第15章鍋爐水處理與蒸汽凈化=西安交通大學(xué)-鍋爐原理

第十五章

鍋爐水處理與蒸汽凈化

§15—1鍋爐水工況與水處理一、鍋爐用水

①原水天然水②補(bǔ)水凈化后補(bǔ)充水③回水冷凝后返回鍋爐的水④給水送進(jìn)鍋爐的水（回水和補(bǔ)水）⑤爐水鍋爐內(nèi)的的水⑥排污水排掉的爐水1.水中雜質(zhì)

①懸浮物。不溶性微粒（＞100μm

）泥砂，粘土、藻類、細(xì)菌、動(dòng)植物有機(jī)體的微小碎片、纖維、腐爛產(chǎn)物、其它不溶性物質(zhì)。自然沉降和澄清過(guò)濾②膠體物。微粒（1～100μm

）鐵、鋁、硅的化合物（如硅酸膠體），動(dòng)植物分解后高分子化合物（如腐殖質(zhì)膠體）?；炷瑸V溶解物質(zhì)。＜1μm

，以離子或分子存在于水中。

溶解鹽類離子（如鈣，鎂、鈉、鉀、鐵、錳等鹽類的正負(fù)離子）溶于水的氣體（有O2、CO2、H2S）離子交換、膜分離、蒸餾技術(shù)2.雜質(zhì)危害

①結(jié)垢水垢的導(dǎo)熱系數(shù)很小，使管壁溫度急劇增加②腐蝕

金屬減薄，強(qiáng)度降低，縮短鍋爐使用年限③蒸汽污染

在過(guò)熱器、管道閥門和汽輪機(jī)葉片等處形成鹽垢沉積，造成過(guò)熱器爆管、管道堵塞以及汽輪機(jī)出力和效率降低。3.水質(zhì)指標(biāo)

（1）全固形物全部雜質(zhì)轉(zhuǎn)化成固體時(shí)的含量①懸浮固形物（懸浮物）

用過(guò)濾材料從水中分離出來(lái)的固形物的含量②溶解固形物溶解在水中全部鹽類，鐵、鋁、硅的氧化物和一些有機(jī)物的含量（2）硬度水中溶解的鈣、鎂鹽的總含量

①碳酸鹽硬度（暫時(shí)硬度）水中溶解的碳酸氫鹽[Ca(HCO3)2，Mg(HCO3)2]的含量。加熱到沸騰時(shí)，形成泥渣狀的CaCO3、MgCO3及Mg(OH)2沉淀出來(lái)

②非碳酸鹽硬度（永久硬度）水中溶解的氯化物(CaCl2，MgCl2)、硫酸鹽(CaSO4，MgSO4)及其它鈣鎂鹽的含量，熱力法不能去除

（3）堿度水中OH－、CO32－、HCO3－及其它一些弱酸鹽類含量之和堿度＝暫時(shí)硬度堿度＜硬度，既有碳酸鹽硬度，又有非碳酸鹽硬度，屬于非堿性水堿度＞硬度，只有碳酸鹽硬度，為堿性水

HCO3－與OH－（不能同時(shí)存在）→CO32－＋H2O（4）相對(duì)堿度水中游離的NaOH含量（OH－堿度折算成的NaOH含量）與溶解固形物含量的比值（5）pH值水的酸堿性（6）含鹽量（7）溶解氧（8）含油量

二、結(jié)垢（1）結(jié)垢過(guò)程

在一定的溫度和壓力下，水中的雜質(zhì)在蒸發(fā)過(guò)程中不斷濃縮，經(jīng)過(guò)各種物理化學(xué)過(guò)程，以不同形態(tài)的結(jié)晶形式析出，沉積在受熱面上或沉淀在水中。

水渣（或稱泥垢、泥渣）以水中膠體質(zhì)點(diǎn)、氣泡及各種懸浮物為結(jié)晶核心形成，疏松絮狀，懸浮于水中，可通過(guò)排污清除

水垢壁面粗糙點(diǎn)為結(jié)晶核心而形成，堅(jiān)硬而致密，難以清除，需采用鍋內(nèi)化學(xué)清洗方法沉積在過(guò)熱器上的稱為鹽垢（2）水垢成因

濃度＞溶解度

①蒸發(fā)濃縮

②高溫沉淀

正溶解度系數(shù)，t↑，溶解度↑，易溶物質(zhì)，如NaCl、Na(OH)2等

負(fù)溶解度系數(shù)，t↑，溶解度↓，難溶物質(zhì)，如CaSO4、CaCO3、Mg(OH)2等

③熱分解反應(yīng)Ca(HCO3)2→難溶CaCO3↓Mg(HCO3)2→MgCO3→難溶Mg(OH)2↓

④結(jié)晶核心誘使沉淀物析出（3）水垢成分

①鈣鎂水垢；②硅酸鹽水垢；③鐵垢和銅垢。三、水處理方法及其系統(tǒng)

水的凈化處理

①混凝投放混凝劑，經(jīng)過(guò)混合、絮凝等作用，使微小顆粒聚合成較大的絮狀物的綜合過(guò)程。②沉淀依靠重力將水中懸浮顆粒物分離出來(lái)。有自然沉淀，混凝沉淀、軟化沉淀，除硅沉淀等，通常和混凝處理同時(shí)進(jìn)行。③過(guò)濾具有空隙的粒狀粒濾層，截留水中不溶物質(zhì)凈化處理后的水貯存于清水箱，準(zhǔn)備作下一步處理凈化、軟化、除鹽、除氣、爐水防垢

2.水的軟化處理

去除硬度（1）熱力軟化法

去除暫時(shí)硬度，不能去除永久硬度

t≥100℃，水中鈣、鎂的碳酸氫鹽受熱分解，生成難溶物質(zhì)CaCO3和Mg(OH)2而沉淀

Ca(HCO3)2→CaCO3↓+H2O+CO2↑Mg(HCO3)2→MgCO3+H2O+CO2↑MgCO3+H2O→Mg(OH)2↓+CO2↑（2）藥劑軟化法

投放化學(xué)藥品（石灰和純堿），促使鈣、鎂離子轉(zhuǎn)變成難溶的化合物析出。

石灰軟化法

熟石灰Ca(OH)2

可以除去暫時(shí)硬度

Ca(HCO3)2+Ca(OH)2→2CaCO3↓+2H2OMg(HCO3)2+2Ca(OH)2→2CaCO3↓+Mg(OH)2↓+2H2O

不能除去水中的永久硬度將鎂的非碳酸鹽硬度轉(zhuǎn)變?yōu)殁}的非碳酸鹽硬度

MgSO4+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaSO4

水火管鍋爐，給水預(yù)處理（3）離子交換軟化法

①離子交換原理和離子交換劑

原理具有交換離子能力的交換劑，其本身的某種離子和水中同電性離子進(jìn)行等物質(zhì)量的相互交換，達(dá)到消除雜質(zhì)離子的目的。

交換劑沸石、磺化煤、樹(shù)脂離子交換劑

陽(yáng)離子交換劑：如NaR、HR、NH4R

陰離子交換劑：如ROH、RHSO4

要求機(jī)械強(qiáng)度，耐熱性，化學(xué)穩(wěn)定性，選擇性②鈉型離子交換軟化法

軟化

Ca(HCO3)2+2NaR→CaR2+2NaHCO3

消除硬度，但陰離子未減少，即堿度不變，原水中的碳酸氫鹽硬度轉(zhuǎn)變?yōu)檐浰械膲A度。

分層交換分層失效

反洗提高交換劑的再生效果再生再生劑鹽水NaCl＝8～10％，先稀后濃

2NaC1+CaR2→2NaR+CaC12

2NaC1+MgR2→2NaR+MgC12

順流再生，上層再生效果好，下層再生效果差。再生劑耗量高，但設(shè)備和操作都比較簡(jiǎn)單。

逆流再生，底層再生程度高，出水品質(zhì)好，耗量減少30％左右，操作時(shí)防止交換劑亂層。正洗軟水沖洗，清除再生殘留CaC12、MgC12。③氫型離子交換軟化法

軟化

Ca(HCO3)2+2HR→CaR2+2H2O+2CO2↑MgSO4

+

2HR→MgR2+H2SO4

含鹽量有所降低，因?yàn)樘妓釟涓x子生成了碳酸而通過(guò)脫氣被除去，水質(zhì)呈酸性。

再生（鹽酸或硫酸)

CaR2+2HCl→2HR+CaCl2

④氫－鈉型離子聯(lián)合軟化法

降低堿度,消除酸性

CaSO4+2HR→CaR2+H2SO4H2SO4+2NaR→2HR+Na2SO4

酸性被消除，但仍有部分碳酸根，則軟水保持適當(dāng)?shù)膲A度

離子交換水處理方式

固定式（固定床、浮動(dòng)床）

連續(xù)式（移動(dòng)床、流動(dòng)床)固定床設(shè)備簡(jiǎn)單、操作容易，但交換劑和再生液耗量多，周期性間斷運(yùn)行。浮動(dòng)床交換劑裝量多，運(yùn)行周期延長(zhǎng)，再生時(shí)不會(huì)亂層，適合于高流速運(yùn)行。移動(dòng)床交換塔體積小，交換劑用量和再生劑耗量少，出水品質(zhì)高且穩(wěn)定，仍是半連續(xù)間斷進(jìn)行，且交換劑磨損較嚴(yán)重，補(bǔ)充量多。

流動(dòng)床

完全連續(xù)工作，交換劑利用率高，清洗水耗量低，操作管理簡(jiǎn)方便，但樹(shù)脂磨損較嚴(yán)重，對(duì)負(fù)荷適應(yīng)性差，設(shè)備調(diào)整過(guò)程比較麻煩。3.水的除鹽處理

將水中各種離子消除或減少到一定的程度

2ROH+H2SO4(或H2CO3)→R2SO4(或R2CO3)+2H2OROH+HCl(或H2SiO3)→RCl(或RHSiO3)+H2O

除碳器清除CO2

H2SiO3的酸性比H2CO3弱，不除CO2，妨礙交換劑吸附H2SiO34.水的除氣處理(O2、CO2)

藥劑除氧。還原劑（Na2SO3和聯(lián)胺N2H4）與水中O2發(fā)生反應(yīng)。注意N2H4易揮發(fā)且有毒。藥劑貴。熱力除氧。

O2隨溫度升高而逸出，可將O2、CO2、N2等氣體都除去，效果穩(wěn)定可靠，含鹽量不增加，但耗汽量較高。真空除氧可節(jié)約能源。解析除氧。降低水面上某種氣體的分壓力，該氣體將會(huì)從水中逸出。氣體中的O2與熱木炭反應(yīng)生成CO2，成為無(wú)氧氣。只能除氧，除氧水的CO2含量增加。除CO2

。解析方法，空氣與含CO2的水接觸?！?5—2蒸汽凈化

一、蒸汽污染及蒸汽品質(zhì)

1.蒸汽污染總鹽分

機(jī)械性攜帶溶解性攜帶總攜帶系數(shù)蒸汽攜帶鹽分導(dǎo)致蒸汽品質(zhì)惡化

蒸汽含鹽量取決于蒸汽濕度ω，鹽分在蒸汽中的溶解能力ay，爐水含鹽量Sls。

提高蒸汽品質(zhì)的措施①提高給水品質(zhì)；②改進(jìn)鍋筒內(nèi)部裝置；③增加爐水排污量。2.蒸汽含鹽機(jī)理

（1）機(jī)械性攜帶

汽流作用力＞水滴的重力，水滴被蒸汽攜帶

汽流作用力＝水滴的重力，達(dá)到飛逸臨界狀態(tài)

飛逸直徑dfy：汽速一定，被帶走的最大水滴直徑

影響機(jī)械攜帶的主要因素①蒸汽壓力。p↑，(ρ′－ρ″)↓而ρ″↑，wfy↓，dfy↑，汽水不易分離；飽和水的表面張力和汽泡直徑隨都減小，汽泡破碎時(shí)形成的水滴直徑小，∴ω↑。p＞15MPa，p↑，ω↑↑。飛逸速度wfy：水滴直徑一定，將水滴帶走的汽速

汽速越大，飛逸直徑也越大，蒸汽濕度增加

②鍋爐負(fù)荷Ⅰ區(qū)：n=1～3。D不大，w″較小，ω增加較慢Ⅱ區(qū)：n=2.5～4。D↑，爐水飛濺增加，w″↑↑，ω↑↑Ⅲ區(qū)：n=8～10。w″↑↑↑；汽泡增加使蒸汽空間高度減小；液面劇烈波動(dòng)，泡沫被帶走，ω↑↑↑

電站鍋爐要求ω＜0.03％，即D＜D1。

③蒸汽空間高度

hq很小，ω很大。隨著hq的增加，ω急劇減少hq＞0.6m，大水滴不能被攜帶，ω變化平緩④爐水含鹽量

·Sls＞Slj

Sls↑，ω↑∵爐水表面張力增大，汽泡液膜很薄，破裂時(shí)水滴細(xì)??；

爐水粘度增大，小汽泡浮升速度慢，不易合并成大汽泡，hq↓。·Sls↑，Sq↑。Sls＞Slj，∵ω↑↑，Sq↑↑＞ω↑·D↑，Slj值↓（2）選擇性攜帶

飽和蒸汽溶鹽能力取決于其在飽和蒸汽中的溶解度（分配系數(shù)）①選擇性

分配系數(shù)

n↓，ay↑第一類：n＜1.0，溶解度最大，含量少；第二類：n＝1.0～3.0，H2SiO3，溶解度較大；第三類：n＞4，難溶鹽分。②壓力

p↑，ρ″↑，ρ′↓，蒸汽與水的性質(zhì)即溶鹽能力接近，ay↑。

③pH值爐水中硅酸鹽與H2SiO3之間處于水解平衡狀態(tài)

HSiO3-+H2OH2SiO3+OH-

pH↑，OH-↑，平衡向左，H2SiO3↓，硅酸ay↓，硅酸鹽↑。但pH應(yīng)符合水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

二、蒸汽溶鹽的凈化

蒸汽清洗、分段蒸發(fā)

蒸汽清洗物質(zhì)交換擴(kuò)散過(guò)程①清洗水層

具有最大濃度差②動(dòng)力泡沫層

具有最大接觸面積③蒸汽空間蒸汽與飛濺清洗水滴接觸三、汽水分離

分離原理①重力分離。利用蒸汽與水的密度差在一定空間中進(jìn)行自然分離②離心力分離。利用汽流旋轉(zhuǎn)時(shí)蒸汽與水產(chǎn)生不同的離心力進(jìn)行分離③慣性力分離。利用汽流改變方向時(shí)蒸汽與水產(chǎn)生不同的