工业锅炉的水处理

第七章工业锅炉的水处理自然界中的各种水源都含有一些杂质，不能直接用于锅炉给水，必须经过处理符合水质标准后才能供锅炉使用，否则会影响锅炉的安全、经济运行。因此，锅炉房必须设置合适的水处理设备。§7.1水中的杂质和水质指标一、水中的杂质天然水中的杂质是多种多样的，这些杂质按其颗粒大小可分为三类：颗粒最大的称为悬浮物，其次是胶体，最小的是离子和分子，即溶解物质。1、悬浮物是指水流动时呈悬浮状态的物质，其颗粒直径在10-4mm以上，它通过过滤就可以分离出来。主要是泥砂、动植物残渣、工业废物等。2、胶体物质是许多分子和离子的集合体，其颗粒直径在10-6～10-4mm之间。水中胶体物质有铁、铝、硅的化合物，以及动植物有机体的分解物质——有机物。3、溶解物质主要是钙、镁、钾、钠等盐类及氧和二氧化碳等气体。这些盐类在水中大都以离子状态存在，其颗粒直径小于10-6mm。水中溶解的气体则是以分子状态存在的。二、水质指标和水质标准（一）水质指标用来表示水中杂质含量的指标称为水质指标。水质指标用以表明水的品质，主要指标如下：1、悬浮物表示水中不溶解的固态杂质含量，即将水样过滤后分离出的固形物。其含量通常用mg/L表示。2、溶解固形物将滤出悬浮物后的水样进行蒸发和干燥后所得的残渣。其含量用mg/L表示。3、硬度（H）指溶解于水中能够形成水垢的钙、镁盐类的总含量。其含量用mmol/L表示，硬度又可分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度。1）碳酸盐硬度（HT）：溶解于水中的重碳酸钙Ca（HCO3）2、重碳酸镁Mg(HCO3)2和钙、镁的碳酸盐形成的硬度称为碳酸盐硬度。这些盐类很不稳定，在水加热至沸腾后可分解生成沉淀物析出，即Ca(HCO3)2=CaCO3↓+H2O+CO2↑Mg(HCO3)2=MgCO3↓+H2O+CO2↑MgCO3+H2O=Mg(OH)↓+H2O+CO2↑所以又称其为暂时硬度。2）非碳酸盐硬度（HFT）：指水中的氯化钙CaCl2、氯化镁MgCl2、硫酸钙CaSO4、硫酸镁MgSO4等非碳酸盐的含量。这些盐类在加热至沸腾时不能立即沉淀析出，只有在水不断蒸发后使水中所含的浓度超过饱和极限时才会沉淀析出，所以又称为永久硬度。因此，总硬度=暂时硬度+永久硬度=碳酸盐硬度+非碳酸盐硬度即H=HT+HFT。（4）碱度（A）指水中碱性物质的总含量。例如，氢氧根OH-、碳酸根CO32-、重碳酸根HCO3-及其他一些弱酸盐类都可以用酸中和，都是水中常见的碱性物质。碱度的单位用mmol/L表示。水中所含的各种硬度和碱度，有着内在的联系和制约。，注（1）水中不可能同时存在氢氧根碱度和重碳酸根碱度，因为二者会发生化学反应，即HCO3-+OH-→CO32-+H2O注（2）水中的暂时硬度是钙、镁与HCO3-及CO32-形成的盐类，也属于水中的碱度。当水中含有钠盐碱度时，就不会存在非碳酸盐硬度（永久硬度），即CaSO4+Na2CO3===CaCO3↓+Ba2SO4由上列化学反应方程式可见，水中不可能同时存在钠盐碱度和永久硬度，所以常将钠盐碱度称为负硬度。综合上述分析，水中硬度和碱度的内在关系可归结为以下三种情况：1）若总硬度大于总碱度，水中必有永久硬度，而无钠盐碱度，则HT=AHFT=H-A；2）若总硬度等于总碱度，水中无永久硬度，也无钠盐碱度，则H=HT=A；3）若总硬度小于总碱度，水中无永久硬度，而有钠盐碱度，则Ｈ=HT,A-H=负硬度。（５）相对碱度指锅水中氢氧根碱度折算成游离NaOH的量与锅水中溶解固形含量的比值。相对碱度是为防止锅炉苛性脆化而规定的一项技术指标。（６）pH值它是表示水的酸碱性指标，指水中氢离子浓度的负对数。呈酸性的水会对金属产生酸性腐蚀，因此锅炉给水要求pH7；当水的pH13时，容易将金属表面的Fe3O4保护膜溶解，加快腐蚀速度，因此锅水的pH值要求控制在10～12。（７）溶解氧（Ｏ２）指溶解于水中的氧气含量，单位为mg/L。水中溶解氧会腐蚀锅炉设备及金属管路，所以水中的溶解氧必须除去。（８）磷酸根（ＰＯ４３－）天然水中一般不含磷酸根，但有时为了消除给水带入锅内的残余硬度或为了防止锅炉内壁苛性脆化，可向锅内加入一定量的磷酸盐。因此，磷酸根也作为锅水的一项控制指标。（9）亚硫酸根（SO32-）给水中的溶解氧可用化学除氧方法除去，常用的化学药剂为亚硫酸钠，给水中亚硫酸钠相对于氧的过剩量越多，则反应速度越快越完全，此时，亚硫酸根也是一项控制指标。（10）含油量天然水中一般不含油，可是蒸汽的凝结水或给水在使用过程中可能混入油类，因此也规定了锅炉给水含油量的指标，其单位为mg/L。含油量只作为定期检测项目。（二）水质指标常用的单位1、每升水中含杂质的量。（mg/L）2、水质指标中硬度和碱度的单位采用毫摩尔/升（mmol/L）。在数值上与过去的毫克当量/升相符。分子的当量=分子量/化合价毫克当量数=物质的重量（mg）/分子的毫克当量3、德国度（°G）：一升水中含有硬度或碱度物质的总量相当于10mgCaO时称为1°G。4、百万分之一单位（ppM）：用一百万份（1L）水溶液中杂质的量相当于1mg碳酸钙（CaCO3）的量来表示，称为百万分之一单位。（1ppM）换算关系：1mmol/L=2.80G；1mmol/L=50.1ppM；10G=17.9ppM。（三）水质标准为防止锅炉由于结垢、腐蚀及锅水起沫而影响锅炉的安全、经济运行，锅炉给水及锅水均要达到水质标准。我国现行的《工业锅炉水质》标准（GB1576—2001）适用于额定出口蒸汽压力小于等于2.5MPa，以水为介质的固定式蒸汽锅炉和汽水两用锅炉，也适用于以水为介质的固定式承压热水锅炉和常压热水锅炉。二、水中杂质及其危害（一）水垢的危害1、水垢的导热性能很差，导热系数仅为钢的导热系数的1/50～1/30，锅内结垢使受热面传热能力显著下降，使锅炉的排烟温度升高，耗煤量增加，锅炉的出力和效率降低。根据试验，汽锅内壁附着1mm厚的水垢，就要多耗煤2%～3%。2、锅炉水管结垢后，管内流通截面积减小，水循环的流动阻力增加，严重时会将水管完全堵塞，破坏正常的水循环，最终使管子烧坏。3、水垢附着在受热面上，清理困难，需要耗费大量的人力和物力；还会使受热面受到损伤，缩短锅炉的使用寿命。（二）锅水含盐量过多的危害形成大量泡沫，严重时产生汽水共腾现象。影响蒸汽品质；（三）溶解性气体的危害水中含有的溶解氧和二氧化碳会对锅炉的给水管路、受热面产生化学腐蚀。结论：要保证锅炉的安全、经济运行，必须对锅炉的给水进行处理，其任务是：软化：降低水中钙、镁离子的含量，防止锅内结垢。除碱：减低碱物质含量，以减少锅炉排污量。除氧：减少水中的溶解气体，减轻对受热面金属的腐蚀。三、钠离子交换设备及其运行（一）固定床离子交换器是指运行时交换器中的交换剂层是固定而不流动的，一般原水由上而下经过交换剂层，使水得到软化，简称固定床。固定床交换器常用的规格用筒体的直径表示。有φ500mm--φ2000mm等多种。交换剂层高有1.5m、2m、2.5m。固定床离子交换按其再生运行方式不同，可分为顺流再生和逆流再生两种。钠离子交换器1—进水阀2—排水阀3—分配漏斗4—法兰5—环行管6—喷嘴7—排水阀8—软水出水阀9—冲洗水进水阀10—三通11—泄水帽12—集水管13—排气管14—排水管15—排气阀16—泄水管1、顺流再生钠离子交换器及其运行顺流式再生是指交换运行时再生液的流动方向和原水流动方向相同，一般均由上向下。1）结构顺流再生固定床离子交换器结构如上图所示。它由交换器壳体、进水装置、再生液分配装置、底部排水装置和顶部排气管等组成。2）顺流再生离子交换器运行操作（见下图）。（1）软化目的：使原水软化。过程：上进下出。操作：阀门1和2开起，其余阀门关闭。要求：应定时对水质进行化验；当出水硬度超过规定的允许值时，应立即停止软化。（2）反洗目的：①松动软化时被压实了的交换剂层，为还原创造条件。②带走交换剂表层的污物和破碎的交换剂颗粒。过程：下进上出。顺流再生离子交换器操作示意图操作：阀门3和5开起，其余阀门关闭。要求：反洗强度以不冲走完好的交换剂颗粒为宜，一般为15m/h，反洗时间一般为10～15min。12—中间排水装要求：正洗水耗通常为3～6m3/m3树脂，正洗速度为6～8m/h，正洗时间为30～40min，正洗后期阶段的含盐分的正洗水可送入反洗水箱贮存起来，供下次反洗使用，以节省用水量和耗盐量。正洗结束后，又可开始软化。（3）再生目的：使失效的交换剂恢复交换能力。过程：再生液上进下出。操作：阀门4和6开起，其余阀门关闭。要求：再生流速一般为4～8m/h。（4）正洗目的：清除交换剂中残余的再生剂和再生产物。过程：废盐液放尽后，开始正洗，上进下出。操作：阀门1和6开起，其余阀门关闭。逆流再生离子交换器1—废再生掖出口2—进水阀3—冲洗水阀4—再生掖进口5—排水6—软化出水7—排水8—小反洗进水9—进气管10—排气管11—压实层12—中间排水装置顺流再生离子交换器操作示意图逆流再生离子交换器1—废再生掖出口2—进水阀3—冲洗水阀4—再生掖进口5—排水6—软化出水7—排水8—小反洗进水9—进气管10—排气管11—压实层12—中间排水装置12—中间排水装3）顺流再生固定床的优缺点优点：结构简单，运行维修方便，水质适应性强。缺点：再生盐液耗量大。2、逆流再生钠离子交换器及其运行逆流再生是指再生时再生液的流向和原水软化运行时的流向相反。通常盐液从交换器下部进入，上部排出。新鲜的再生液总是先与交换器底部尚未完全失效的交换剂接触，使其得到很高的再生程度，随着再生液继续向上流动，交换剂的再生程度逐渐降低，当再生液与上部完全失效的交换剂接触时，再生液仍具有一定的“新鲜性”，再生液被充分利用。在软化运行时，水中钙、镁离子含量随着水流向下越来越少，而下部交换剂的再生程度很高，因此，交换反应仍能持续进行下去，使交换器的出水水质较好。综上所述，逆流再生离子交换的优点是具有出水质量高、盐耗低等优点。所以被广泛采用。在逆流再生时，由于再生液是从交换剂下部进入的，当再生液流速较高时，会使交换剂层产生扰动现象。这样，交换剂层上下层次被打乱，称为乱层。如果发生乱层现象，就失去了逆流再生的特点。为了防止乱层，逆流再生交换器在结构上有一些相应的措施。①在交换剂表面层设有中间排水装置，如图7-3，使向上流动的再生液或冲洗水能均匀地从中间排水装置排走，而不使交换剂层发生扰动。②在交换剂表面铺设150～200mm厚的压实层。压实层：25～30目的聚乙烯白球或直接用失效树脂作为压实层。压实层还可以起过滤的作用，把水中带进的悬浮物挡住，保护交换剂。压缩空气顶压法是从交换器顶部送入0.03～0.05MPa气顶压法逆流再生操作示意图a）小反洗b）排水c）顶压d）再生e）逆流冲洗f）小正洗g）正洗的压缩空气，这是防止乱层的理想措施，但需增加空压机设备。压缩空气顶压法逆流再生操作步骤如下：（1）小反洗目的：冲去积聚在表面层（压实层）及中排装置以上的污物。方法：交换剂失效时停止运行，反洗水从中排装置引进，经进水装置排走。要求：反洗流速控制在5～10m/h，时间3～5min。如图a所示。气顶压法逆流再生操作示意图a）小反洗b）排水c）顶压d）再生e）逆流冲洗f）小正洗g）正洗（2）排水目的：放掉中排管上部的水，使压实层呈干态。方法：开起空气阀和中间排水阀。如图b所示。（3）顶压目的：防止再生时乱层。方法：关闭空气阀和中间排水阀，开起压缩空气阀，从顶部通入压缩空气，并维持0.03～0.05MPa顶压，如图c所示。（4）再生目的：使失效的交换剂恢复交换能力。方法：在顶压情况下，开起底部进再生液阀门，再生液从下部送入，随适量空气从中排装置排出，如图d所示。要