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锅炉水饲水处理

发布时间：2009/6/12 阅读次数：758 字体大小: 【小】【中】【大】

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锅炉水饲水处理

绪言

1.锅炉水处理分为三个步骤：

1) 原水（raw water）处理——将大部分不纯物除去

2) 炉前（preboiler）处理，外处理（external）或预处理（pretreatment）——将少量的残余不纯物加以处理

3) 内（internal）处理——在锅炉本体内直接处理炉水

2.天然水中不纯物包括：

1) 溶解固体（碳酸盐，氯化物，钙盐）

2) 悬浮物（砂，泥渣等）

3) 气体（氧，二氧化碳等）

3.水处理的目的在于防止：

1) 泥渣和结垢沉积（多为钙和镁的盐类）

2) 腐蚀和点蚀（溶解气体和酸）

3) 脆化（embrittlement）（高碱度的存在）

4) 挟带（carryover）（起泡）

一、水处理的目的

锅炉用水处理有四个目的：

1．防止结垢和泥渣堆积

1) 硬度：溶解的钙和镁的盐类称为硬度。当水蒸发产生蒸汽时硬度在管子表面沉积。此因钙和镁化合物在水中的溶解度比较低而容易沉淀出来，此结垢物降低热传导且引起管子金属过热。

天然水的硬度有几ppm到超过500ppm的差异，高压锅炉只能容许0～2ppm。

可使用沸石和/或藉化学方法除去硬度。

2) 硫酸盐和硅：硫酸盐和硅酸盐常在锅炉金属上沉淀而不形成泥渣，较难防止沉淀。

3) 铁和钠：溶解或悬浮的铁也会沉积在金属表面。由于钠化合物的溶解度很高，通常只在水近乎蒸干时才会沉积。

A鉴别锅炉沉积物

1) 碳酸盐——溶解的钙和镁的碳酸氢盐在锅炉内的高热下分解，放出二氧化碳并形成不溶解的碳酸盐。当酸溶液滴在碳酸盐沉积物上时，会产生二氧化碳气泡。

2) 硫酸盐——硫酸盐坚硬许多，质脆，酸不会使之冒泡。

3) 硅——此为一种非常坚硬的沉积物，质地很脆，和瓷器相似，不溶解于盐酸。

4) 铁——此为深色，通常具有磁性，且溶于热酸。

5) 磷酸盐——此为容易去除的泥渣，是磷酸盐水处理的结果，通常为松软、褐色或灰色的沉积物。

B沉积物和泥渣产生的问题：

沉积物和泥渣会引起堵塞或部分管子闭塞，导致管子过热和破损。沉积物底下会产生腐蚀。锅炉效率降低，有时其程度十分严重，且可能发生非计划性停车。

2.腐蚀和点蚀防止

氧气和二氧化碳：腐蚀的最常见形态为水中容存氧所引起和因二氧化碳存在而PH偏低所产生。CO₂直接来自饲水或源自饲水中碳酸盐分解，反应如下：

HCO₃^-→OH^- + CO₂

CO₃^2- + H₂O →2OH^- + CO₂

在凝结水中，CO₂与水结合而生成碳酸：

CO₂+ H₂O→H₂CO₃

然后碳酸解离，产生氢和碳酸氢根离子：

H₂CO₃→H⁺ +HCO₃^-

当铁因低PH而发生腐蚀时，铁在腐蚀电池的阳极部位进入溶液中：

Fe→Fe²⁺ +2e^-

在腐蚀电池的阴极部分以两个连续步骤发生氢离子还原：

2H⁺ +2e^-→2H→H₂

当这些阳极/阴极反应发生时，产生的亚铁离子将与碳酸氢根离子结合，形成碳酸氢亚铁：

Fe²⁺ +2HCO₃^-→Fe(HCO₃)₂

碳酸氢根会分解而以下列化学反应形成碳酸亚铁或氢氧化亚铁：

Fe(HCO₃)₂→FeCO₃+ H₂O + CO₂

Fe(HCO₃)₂→Fe(OH)₂+ 2 CO₂

这些反应放出CO₂，使循环周而复始。

碳酸引起的低PH会侵蚀金属，尤其在螺纹管（threaded pipe）及受力(stressed)部位最为严重。

因空气泄入或氧气脱氧不良而使蒸汽或凝结水中含溶存氧，会导致全面（general）和局部(localized)腐蚀，其反应如下：

H₂ + 1/2O₂ → H₂O

1/2O₂ + 2e^- +H₂O → 2OH^-

只要前述还原反应发生，腐蚀电池将持续进行。

氮和硫化氢：当这些气体存在于水中，会增加对铜合金的腐蚀。

螯合剂（chelates）：水处理有时经常使用螯合剂，然而过量螯合剂残余――超过20ppm（以CaCO₃计）――也可产生腐蚀。

腐蚀与点蚀的问题：锅炉金属的高温和应力加速腐蚀过程。腐蚀破损也可能成为锅炉的问题。因快速加热和冷却产生的周期性应力集中在被腐蚀和点蚀削弱的部位而可能产生管子破损，而更换被腐蚀的设备十分昂贵。这些问题在饲水中适当脱气就可得到解决，酸可用碱中和。

3.防止脆化（embrittlement）

高碱度引起脆化。在正常操作条件下，当碱在炉鼓缝隙，铆钉底下及在水闪沸成蒸汽的管子末端浓缩时会发生脆化。至少必须有一些硅存在以防止脆化。使用丹宁（tanin）、木质素（lignin）或硝酸钠可解决此问题。

4.防止挟带（carry over）

起泡（foaming）是水份、油、处理药品、溶解盐类等挟带的基本原因。有些物质，如碱、油、脂肪、油脂（grease）、有机物及悬浮物，已知会引发起泡。

炉水诱出（priming）是因锅炉负荷突然变化而发生炉水突然涌出。水负载太高也会发生炉水诱出。

炉水中的溶解和悬浮固体会引发起泡而污染系统（过热器和涡轮机）引起过热和腐蚀，严重可能过热器管子破损。排放和消泡剂可帮助对抗挟带。适当的锅炉设计和操作也可减少挟带。

二、原水处理

为求便利，原水处理多用物理或机械净化，而少用化学反应的化学处理。大部分的水中不纯物在物理净化时被除去。

原水处理包括：

澄清：饲水中大的悬浮颗粒很快沉淀，沉降池及过滤器用于处理此类悬浮物。砂滤器常作澄清之用，一般可预期将悬浮固体控制在5ppm以下。

凝集（coagulation）和沉淀（precipitation）：原水也含悬浮物质（如油），必须将之去除（至1ppm以下）以防止起泡及锅炉沉积。

极小的颗粒不会沉降下来，且会穿透过滤器。要除去这些微细颗粒（通常为胶体（colloidal）物质）须用凝集剂。凝集沉淀剂使微细和胶体颗粒充电及中和而成为能快速沉降的团块，然后过虑。这是由于胶体物质带负电荷而相互排斥，直到凝集剂中和电荷并使它们凝结在一起。

常用的凝集剂是铁和铝盐，如氯化铁、硫酸铁、硫酸铝及铝酸钠。有机聚合物和特种黏土也用于凝聚处理。

脱气（deaeration）：溶解气体（氧、二氧化碳、硫化氢）在脱气器中以蒸汽将水加热，利用物理原理可以去除。将部分蒸汽排除，溶解气体大多随之排出。此物理方法通常与化学处理并用以维持低气体浓度：

O₂：<0.005ppm(供高压锅炉)；二氧化碳：碱与CO₂之比>3:1；H₂S：<5ppm

逆渗透（reverse osmosis）：在此过程中，用一半透膜使离子可自较浓溶液流向较稀溶液，而不致相逆发生。这样，原水中的溶解固体可明显降低，设备建造及操作费用高。

三、炉外（external）饲水处理

1.化学沉淀

使用沉淀法可降低溶解硬度、碱度，有时尚可降低硅含量。在这些方法中，添加药品与水中溶解矿物质反应而产生溶解度较低的反应生成物。下述过程是此类方法之一。

碱－苏打软化：水合石灰与溶解碳酸氢钙和镁反应形成不溶解沉淀物：

Ca(OH)₂ + Ca(HCO₃)₂ →2CaCO₃ + 2H₂O

Ca(OH)₂+Mg(HCO₃)₂→Mg(OH)₂+2CaCO₃+H₂O

苏打用于降低永硬。

Na₂CO₃+CaSO₄→ CaCO₃+ Na₂SO₄

Na₂CO₃+CaCl₂→ CaCO₃+ 2Na Cl

自石灰－苏打反应生成的泥渣可藉沉降及过虑除去。生成的硫酸钠和氯化钠的溶解度大且不产生结垢。

在石灰－苏打处理中永凝集剂可加速泥渣沉降达25％～50％。

2.离子交换（ion-exchange）处理

某此物质，包括天然及合成沸石，可以藉与其他离子交换而除去矿物离子。

离子交换设备用NaCl或H2SO4/HCL再生阳离子交换树脂，用NaOH或NH4OH再生阴离子交换树脂，具体依其处理过程而定。

3.脱气和化学处理

将溶存氧去除至0.007ppm的方法是将水加热并添加亚硫酸钠或联胺

Na₂SO₃+ O₂ →2Na₂SO₄

N₂H₂ + O₂ → N₂ + 2H₂O

常使用一种特殊催化的亚硫酸钠以确保反应较快，将氧在30秒内除去。使用未催化的亚硫酸钠除去30％的存在气须长达10分钟。

锅炉压力	SO₃残余/ppm	N₂H₂残余/ppm
0-150	30-60	1
150-300	30-40	0.1
300-600	20-30	0.08
600-900	10-15	0.06
900-1200	5-10	0.03
1200-1500	3-7	0.01
1500以上	使用N₂H₂	0.01

方法	最终硬度	碱度减少	全固体减少	蒸汽中CO₂	备注
钠离子交换	0-2	无	增加	高（碱度高时）	硅未减少
钠离子交换加酸处理	0-2	可能全部	无	可能全部	硅未减少
钠和氢离子交换	0-2	可能全部	随碱度减少	可能全部	硅未减少
冷石灰－苏打法	34-85	减少	减少	通常低	硅含量减少
冷石灰加离子交换	0-2	减少	减少	通常低	硅未减少
热石灰－苏打	17-25	减少	减少	通常低	硅未减少
热石灰－苏打加热磷酸盐	0-2	减少	减少	通常低	硅未减少
热石灰－苏打加离子交换	0-2	减少	减少	通常低	硅未减少
热磷酸盐	0-2	很少	很少	通常低	硅未减少
纯水（去离子）处理	0-2	几近全部	几近全部	可能全部	硅可减至0-2ppm

四、炉水内处理

由于水中少量的溶解和悬浮不纯物（铁、硬度、氧或硅）会在锅炉内产生严重问题，故使用炉内水处理辅助原水及炉外水处理。在大量凝结水回收使用情况下，低压锅炉可以只用炉内处理。按类炉内水处理包括：

1. 与饲水硬度反应的药品，防止在锅炉金属上沉淀成锅炉垢。

2. 天然式合成泥渣处理剂（sludge conditioner），防止悬浮固体黏着于锅炉金属。

3. 消泡药品，当炉水溶解和悬浮固体浓度维持在某浓度之内时防止挟带。

4. 脱氧剂，防止腐蚀。

5. 保持足量碱度的药品，以减少腐蚀。

故，炉内水处理不良，将导致：

1. 腐蚀，引起管子破损和昂贵维护。

2. 结垢，降低锅炉效率

3. 挟带，引起涡轮机沉积和腐蚀

炉水的化学反应包括：

1.水中硬度——于前处理来除去的硬度在锅炉内分解如下：

碳酸氢钙 → 不溶性碳酸钙

碳酸钙 → 氢氧化钙＋二氧化碳

2.磷酸盐——为减少前述反应，在炉水中添加磷酸盐如下：

磷酸钠＋碳酸氢钙→磷酸钙＋碳酸钙

使用的磷酸盐有：NaH₂PO₄、Na₂HPO₄、Na₃PO₄及NaPO₃，产生磷酸钙或Ca₃(PO₄)₂，以泥渣形态沉淀。

有苛性碱存在时反应如下：

氢氧化钠＋碳酸氢镁 → 氢氧化镁

或有硅存在时产生硅酸镁，也是泥渣形态。泥渣经处理可防止其在锅炉金属上沉积而成锅炉垢。泥渣处理剂包括丹宁、木质素、淀粉和反应性胶体。泥渣藉排放自锅炉排除。

3.螯合物合聚合物——当使用螯合物于炉内处理时，其与镁和钙盐反应形成溶解性复合物。螯合物与聚合物并用以确使反应产物保持悬浮，泥渣藉排放自锅炉排除。

4.硫酸盐——在锅炉饲水中残余的少量钙和镁的硫酸盐在锅炉内浓缩而变成不溶解并形成沉淀。磷酸盐或螯合物/聚合物将防止硫酸盐沉淀，如同前述水中硬度一样。

5.硅——硅在锅炉高温处易沉淀，此问题可以解决如下：

×保持高碱度以使硅溶解

×添加某些有机物质以防止硅附着金属

×用特殊合成聚合物处理

若有足量镁存在水中，一些硅会成泥渣沉淀而镁非常结垢。

五、蒸汽凝结水处理

蒸汽凝结水腐蚀是因为CO₂产生H₂CO₃和O₂随蒸汽进入系统而产生。除气器的水处理外，尚可用挥发性阴离子或挥发性皮膜胺（filming amines）保护凝结水系统。皮膜胺用于补充水（make－up water）较多、空气泄入及高碱度的系统比较经济。

六、如何添加药品

使用溶解槽和计量泵添加药品。通常炉内水处理药品在脱氧器之后，但在进入炉鼓之前直接加入饲水中，连续加药比间歇添加为佳。

七、水分析与控制

排放（blow down）：炉水的溶解和悬浮固体量靠调节锅炉排放来控制，由于有等量的水补充进入锅炉（自动），炉水即被稀释。如此，可以维持炉水于适当条件，其依压力而定。

排放通常藉测试水的电导度来控制。因氯离子不受化学处理影响，也可用氯离子测定控制排放。

排放（补充水的％）＝饲水中氯离子量 / 炉水的氯离子量（100）

若固体浓度太高，使所须排放量过多，则可能需要改善前处理以降低补充水的固体浓度。

泥渣排放在锅炉底部实施，是间歇排放。连续排放在顶部（在汽鼓水立的正下方）以控制固体浓度。

锅炉用水的不纯物最高量（＜200psig的锅炉）
饲水	软度	低于1ppm
饲水	氧	＜20ppb
炉水	硬度	＜1 ppm
炉水	PH	9.5-11
炉水	TDS	＜3500 ppm
炉水	SO42-	30-60 ppm
炉水	碱度	＜800 ppm
炉水	PO43-	20-40 ppm
凝结水	PH	7.5
凝结水	TDS（总溶解固体）	＜20 ppm

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