第2章 电厂用水

第2章电厂用水2.1水的性质2.2水中的杂质2.3水质指标2.4水质指标间的相互关系及计算2.5水在火力发电厂的重要作用2.6火力发电锅炉的水汽质量标准及说明单分子水由原子量计算得分子量为18，但实验测得气态水的分子量为18.64，液态水的分子量还大，这就说明有聚合态水存在。通常把这种由简单分子结合成复杂分子的集合体，而不改变单个分子的化学性质的作用，称为分子的缔合：n(H2O)=(H2O)n（n=1、2、3……）H104.50HHHHHHH2.1水的性质1.水的组成及结构1.1冰的结构示意图2.水的物理性质水的蒸气压(100℃时为101.325kPa)温度升高水的蒸气压升高。PV=nRT水的密度(4℃1.0×103kg/m3)其它温度下水的密度均小于此值。水的比热(14.5℃至15.5℃时为4.18kJ/kg.K)高于此温度水的比热变小，低于此温度变大水的介电常数81（25℃）温度升高水的介电常数减小水的的表面张力(20℃时为72.8×10-3N/m2)温度升高水的表面张力减小3.高温（300℃以上）炉水的性质高温炉水温度升高至接近临界点时：蒸气压直线上升水的密度直线下降水蒸汽的密度直线上升水的比热直线下降水蒸汽的比热直线上升水的介电常数直线下降水蒸汽的介电常数直线上升水的表面张力直线下降至零水的临界点：374.15℃，22.1MPa性质温度临界温度水的密度水蒸汽的密度300℃4.超临界水的性质水的超临界状态:当水的温度和压力分别高于临界温度和临界压力时的状态。在超临界状态下水表现出与常温下不同的理化性质，表2.1.1普通水与超临界水性质的比较水的状态普通水临界水超临界水过热蒸汽温度/℃25℃374.15℃450℃450℃压力/MPa0.122.12713.6介电常数815.41.81.0氧溶解度/(mg·L－1)8完全互溶完全互溶完全互溶密度/(mg·m－3)0.998－0.1284.19×10－3粘度/cp0.890－0.02982.65×10－5有效扩散系数(cm2·s－1)7.74×10－6－7.67×10－41.79×10－32.2水中的杂质悬浮物：悬浮物是构成水中混浊度的主要因素，一般粒径在100nm以上胶体物质：是由许多分子或离子组成的集合体，其颗粒直径一般为1nm~100nm之间。溶解物质：天然水中溶解物质大都以离子或溶解气体的形式存在。溶解离子：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3－、CI－、SO42－等。溶解气体：主要有O2、CO2等。根据电厂用水所含杂质不同将水分为：原水：原水就是锅炉的水源水。通常包括地表水和地下水。给水：直接进入锅炉供锅炉蒸发或加热的水称为锅炉给水。补给水：生水经过各种水处理工艺处理后补充锅炉汽水损失的水称为补给水。生产回水或凝结水：蒸汽的热能被利用后，所回收的冷凝水通常称为生产回水或凝结水。炉水：锅炉体内加热或蒸发系统中流动着的水称为炉水或称锅水。排污水：由于炉水经相当长时间循环运行，水中的微量杂质被浓缩，为保证炉水的质量，必须排污，这就是排污水。冷却水：用作冷却介质的水称为冷却水。2.3水质指标与水质技术指标•锅炉用水中水质指标的表达方式通常有两种：•一种是表示水中所含有的离子或分子来表示，如钠离子、氯离子、磷酸根离子、溶解氧等等,一般称为水质指标。•另一种则并不代表某种单纯的物质，而是表示某些化合物的组合`或表征某种特性。•如硬度、碱度、溶解固形物、电导率等，这种指标是由于技术上的需要而拟定的。故称为技术指标。在实际中有时不加区分。2.水质技术指标1）悬浮物和浊度，悬浮物是指经过滤后分离出来的不溶于水的固体混合物，可以通过重量法测定，由于方法很麻烦，在实际中常采用测浊度的方法来衡量悬浮物和胶体物质的含量。浊度的单位通常用“福马肼”（FTU）表示。浊度的测定:通过比较被测水样透过光和标准参比悬浊液透过光的强度而得到.标准参比悬浊液(称为福马肼)是硫酸联胺溶液和六次甲基四胺组成.硫酸联胺溶液:1.000g硫酸联胺加少量无浊水温热使之溶解冷却到室温后移入100mL容量瓶中.用无浊水稀释至刻度.六次甲基四胺溶液:10.00g六次甲基四胺加少量无浊水溶解移入100mL容量瓶中用无浊水稀释至刻度.福马肼浊度贮备液:用移液管分别吸取5mL硫酸联胺溶液和六次甲基四胺溶液于100mL容量瓶中充分摇匀室温下保24h后用无浊水稀释至刻度.此溶液的浊度为400FTU.福马肼浊度标准液(100FTU):取贮备液25mL于100mL容量瓶中,用无浊水稀释至刻度.用此法可获得一系列不同浊度的标准溶液,测出标准溶液的浊度绘制浊度与吸光度的关系曲线.浊度的单位1.FTU单位表示的浊度所用仪器是普通的分光光度计的原理，所用的标准浊度溶液是福马肼溶液。2.NTU是用透射仪测定的浊度单位，所用的标准浊度溶液也是福马肼溶液。3.JTU是用硅藻土作标准浊度溶液的，所用仪器同FTU。这三种浊度单位表示的浊度对于同一种有浊度的溶液来说差别不大。3）硬度及其单位。硬度：水中所有高价金属离子的总和都称硬度（YD）。常用的硬度的定义式为：YD（1/2Ca2++1/2Mg2+）硬度的单位：通常以碳酸钙或氧化钙或德国度表示。①量浓度，mol/L.C(1/2CaCO3)=C(1/2CaO)=C(1/2Ca2+)mol/L②德国度，（oG）。1oG=10mg/LCaO，由于1/2CaO的摩尔质量为28g/mol1oG=10mg/L÷28g/mol=1/2.8(mmol/L)，1mmol/L（1/2CaO）=2.8oG③ppm（mg/L），1mg/LCaCO3称为1ppm硬度。由于1/2CaCO3的摩尔质量为50g/L，1mmol/L的（1/2CaCO3）硬度就相当于50mg/L即50ppm硬度。例2.1某水分析结果为：Ca2+的浓度为60.0mg/L;Mg2+的浓度为24.3mg/L,试用各种方法表示总硬度。解：1/2Ca2+和1/2Mg2+的摩尔质量分别为20g/mol和12.15g/mol。YD=（60/20+24.3/12.15）mmol/L=5.0mmol/LYD=5.0mmol/L×2.8oG/mmol/L=14oGYD=5.0mmol/L×50ppm/mmol/L=250ppm4）碱度和酸度碱度表示水中能接受氢离子的一类物质的量，在水中碱度主要是OH－、1/2CO32－、HCO3－。天然水中的碱度主要是HCO3－。酸度表示水中能接受氢氧根离子的一类物质的量，在水中酸度主要有各种酸类及强酸弱碱盐，天然水中的酸度主要是H2CO3。阳床出水的酸度主要是强酸HCI、H2SO4。及碳酸H2CO3。碱度和酸度可用酸碱滴定法测定。5）有机物与化学耗氧量：表示水中有机物及还原性物质含量的一项指标。COD的测定就是利用有机物可氧化这一特性，在一定的条件下，用一定的强氧化剂与水中各种有机物及亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物等作用，然后将所消耗的氧化剂的量，计算折合成氧的质量浓度，称为化学耗氧量，单位以mg/L来表示。一般说COD越高，水中有机物污染越严重。不同测定方法测得的结果会有所不同。因此表示有机物含量时应注明测定方法。一般情况下，有机物含量较低时采用高锰酸钾法，而有机物含量高时采用重铬酸钾法。同一水样，用重铬酸法测定比用高锰酸钾测定结果要高一些。1.碱度与硬度2.4水质指标间的关系①硬度大于碱度：这种水称为非碱性水，钙、镁离子将首先与HCO3－形成碳酸盐硬度（YDT），剩余硬度离子即钙镁离子与SO42－、CI－等其它阴离子形成非碳酸盐硬度（YDF）。②硬度等于碱度：在这种水中，钙、镁离子全部与HCO3－形成碳酸盐硬度。既没有非碳酸盐硬度也没有剩余碱度。③硬度小于碱度：在这种碱性水中，硬度将全部形成碳酸盐硬度，剩余的碱度则与Na+、K+形成钠碱度（JDNa）称为负硬度，此时无非碳酸盐硬度。[例2.4.1]某井水的水质分析结果总硬度为YD=2.6mmol/L;总碱度为JD=1.2mmol/L;而某河水的分析结果总硬度为YD=3.8mmol/L;总碱度为JD=4.1mmol/L。问此河水与井水中碳酸盐硬度、非碳酸盐硬度和负硬度分别为多少？解：①井水中硬度大于碱度，所以：碳酸盐硬度（YDT）=碱度=1.2mmol/L非碳酸盐硬度（YDF）=YD－JD=2.6mmol/L－1.2mmol/L=1.4mmol/L负硬度为0mmol/L,此时的水通常称为非碱性水。②河水中硬度小于碱度碳酸盐硬度（YDT）=硬度=3.8mmol/L非碳酸盐硬度（YDF）=0mmol/L负硬度（JDNa）=JD－YD=(4.1－3.8)mmol/L=0.30mmol/L此时的水通常称为碱性水。2.碱度与碱度离子碱度（JD）：碱度是表示水中能接受氢离子的一类物质的量。根据酸碱滴定法测定水中的碱度，这时所用的标准溶液是HCI或H2SO4溶液，酸与各种碱度离子的三个反应是：OH－+H+=H2OCO32－+H+=HCO3－HCO3－+H+=H2O+CO2根据所加指示剂不同，碱度又可分为甲基橙碱度(JD甲)和酚酞碱度(JD酚)。加酚酞指示剂时只能完成上述两个反应；加甲基橙指示剂时三个反应全部完成。称(JD甲)为全碱度。在实际的滴定分析中往往是先加酚酞指示剂，滴至终点pH约为8.2，再加甲基橙指示剂继续滴至终点pH值为4.2。此时的总碱度应为(JD全)=(JD)酚+(JD)甲。3.离子碱度可能存在的5种不同情况假设滴定中消耗的酸量分别用a（酚）、b（甲）（单位：mL)1.ab碱度离子为CO3－和OH－，没有HCO3－；2.ab碱度离子为CO3－和HCO3－，没有OH－；3.a=b碱度离子只有CO3－；没有HCO3－，OH－；4.a=0,b0碱度离子只有HCO3－；没有CO32－，OH－；5.b=0,a0碱度离子只有OH－。锅炉用水中碱度主要由OH－、CO32－、HCO3－及其它少量的弱酸盐类组成。碱度的计量单位为mmol/L，其基本单元为：OH－、1/2CO32－、HCO3－炉水中基本上不存在HCO3－，因为在高温高压下HCO3－→CO32－+H2O+CO2↑CO32－+H2O→2OH－+CO2↑当氢氧根和碳酸氢根共存时，相互作用发生以下反应：HCO3－+OH－→CO32－+H2O所以炉水中的碱度主要是CO32－、OH－。生水中的碱度主要是HCO3－。[例2.4.2]某锅炉炉水的水质分析结果如下：酚酞碱度=11.8mmol/L,总碱度=15.3mmol/L,溶解固形物=3200mg/L;求该炉水中：碱度中的碳酸氢根、氢氧根、碳酸根的含量，并以质量浓度表示。解：JD甲=JD总－JD酚=(15.3－11.8)mmol/L=3.50mmol/LJD甲JD酚，HCO3－=0mg/LOH－=JD酚－JD甲=(11.8－3.50)×17mg/mmoL=141mg/LCO32－=2JD甲=2×3.5×30mg/mmoL=210mg/LHCO3－+OH－→CO32－+H2O所以炉水中的碱度主要是CO32－、OH－。pH值是表征溶液酸碱性的指标，pH值越大，OH－浓度越高。而碱度中，除了OH－含量外，还包含了CO32－和HCO3－含量。所以，它们之间既有区别又有联系。其联系是：在一般情况下，pH值会随着碱度的提高而增大，但这还取决于OH－碱度占总碱度的比例；区别是：pH值大小只取决于OH－与H+的相对含量，而碱度大小则反映了组成碱度的各离子的总含量。因此，对于pH值合格的锅炉用水，有时碱度不一定合格；反之，碱度合格的水，pH值也不一定合格。4.碱度与pH值[例2.4.3]分别计算0.1mol/LNaOH、0.1mol/LNH3·H2O、0.1mol/LNaHCO3三种碱度相同的溶液的pH值。解：①0.1mol/LNaOH溶液的pH值，由于强电解质全部电离，所以[H+]=10－14/0.1=10－13mol/LpH=－log[H+]=－log10－13=13②0.1mol/LNH3·H2O溶液的pH值，由于弱电解质部分电离，25℃时，电离平衡常数为K=1.75×10－5。NH3·H