电厂化学水处理讲义

11第一章水质概述第一节天然水及其分类一、水源水是地面上分布最广的物质，几乎占据着地球表面的四分之三，构成了海洋、江河、湖泊以及积雪和冰川，此外，地层中还存在着大量的地下水，大气中也存在着相当数量的水蒸气。地面水主要来自雨水，地下水主要来自地面水，而雨水又来自地面水和地下水的蒸发。因此，水在自然界中是不断循环的。水分子（H2O）是由两个氢原子和一个氧原子组成，可是大自然中很纯的水是没有的，因为水是一种溶解能力很强的溶剂，能溶解大气中、地表面和地下岩层里的许多物质，此外还有一些不溶于水的物质和水混合在一起。水是工业部门不可缺少的物质，由于工业部门的不同，对水的质量的要求也不同，在火力发电厂中，由于对水的质量要求很高，因此对水需要净化处理。电厂用水的水源主要有两种，一种是地表水，另一种是地下水。地表水是指流动或静止在陆地表面的水，主要是指江河、湖泊和水库水。海水虽然属于地表水，但由于其特殊的水质。。二、天然水中的杂质：天然水中的杂质是多种多样的，这些杂质按照其颗粒大小可分为悬浮物、胶体和溶解物质三大类。悬浮物：悬浮物的表示方法：通常用透明度或浑浊度（浊度）来表示。颗粒直径约在10-4毫米以上的微粒，这类物质在水中是不稳定的，很容易除去。水发生浑浊现象，都是由此类物质造成的。胶体：颗粒直径约在10-6---10-4毫米之间的微粒，是许多分子和离子的集合体，有明显的表面活性，常常因吸附大量离子而带电，不易下沉。溶解物质：溶解盐类的表示方法：1.含盐量：表示水中所含盐类的总和。2.蒸发残渣：表示水中不挥发物质的量。3.灼烧残渣：将蒸发残渣在800℃时灼烧而得。4.电导率：表示水导电能力大小的指标。5.硬度的表示方法：硬度是用来表示水中某些容易形成垢类以对于天然水来说，主要指钙、镁离子。硬度按照水中存在得阴离子情况。划分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度两类。6.碱度和酸度：碱度表示水中含OH-、CO32-、HCO3-量以及其它一些弱酸盐类量得总和。碱度表示方法可分为甲基橙碱度和酚酞碱度两种。酸度表示水中能与强酸起中和作用的物质的量。溶解物质是指颗粒直径小于10-6mm的微粒，它们大都以离子或溶解气体状态存在于水中。天然水中都存在Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-。在含盐量不大的水中，Mg2+的浓度一般为Ca2+的25%~50%，水中Ca2+、Mg2+是形成水垢的主要成分。含钠的矿石在风化过程中易于分解，释放出Na+，所以地表水和地下水中普遍含有Na+。因为钠盐的溶解度很高，在自然界中一般不存在Na+的沉淀反应，所以在高含盐量水中，Na+是主要阳离子。天然水中K+的含量远低于Na+，这是因为含钾的矿物比含钠的矿物抗风化能力大，所以K+比Na+较难转移至天然水中。22由于在一般水中K+的含量不高，而且化学性质与Na+相似，因为在水质分析中，常以（K++Na+）之和表示它们的含量，并取加权平均值25作为两者的摩尔质量。天然水中都含有Cl-，这是因为水流经地层时，溶解了其中的氯化物。所以Cl+几乎存在于所有的天然水中。天然水中最常见的阳离子是Ca2+、Mg2+、K+、Na+；阴离子是HCO3-、SO42-、Cl-。溶解气体：天然水中常见的溶解气体有氧（O2）和二氧化碳（CO2），有时还有硫化氢（H2S）、二氧化硫（SO2）和氨（NH3）等。天然水中O2的主要来源是大气中O2的溶解，因为空气中含有20.95%的氧，水与大气接触使水体具有自充氧的能力。另外，水中藻类的光合作用也产生一部分的氧，但这种光合作用并不是水体中氧的主要来源，因为在白天靠这种光合作用产生的氧，又在夜间的新陈代谢过程中消耗了。地下水因不与大气相接触，氧的含量一般低与地表水，天然水的氧含量一般在0~14mg/L之间。天然水中CO2的主要来源：为水中或泥土中有机物的分解和氧化，也有因地层深处进行的地质过程而生成的，其含量在几毫克/升至几百毫克/升之间。地表水的CO2含量常不超过20~30mg/L，地下水的CO2含量较高，有时达到几百毫克/升。天然水中CO2并非来自大气，而恰好相反，它会向大气中析出，以为大气中CO2的体积百分数只有0.03%~0.04%，与之相反的溶解度仅为0.5~1.0mg/L。水中O2和CO2的存在是使金属发生腐蚀的主要原因。。微生物。在天然水中还有许多微生物，其中属于植物界的有细菌类、藻类和真菌类；属于动物界的有鞭毛虫、病毒等原生动物。另外，还有属于高等植物的苔类和属于后生动物的轮虫、涤虫等。为了研究问题方便起见，人为地将水中阴、阳离子结合起来，写成化合物的形式，这称为水中离子的假想结合。这种表示方法的原理是，钙和镁的碳酸氢盐最易转化成沉淀物，所以令它们首先假想结合，其次是钙、镁的硫酸盐，而阳离子Na+和K+以及阴离子Cl-都不易生成沉淀物。因此它们以离子的形式存在于水中。第二节电厂用水的类别及水质指标一、电厂用水的类别水在火力发电厂水汽循环系统中所经历的过程不同，水质常有较大的差别。因此根据实用的需要，人们常给予这些水以不同的名称。它们是原水、锅炉补给水、给水、锅炉水、锅炉排污水、凝结水、冷却水和疏水等。现简述如下：（1）原水：也称为生水，是未经任何处理的天然水（如江河水、湖水、地下水等），它是电厂各种用水的水源。（2）锅炉补给水：原水经过各种水处理工艺净化处理后，用来补充发电厂汽水损失的水称为锅炉补给水。按其净化处理方法的不同，又可分为软化水和除盐水等。（3）给水：送进锅炉的水称为给水。给水主要是由凝结水和锅炉补给水组成。（4）锅炉水：在锅炉本体的蒸发系统中流动着的水称为锅炉水，习惯上简称炉水。（5）锅炉排污水：为了防止锅炉结垢和改善蒸汽品质，用排污的方法，排出一部分炉水，这部分排出的炉水称为锅炉排污水。（6）凝结水：蒸汽在汽轮机中作功后，经冷却水冷却凝结成的水称为凝结水，它是锅炉给水的主要组成部分。（7）冷却水：用作冷却介质的水为冷却水。这里主要指用作冷却作功后的蒸汽的冷却水，如果该水循环使用，则称循环冷却水。33（8）疏水：进入加热器的蒸汽将给水加热后，这部分蒸汽冷却下来的水，以及机组停行时，蒸汽系统中的蒸汽冷凝下来的水，都称为疏水。在水处理工艺过程中，还有所谓清水、软化水、除盐水及自用水等。二、水质指标所谓水质是指水和其中杂质共同表现出的综合特性，而表示水中杂质个体成分或整体性质的项目，称为水质指标。由于各种工业生产过程对水质的要求不同，所以采用的水质指标也有差别。火力发电厂用水的水质指标有二类：一类是表示水中杂质离子的组成的成分指标，如Ca2+、Mg2+、Na+、Cl-、SO42-等；另一类指标是表示某些化合物之和或表征某种性能，这些指标是由于技术上的需要而专门制定的，故称为技术指标。1．表征水中悬浮物及胶体的指标（1）悬浮固体。（2）浊度。（3）透明度。2．表征水中溶解盐类的指标（1）含盐量。含盐量是表示水中各种溶解盐类的总合，由水质全分析的结果，通过计算求出。含盐量有两种表示方法：一是摩尔表示法，即将水中各种阳离子（或阴离子）均按带一个电荷的离子为基本单位，计算其含量（mmol/L），然后将它们（阳离子或阴离子）相加；二是重量表示法，即将水中各种阴、阳离子的含量以mg/L为单位全部相加。由于水质全分析比较麻烦，所以常用溶解固体近似表示，或用电导率衡量水中含盐量的多少。（2）溶解固体。溶解固体是将一定体积的过滤水样，经蒸干并在105~1100C下干燥至恒重所得到的蒸发残渣量，单位用毫克/升（mg/L）表示。它只能近似表示水中溶解盐类的含量，因为在这种操作条件下，水中的胶体及部分有机物与溶解盐类一样能穿过滤纸，许多物质的湿分和结晶水不能除尽，碳酸氢盐全部转换为碳酸盐。（3）电导率。表示水中离子导电能力大小的指标，称作电导率。由于溶于水的盐类都能电离出具有导电能力的离，所以电导率是表征水中溶解盐类的一种代替指标。水越纯净，含盐量越小。电导率越小。水的电导率的大小除了与水中离子含量有关外，还和离子的种类有关，单凭电导率不能计算水中含盐量。在水中离子的组成比较稳定的情况下，可以根据试验求得电导率与含盐量的关系，将测得的电导率换算成含盐量。电导率的单位为微西/厘米（uS/cm）。三．表征水中易结垢物质的指标表征水中易结垢物质的指标是硬度，形成硬度的物质主要是钙、镁离子，所以通常认为硬度就是指水中这两种离子的含量。水中钙离子含量称钙硬（Hca），镁离子含量称镁硬（HMg），总硬度是指钙硬和镁硬之和，即H=HCa+HMg=[（1/2）Ca2+]+[（1/2）Mg2+]。根据Ca2+、Mg2+与阴离子组合形式的不同，又将硬度分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度。（1）盐硬度（HT）是指水中钙、镁的碳酸盐及碳酸氢盐的含量。此类硬度在水沸腾时就从溶液中析出而产生沉淀，所以有时也叫暂时硬度。（2）非碳酸盐硬度（HF）是指水中钙、镁的硫酸盐、氯化物等的含量。由于这种硬度在水沸腾时不能析出沉淀，所以有时也称永久硬度。硬度的单位为毫摩尔/升（mmol/L），这是一种最常见的表示物质浓度的方法，是我国的法定计量单位。1、征水中碱性物质的指标表征水中碱性物质的指标是碱度，碱度是表示水中可以用强酸中和的物质的量。形成碱度的物质有：44（1）强碱，如NaOH、Ca（OH）2等，它们在水中全部以OH-形式存在；（2）弱碱，如NH3的水溶液，它在水中部分以OH-形式存在；（3）强碱弱酸盐类，如碳酸盐、磷酸盐等，它们水解时产生OH-。在天然水中的碱度成分主要是碳酸氢盐，有时还有少量的腐殖酸盐。水中常见的碱度形式是OH-、CO32-和HCO3-，当水中同时存在有HCO3-和OH-的时候，就发生如（2-2）式的化学反应，HCO3+OH-→CO32-+H2O（2-2）故一般说水中不能同时含有HCO3-碱度和OH-碱度。根据这种假设，水中的碱度可能有五种不同的形式：只有OH-碱度；只有CO32-碱度；只有HCO3-碱度；同时有OH-+CO32-碱度；同时有CO32-+HCO3-碱度。碱度的单位为毫摩尔/升（mmol/L），与硬度一样，在美国和德国分别用ppmCaCO3和oG为单位。2、表示水中酸性物质的指标表示水中酸性物质的指标是酸度，酸度是表示水中能用强碱中和的物质的量。可能形成酸度的物质有：强酸、强酸弱碱盐、弱酸和酸式盐。天然水中酸度的成分主要是碳酸，一般没有强酸酸度。在水处理过程中，如H离子交换器出水出现有强酸酸度。水中酸度的测定是用强碱标准来滴定的。所用指示剂不同时，所得到的酸度不同。如：用甲基橙作指示剂，测出的是强酸酸度。用酚酞作指示剂，测定的酸度除强酸酸度（如果水中有强酸酸度）外，还有H2CO3酸度，即CO2酸度。水中酸性物质对碱的全部中和能力称总酸度。这里需要说明的是，酸度并不等于水中氢离子的浓度，水中氢离子的浓度常用PH值表示，是指呈离子状态的H+数量；而酸度则表示中和滴定过程中可以与强碱进行反应的全部H+数量，其中包括原已电离的和将要电离的两个部分。第二章水的预处理天然水未进锅炉前除掉水中杂质的工作，称为炉外水处理，也叫做补给水处理。根据水中所含杂质种类不同，采取不同的水处理方法。对水中较大的悬浮物，靠重力沉淀就可以除掉，这种处理称为自然沉淀法。对于水中的胶体微粒，常向水中加入一些化学药品，使胶体颗粒凝聚沉淀，这种处理称为混凝沉淀法。对于溶于水中的盐类，可采用蒸馏法、离子交换法、电渗析法等等。目前电厂多采用离子交换法。炉外水处理就是由上述某些方法联合组成的水处理流程，一般为：天然水(原水)混凝、沉淀过滤离子交换补给水现将一般水处理流程中，各种水处理方法、原理及其设备分述如下。第一节混凝沉淀55一、混凝沉淀的原理混凝、沉淀过程一般是在澄清器内进行的。处理方法，是向水中加入混凝剂(硫酸铝、聚合铝和硫酸亚铁、氯化铁等)、石灰乳和镁剂(菱苦土或白云粉)等化学药品。各种药品的作用如下：混凝剂的作用。混凝剂在水中的作用：是促使水中微小的悬浮物或胶体颗粒相互凝聚成大颗粒而下沉。二、混凝、沉淀设备及处理过程利用混凝沉淀方法除掉水中悬浮物的沉淀设备叫做澄清池。目前常见的澄清池也有水力循