水→表面式加热器→多介质过滤器→活性炭过滤器→阻垢剂旁路----保安过滤器→升压泵→反渗透膜组件→预脱盐水箱→预脱盐水泵→至后续除盐系统对于电厂化学容量较大的反渗透系统，一般均选用涡卷式反渗透膜，采用一级两段排列，即高压水首先进入第一段反渗透膜组件，第一段膜组件出来的浓缩液进入第二段膜组件进行再处理，两段膜组件的渗透液汇集在一起进入下一级系统。系统的出水品质要求为：脱盐率≥95%，RO系统水的回收率~75%3.2.1反渗透膜的分类反渗透膜的种类很多，分类方法也很多。按膜材料的化学组成大致可分为：醋酸纤维素膜和芳香族聚酰胺膜（复合膜）。3.2.2反渗透给水要求及预处理反渗透膜对进水的水质要求比较高，一些难溶盐、金属氧化物、微粒、胶体、细菌、氧化性物质、有机物、胶体硅等等都能污染反渗透膜元件，从而缩短了膜的清洗周期和使用寿命。对给水进行预处理主要内容有：①颗料物质：不允许大于5um的颗粒物质进入高压泵及反渗透器，以免损坏膜。一般高压泵前安装5um微保安过滤器。在微过滤器前后安装压力表，当压差超过一定数值后，更换滤芯。通常情况下更换周期为1~3个月。②SDI（污染指数）和浊度：对于不同的原水水源，由于选用的膜通量不同，要求的SDI值也不一样，一般要求SDI小于5，尽量越小越好，浊度应小于0.2NTU（最大允许浊度为1NTU）。当SDI值和浊度较大时，一般在预处理中加多介质过滤器。③有机物：水中的有机物对反渗透膜的影响最为复杂，有些有机物的影响不大，而另一些则可能造成膜的有机物污染，一般来说，当水中TOC含量超过3mg/l时，即应考虑进行去除。对于地表水应尽量在凝聚澄清过程中去除有机物，还可采用活性炭过滤进一步降低有机物含量。④细菌：对于复合膜，细菌粘膜会造成膜的污堵，一般可采取加氯杀菌。⑤除氯：复合膜抗氯性差，一般不允许有余氯。采取加氯杀菌后，须加亚硫酸钠或经活性炭过滤消除余氯。活性炭被活性氯饱和失效后，应更换新的活性炭。⑥防垢：膜结垢是由于给水中的微溶盐在给水转变为浓水时超过了溶度积而沉淀到膜上的，所以必须防止CaCO3、CaSO4、SrSO4、BaSO4和CaF2结垢。防止的常用方法有：加阻垢或者降低系统回收率，避免超过溶度积。对于不同的水质，其它还需处理的杂质有铁、SiO2等，在这不再叙述。3.2.3反渗透膜的化学清洗与停用保护经过一段时期的运行后，由于浓差极化等原因，均可使得无机垢类、胶体微生物、金属氧化物等沉积在反渗透膜表面，这使得反渗透膜元件透水量下降，盐透过量增加，影响水处理系统的经济运行。根据结垢的种类不同，清洗药品也不同，常用的药品有：柠檬酸、三聚磷酸钠、EDTA溶液及十二烷基磺酯钠溶液等。在反渗透系统停运5天以上时，为防止细菌在膜上滋生，应进行停用保护。按停运时间的长短保护分为短期、长期两种，主要方法是冲洗、排气及加保护液等。四、除盐系统离子交换树脂是一种高分子化合物，其结构可分为高分子结构的骨架和活性基团。采用离子交换树脂进行除盐的化学式为：RH+Na+RNa+H+ROH+Cl-RCl+OH-树脂的物理性能有：外观、粒度、密度、含水率、溶胀性、耐磨性、耐热性等。化学性能有：反应的可逆性、酸碱性、树脂的选择性、交换容量等，其中树脂的选择性，阳离子为Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+NH+Na+H+阴离子为Cl-SO42-CO32-SiO32-CO32-与SiO32-的选择程序，决定了除二氧化碳器的必要性。除盐系统的流程，一期为阳床→脱碳器→弱碱阴床→强碱阴床→混床，二期则少掉了弱碱阴床，因为一期设计时没有反渗透，增加弱碱阴床是为了对付水质恶化时Cl-、COD的升高。除盐系统设备的出水监督标准为：阳床出水Na+100ug/L脱碳器出水游离二氧化碳5mg/L阴床出水DD5us/cmSiO2100ug/L混床出水DD0.2us/cmSiO220ug/L五、凝结水精处理系统凝结水精处理就是热力系统的除盐，以除去热力系统中的铜离子、铁离子、钠离子、硅酸根离子等，但除掉最多的恰是NH+离子（参见树脂对阳离子的选择次序），除非采用氨化运行的方式，但氨化运行的条件比较苛刻，比如：再生过程中树脂的输送、分离要非常彻底、再生剂的纯度要高、凝汽器的泄漏的影响等。我厂一、二期的凝结水精处理采用中压系统，混床设置为350%的处理容量，每两台机组共用一套的体外再生单元。主要的差别就是再生单元的树脂分离方法上，一期为三塔法（阳兼分离塔、阴塔、混合贮存塔，中间抽脂），二期为锥斗分离技术（阴兼分离塔、隔离罐、阳兼贮存塔）。锥体分离技术的特点是阴树脂再生兼分离塔采用锥斗的型式，在树脂分离输送过程中，利用阴、阳树脂电导率和颜色的突变，采用电导率表和光电检测仪两种方法同时检测树脂界面，保证混合树脂停留在隔离罐内，从而保证树脂分离率为：阳中阴≤0.4%、阴中阳≤0.07%。精处理混床进、出口设计水质内容项目单位典型启动正常运行要求进水值出水保证值要求进水值出水保证值二氧化硅SiO2μg/L≤500≤50≤20≤15钠Naμg/L≤50≤15≤5总铁Feμg/L≤1000≤100≤15≤5总铜Cuμg/L5-100≤20≤20≤2氯Clμg/L≤200≤10≤20≤1氢电导率（25℃）μs/cm≤0.3≤10≤0.1pH（25℃）8.8～9.28.8～9.26.5～7.5六、炉内加药与水汽取样6.1、炉内加药通常所说的炉内加药包括锅炉的给水、炉内水和闭式水处理。6.1.1给水加氨和联氨处理联氨：给水加联氨的目的是为了去除给水中的溶解氧。联氨是一种还原剂，特别在碱性溶液中，它的还原性很强，能与氧反应，反应式为：N2H4+O2N2+2H2O当水中温度200℃时，联氨能将金属的高价氧化物还原为低价氧化物，反应式为：6Fe2O3+N2H44Fe3O4+N2+2H2O4CuO+N2H42Cu2O+N2+2H2O所以联氨既有防腐作用，又能防止炉内结铁垢与铜垢。联氨与氧反应的速度与程度，与热力系统中的下列因素有关：⑴温度，当水温超过150℃时，反应速度很快（以秒计）；⑵在PH=9~11范围内，反映速度最快；⑶水中联氨过剩量越多，则反应越快越彻底，但过剩量太多，不仅多消耗药品，同时分解不完全的联氨将被带入蒸汽中，所以一般给水中联氨的加入量为10~50毫克/L，相应的过剩量为10~30毫克/L。联氨的水溶液呈弱碱性，在没有催化剂的情况下，分解速度取决于温度，在250℃时，分解速度高达每分钟10%，其分解反应为：3N2H4=N2+4NH3另外，联氨有挥发性、有毒、易燃烧，是可疑的致癌物质，工作中应注意防护。氨：加氨的目的是为了防止因系统中游离CO2的存在使得PH过低而引起酸性腐蚀。实验证明，碳钢在水的PH值为10~11的范围内，腐蚀速度最低，黄铜则为5.6~8，综合上述两个情况，亚临界机组给水PH一般控制在9.0~9.4。NH3和CO2都是挥发性物质，在热力系统流程中，由于它们在气液两相中分配系数不同，所以在热力系统各个部位中NH3和CO2的比值不一样，大致情况是：⑴在热力系统除氧中，被除去的NH3比CO2少，所以出水PH比进水高。⑵凝汽器中凝结水的PH值要比过热蒸汽高，因为抽汽器抽走的CO2比NH3多。⑶在加热器中，因疏水中NH3多，蒸汽中CO2多，所以疏水的PH值比进汽高，而汽相的PH值比进汽低。所以用NH3处理时，会出现某些部位NH3过多，另一些部位NH3过少的矛盾，因此不能将NH3处理作为解决给水含有游离CO2的唯一措施，而应首先尽可能降