第4章-锅外水处理

《工业锅炉水质处理》课件（4）（校编）第4章锅外水处理锅外水处理工艺后阶段处理分为软化和除盐两种工艺软化是将水中高价的金属离子（如Ca2＋、Mg2＋）去掉，让硬水变为软水。而除盐则是将水中所有金属阳离子和阴离子全部除去的工艺。通过采用离子交换，将水中各种阳离子交换成H＋，各种阴离子交换成OH－，然后中和成为水。锅外水处理系统包括预处理和后阶段处理两部分组成经沉淀和过滤处理除去水中悬浮物、胶体杂质和有机物的工艺过程称为水的预处理将预处理后的水进一步处理到满足补给水水质的要求，称为后阶段处理4.1离子交换树脂水在进行混凝—石灰软化和过滤处理后，已除去悬浮物和胶态杂质，硬度和碱度也有一定程度的降低，但作为锅炉补给水，还远远达不到要求，必须进行深度处理。目前电厂普遍采用的离子交换处理可以制得纯度很高的水。离子交换处理分软化和除盐两部分。软化：除去水中残留的硬度；适于低压锅炉。除盐：除去全部可溶性盐类（阴阳离子）；适于中高压以上锅炉。水的离子交换软化和除碱如果经预处理后的清水，仅仅需要除去Ca2+、Mg2+（即软化），可以采用钠离子交换法。如果不仅要求除去Ca2+、Mg2+，还要求除去碱度，则采用氢—钠离子交换法。钠离子交换法钠离子交换过程如下式表示：钠离子交换剂层中离子分布示意见图3-8。水通过一个钠离子交换器叫一级钠离子交换，出水残留硬度可满足低压锅炉要求，如果要求进一步降低残留硬度，可采用二级钠离子交换，即将两个钠离子交换器串联。2222()()2RNaCaMgRCaMgNa图3-8钠离子交换剂层中离子分布示意氢—钠离子交换法为了弥补钠离子交换不能除碱的缺点，可以在出水中加酸，如加H2SO4。生成的CO2由除碳器除去，但这种方法却增加了水的含盐量。因此火电厂中更多地采用氢—钠离子交换的方法。(1)氢—钠离子交换原理当采用强酸性H离子交换树脂时，交换过程为：Ca(HCO3)2Ca2H2CO32RH+MgCl2R2Mg+2HClNa2SO4Na2H2SO43242422222NaHCOHSONaSOCOHO因此，H型交换器产生了强酸，并且强酸酸度与进水中强酸阴离子的量相当。氢离子交换剂层中离子分布示意见图3-9。如果我们利用H型交换器出水的强酸中和Na型交换器出水的碱度，生成的CO2用除碳器除去，这样就达到软化和除碱的目的。氢—钠离子交换系统有串联和并联两种方式。(2)并联H-Na离子交换系统如图3-10，该系统进水分别入H型交换器的强酸性出水中和Na型交换器出水的碱度。图3-10氢离子交换剂层中离子分布示意图3-11并联H-Na离子交换系统图3-11串联H-Na离子交换系统(3)串联H-Na离子交换系统如图3-11，该系统用H型交换器的出水，中和另一部分原水的碱度，然后进入除碳器除去CO2，最后用泵打入Na型交换器。除碳器置于Na型交换器之前，是为防止CO2进入Na型交换器，重新生成NaHCO3。与并联系统相同的是，串联系统也必须调整进入H型交换器的水量，维持中和后出水一定的残留碱度。使用弱碱性树脂的H-Na离子交换系统采用串联的方式。除碳器除碳器的作用是除去CO2。原水中碳酸盐碱度，经过H离子交换，即转化为H2CO3并存在平衡pH下降，平衡右移，有利于H2CO3的分解。由于H型交换器出水pH较低，使CO2从水中游离，如果我们能降低水面上CO2的分压，即可使CO2从水中逸出，这就是除碳器的工作原理。常用的鼓风式除碳器的结构如图3-12。32322HHCOHCOCOHO图3-12鼓风式除碳器水的离子交换除盐水的离子交换软化和除碱，一般只适用于高压以下的锅炉，随着高温高压锅炉的迅速发展，单纯的软化、除碱已不能满足锅炉和机组对水质的要求和安全运行，而必须把水中的溶解盐全部除尽。这样，就发展了离子交换除盐工艺。离子交换除盐原理水的离子交换除盐(又叫化学除盐)，在火电厂中普遍采用的是：将预处理后的清水，通过H型阳离子交换器，使阳离子转换成H+，然后通过除碳器除去二氧化碳，再通过OH型阴离子交换器使阴离子转换成OH－，并立即与H+结合成水。这样，就得到含盐量极低的纯水。Flash离子交换树脂的结构离子交换树脂是一类带有活性基团的网状结构高分子化合物。在它的分子结构中，可以人为的分为两个部分：一部分称为离子交换树脂的骨架；另一部分时代有可交换离子的活性基团。活性基团也由两部分组成：一是固定部分，二是活动部分。一、离子交换定义及离子交换剂（1）按活性基团的性质分类可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。此外，按活性基团的性质还可分为鳌合性、两性以及氧化还原性树脂（2）按离子交换树脂的孔型分类A凝胶型树脂B大孔型树脂（3）按单体种类分类按合成树脂的单体种类不同，离子交换树脂还可以分为苯乙烯系，丙烯酸系等二、离子交换剂的分类化学性能(1)离子交换反应的可逆性离子交换反应的可逆性，使离子交换树脂可以反复使用的重要性质。例如当以含有硬度的水通过H型离子交换树脂时，反应式为：(2)酸、碱性H型阳离子交换树脂和OH型阴离子交换树脂的性能与电解质酸、碱相同，在水中有电离出H+和OH–的能力。(3)中和与水解离子交换树脂的中和与水解性能和通常的电解质一样。2222RHCaRCaH选择性顺序在离子交换水处理的实际应用中，我们常常需要知道在许多离子的混合液中哪一种离子易被吸取，哪一种离子较难被吸取的次序，即所谓选择性顺序。此种性能与它们呈离子交换平衡时的相对量有关。对于阳离子交换来说，此种顺序的规律性比较明显。在稀溶液中．强酸性阳树脂对常见阳离子的选择性顺序如下：可以归纳为两个规律：离子所带电荷量愈大，愈易被吸取；当离子所带电荷量相同时，离于水合半径较小的易被吸取。对于弱酸性阳树脂，H+的位置向前移动．例如羧酸型树脂对H+的选择性居于Fe3+之前。在浓溶液中，选样性顺序有一些不同，某些低价离子会居于高价离子之前。至于阴离子交换的选择性顺序，情况要比阳离子交换复杂。通过研究得知，在淡水的离子交换除盐处理系统中．即进水是稀酸溶液时，强碱性OH型阴树脂对阴离子的选择性顺序为：当OH离子交换树脂失效后，用碱进行再生时，即对于进水是浓碱溶液、阴离子的选择性顺序为：据此，可以推知，强碱性OH型阴树脂对于水中常见阴离子的吸着顺序，遵循以下三条规律：(1)在强弱酸混合的溶液中，易吸取强酸的阴离子。(2)浓溶液与稀溶液相比，前者利于低价离子被吸取，后者利于高价离子被吸取。(3)在浓度和价数等条件相同的情况下，选择性系数大的易被吸取。离子交换剂性能对比1.强酸性阳离子交换剂，对水中阳离子选择顺序：Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+≈Na+H+2.弱酸性阳离子交换剂，对水中阳离子的选择顺序：H+Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+≈Na+从上述选择顺序来看，强酸性阳离子交换剂对H+的吸着力不强；而弱酸性阳离子交换剂则容易吸着H+。所以，实际应用中，用酸再生弱酸性阳离子交换剂比再生强酸性阳离子交换剂要容易得多。3.强碱性阴离子交换剂，对水中阴离子的选择顺序：SO42-NO3-Cl-OH-HCO3-HSiO3-4.弱碱性阴离子交换剂，对水中阴离子的选择顺序：OH-SO42-NO3-Cl-HCO3-从阴离子交换剂的选择性来看，用碱再生弱碱性阴离子交换剂比再生强碱性阴离子交换剂容易。但是弱碱性阴离子交换剂吸着HSiO3-很弱甚至不吸着。因此，弱碱性阴离子交换剂用于除掉水中强酸根离子。离子交换除盐系统一级复床除盐将预处理后的清水，一次顺序通过H型和OH型交换器的系统叫一级复床除盐系统，如图3-14。一级复床除盐系统的运行监督，是分别监督H型和OH型交换器的出水。混合床除盐混合床是在一个交换器内，把已再生好的H型和OH型离子交换树脂按一定比例混合均匀，所以混床就相当于一个多级复床。混床的优势在于水的阳、阴离子交换是交错进行，出水水质好而且水质稳定；由于交换未期，出水电导率上升很快，终点容易判断；运行周期也较长。缺点是树脂的损耗大；再生操作比较复杂。图3-14一级复床除盐系统常见的化学除盐主系统及其选择采用阳、阴离子交换器组成主系统时，通常参照下面的原则：(1)第一个交换器应是H型交换器。(2)弱酸性阳树脂；适用于处理碱度大或碳酸盐硬度大的水。(3)弱碱性阴树脂；是用于处理强酸阴离子含量大的水。(4)除硅必须采用强碱性阴树脂。(5)水质要求高时应设混床。(6)除碳器应置于强碱性阴树脂之前，以保证除硅效果。4.3离子交换器的类型和基本操作过程离子交换装置按运行方式不同可分为固定床和连续床。固定床离子交换装置固定床离子交换是把离子交换树脂固定在一个装置(称固定床)中，水流经树脂完成交换过程。完成离子交换过程的设备，叫做离子交换器。固定床离子交换，按其再生方式不同，可分为顺流再生和逆流再生固定床。(1)顺流再生床顺流再生是指运行时水流方向和再生液流动方向一致，通常都是自上而下的。离子交换单元装置阴、阳离子交换柱混合离子交换柱固定式固定式移动式流动式移动式顺流再生固定床逆流再生固定双层床二塔式移动床三塔式移动床流动床体内再生混合床阴树脂再生混合床体外再生混合床移动式混合床浮动床双室双层流动床图3-10顺流再生离子交换器的内部结构1-进水装置；2-再生液分配装置；3-树脂层；4-排水装置图3-11顺流再生离子交换器的管路系统图3-12逆流再生离子交换器结构1-进水装置；2-中间排液装置；3-排水装置；4-压脂层；5-树脂层；图3-13气顶压逆流再生离子交换器管道系统图3-14逆流再生装置操作过程示意（a）小反洗；(b)放水；(c)顶压；(d)进再生液；(e)逆流清洗；(f)小正洗；(g)正洗图3-15浮动床本体结构示意1-顶部出水装置；2-惰性树脂层；3-树脂层；4-水垫层；5-下部进水装置；6-倒U型排液管图3-16浮动床管路系统•为防止床或落床时树脂层乱层，浮动床内树脂基本上是装满水的，水垫层很薄。•水垫层的作用：一是作为树脂层体积变化时的缓冲高度；二是使水流和再生液分配均匀。水垫层不宜过厚，否则在成床或落床时，树脂会乱层，这是浮动床最忌讳的；若水垫层厚度不足，则树脂层体积增大时会因为没有足够的缓冲高度，而使树脂受压、挤碎以及水流阻力增大。合理的水垫层厚度，应是树脂在最大体积（水压实）状态下，以0~50mm为宜。①离子交换器结构交换器是一个密封的圆柱体，设有进水装置，进再生液装置、排水装置，装有一定高度的离子交换树脂。进再生液装置示意见图3-15。②交换器的运行交换器的运行可分为反洗、再生、正洗、交换四个步骤。反洗：用水在与进水相反的方向上通过交换剂层，使交换剂层松动，清除由于过滤作用而截留在交换剂上的杂质。再生：使失效的交换剂恢复交换能力。图3-15进再生液装置示意图正洗：清除再生过程中滞留于交换剂层中的再生产物和过剩再生剂。交换：清洗合格后，交换器即可投入运行。(2)逆流再生固定床逆流再生属对流式，即运行时进水和再生时进再生剂的方向相对进行的水处理工艺。①逆流再生原理逆流再生时，再生剂自下而上，首先接触的是失效程度最小，又易于再生的Na型树脂，因此底层树脂再生程度较高。另外，下层树脂的再生产物Na+在上升过程中，对上层树脂中的Ca、Mg有一定的交换能力，使再生剂的利用率提高。这样，尽管上层树脂再生程度差一些，但接触的是含盐量较大的进水，仍可较好地交换。而下层树脂再生彻底，将保证出水水质。因此，逆流再生是一种较理想的再生方式，已在电厂广泛采用。②交换器的结构及运行逆流再生离子交换器见图3-16。它和顺流再生固定床的主要区别在于：在交换剂的表面设有中间排液装置。逆流再生操作示意见图3-17。小反洗：进水反洗树脂压实层，清除压实层和中间排液装置上的污物，至出水澄清。放水：小反洗后放掉中间排液装置上部的水。图3-16逆流再生离子交换器图3-17逆流再生操作示意顶压：放水后进压缩空气顶压以防乱层。进再生剂：在顶压情况下进再生剂。逆流冲洗：以进再生剂相同流速，自下而上进纯水冲洗残留废液和再生产