第2章 鍋爐用水處理及表面活性劑

第2章溶液化學與離子平衡SolutionChemistryandIonicEquilibrum2/5/20232.5

鍋爐用水處理2.5.1鍋爐用水中雜質(zhì)的危害2.5.2水質(zhì)指標2.5.3爐內(nèi)鍋水處理2.5.4爐外給水處理2.5.5汽水共騰現(xiàn)象2/5/20232船舶用水系統(tǒng)無論是蒸汽機船、汽輪機船或內(nèi)燃機船，都裝有鍋爐或輔助鍋爐。用來產(chǎn)生蒸汽，開動主機、輔機運行。此外還要供給生活用水。從用水來源來看：

舷外水：直接從舷外吸取的江水、河水或海水。只能作沖洗、壓載、消防等用水。

供給水：來自自來水廠，只能滿足生活用水的要求，進一步處理作為鍋爐用水和柴油機冷卻水。2/5/20233鍋爐用水處理的目的鍋爐水質(zhì)關系到鍋爐設備的安全和經(jīng)濟運行。水質(zhì)的目的是：防止生成水垢防止金屬腐蝕提高蒸汽品質(zhì)

鍋爐工作壓力不同，對水質(zhì)的要求和控制方法也有不同，工作壓力越高的鍋爐，對水質(zhì)的要求越高，控制也越嚴。2/5/202342.5.1鍋爐用水中雜質(zhì)的危害2.5.1.1

水垢及其危害2.5.1.2

鍋爐的腐蝕2/5/20235供給水中的一些有害雜質(zhì)：氣體：O2、CO2、H2S等，它們能造成金屬腐蝕。無機鹽：Ca2+、Mg2+、Na+、HCO3-、Cl-、SO42-、HSiO3-等，有些離子會形成水垢，水中含鹽量高也會加速金屬的腐蝕。有機油脂：在鍋水沸騰時容易產(chǎn)生泡沫，致使蒸汽品質(zhì)惡化，還會形成油垢。2/5/202362.5.1.1

水垢及其危害難溶鹽類形成的沉淀附著在金屬受熱面上形成堅硬的沉積物稱為水垢。如析出的沉淀在鍋爐內(nèi)呈懸浮狀或沉積在水流緩慢處，就稱為水渣或泥渣。細小松軟的水渣如不及時清除，晶體長大后轉(zhuǎn)變?yōu)樗?。由水渣轉(zhuǎn)變而成的水垢稱為二次水垢。例如：Mg3(PO4)2和Mg(OH)2水渣就特別容易黏附在管壁上，尤其在水流緩慢或停滯的部位，經(jīng)高溫烘烤后形成二次水垢。2/5/202371.水垢的組成碳酸鹽水垢：主要是鈣、鎂的碳酸鹽，以CaCO3為主。常形成松軟的水渣，可隨鍋爐排污去除。硫酸鹽水垢：CaSO4為主，這種水垢堅硬密實，主要在鍋爐中生成。硅酸鹽水垢：成分復雜，主要有CaSiO3、MgSiO3、SiO2。這種水垢最為堅硬，通常在鍋爐受熱強度最大的部位產(chǎn)生。氧化鐵垢：主要成分是鐵有氧化物，腐蝕產(chǎn)生的或給水中鐵含量過高。銅垢：若給水中銅件受腐蝕則形成銅垢。2/5/202382.水垢的危害水垢導熱性差，影響鍋爐的傳熱效率和蒸發(fā)強度，使鍋爐的效率低，燃料浪費。2mm厚的水垢，將使傳熱效率降低20%。另外，結(jié)垢部位的金屬壁因溫度過高，引起金屬強度下降，在蒸汽壓的作用下會產(chǎn)生變形、鼓包，甚至引起爆炸事故。水垢會阻塞管道。在金屬表面覆蓋不均勻時，會導致金屬的局部腐蝕。2/5/202392.5.1.2鍋爐的腐蝕腐蝕的危害：縮短設備的使用期限，造成經(jīng)濟損失，嚴重時導致爆管事故，影響安全。腐蝕產(chǎn)物轉(zhuǎn)入水中，使得雜質(zhì)增多，加劇了結(jié)垢，結(jié)垢又進一步促進了金屬的腐蝕，成為惡性循環(huán)。金屬的腐蝕產(chǎn)物被帶到用氣設備中沉積下來后，也會嚴重影響到這些設備的安全、運行。2/5/202310腐蝕的影響因素金屬材料的性能表面狀態(tài)內(nèi)部應力介質(zhì)：爐水中的溶解氧、水的pH值和堿度。爐水的溫度、水中鹽類的種類和濃度。2/5/202311腐蝕的種類（1）溶解氧腐蝕

酸性條件：Fe+2H2O→Fe(OH)2+H2

弱酸性或中性：2Fe+O2+2H2O→2Fe(OH)2

Fe(OH)2進一步被氧化：4Fe(OH)2+O2

+2H2O→4Fe(OH)3→2Fe2O3+6H2O

當鍋爐的蒸發(fā)量大于2t/h時，均要進行除氧處理。水中O2含量與溫度和壓力有關，要做好停爐時的防護工作。2/5/202312腐蝕的種類（2）二氧化碳氣體腐蝕游離的CO2可使水呈酸性，導致金屬腐蝕。CO2來源于空氣及水中碳酸氫鹽的受熱分解：

CO2氣體腐蝕發(fā)生pH<8的情況下，鍋水經(jīng)處理后，通常保持在pH值為10—12，在這種條件下，鍋爐不易發(fā)生CO2氣體腐蝕。游離CO2氣體引起的酸性腐蝕通常發(fā)生在給水系統(tǒng)和蒸汽系統(tǒng)內(nèi)。

2/5/202313腐蝕的種類（3）溶解鹽類的腐蝕

水中含鹽量越高，電阻越小，腐蝕的速率越快。當鍋爐表面附著有水垢或水渣沉積物時，在其下爐水的流動性差，MgCl2、CaCl2這類溶解鹽因為水解可以在沉積物下積累很高的H+濃度，導致酸性腐蝕。

2/5/202314腐蝕的種類（4）堿性腐蝕和苛性脆化

若鍋爐長期在堿性條件下運行，排污不及時，會使堿性過高，當pH>13時，可發(fā)生堿性腐蝕

。腐蝕產(chǎn)生的H2還可能擴散到金屬內(nèi)部，產(chǎn)生內(nèi)應力，使金屬強度降低、變脆、產(chǎn)生裂紋。這種腐蝕形式稱為苛性脆化。

2/5/2023152.5.2水質(zhì)指標鍋爐的給水和爐水的水質(zhì)指標很多，有懸浮物、pH值、硬度、堿度、含鹽量、溶解氧、含油量、、鐵、銅、鈉、二氧化硅等。鍋爐工作壓力不同，水質(zhì)控制項目也不同。2/5/2023162.5.2水質(zhì)指標1.懸浮物影響鍋內(nèi)加藥除垢效果和鍋外化學處理工藝的正常進行，不同的水處理方法分別規(guī)定了懸浮物具體的數(shù)值。2.pH值鍋爐正常運行，鍋內(nèi)往往覆蓋著一層均勻致密的Fe3O4保護膜，鍋水pH值過高或過低，均會破壞這層保護膜，鍋水pH值保持在10—12，也有利于防止水垢的產(chǎn)生。2/5/2023172.5.2水質(zhì)指標3.硬度表示水中成垢物質(zhì)的含量。主要是鈣離子和鎂離子，采用水中鈣、鎂的含量表示水的硬度?？傆捕龋核锈}、鎂鹽的總含量。鈣硬度：鎂硬度：不穩(wěn)定，煮沸分解，可過濾除去，稱為暫時硬度穩(wěn)定，水沸騰時不能除去，稱為永久硬度。2/5/202318我國硬度單位的三種表示方法①用表示：均以一價離子作為基本單元，對于二價離子以其1/2作基本單元，如。②用度表示：我國采用德國度，符號為“°G”。用度表示時，將水中的含量換算成CaO的含量。1°G=10。2/5/202319③用表示：即將水中的含量換算成的含量，單位是。1/2CaO的摩爾質(zhì)量是28g，1/2的摩爾質(zhì)量是50g，三種硬度單位的換算關系為：2/5/2023202.5.2水質(zhì)指標4.堿度

堿度表示水中及其它弱酸根離子的總量。單位為。由于發(fā)生如下反應：因此爐水中基本上不共存。2/5/202321堿度酚酞堿度：以酚酞作指示劑測得的堿度，酚酞的變色范圍為pH=8.0—10.0，中和反應為：甲基橙堿度：以甲基橙作指示劑測得的堿度，甲基橙的變色范圍為pH=3.1—4.1，此時堿性離子全部被中和，以甲基橙為指示劑，其中和反應為：總堿度2/5/202322堿度爐水堿度過高的危害：①水冷壁管的堿性腐蝕和應力腐蝕。②使爐水產(chǎn)生泡沫而影響蒸汽的質(zhì)量。③對于鉚接和脹接鍋爐，堿度過高還會引起苛性脆化。2/5/2023232.5.2水質(zhì)指標5.含鹽量表示各種鹽類的總和。①用溶解固形物的量（）近似表示。②用電導率表示。③用表示。2/5/2023242.5.3爐內(nèi)鍋水處理目的：生成松散的水渣。（1）加純堿（）處理(壓力<1.5MPa)作用：維持鍋內(nèi)水的一定堿度和足夠數(shù)量的，使生成和水渣，而不是水垢：維持足夠濃度的，還可阻止堅硬密實的泥石狀水垢的形成。2/5/2023252.5.3爐內(nèi)鍋水處理(2)加磷酸鹽處理（壓力>1.5MPa）鍋內(nèi)處理使用的磷酸鹽有：（三聚磷酸鈉）、（六偏磷酸鈉），常用的是。

加入還可以使鍋爐金屬的表面上生成磷酸鹽的保護膜，防止鍋爐金屬的腐蝕。但濃度不能過高，否則會生成水垢，而且會導致溶解固形物含量增加。松軟，溶解度小2/5/2023262.5.3爐內(nèi)鍋水處理（3）加入有機阻垢劑有機阻垢劑有EDTA(乙二胺四乙酸)、單寧酸、木質(zhì)素、有機膦酸鹽、聚羧酸鹽等。有機阻垢劑的作用比較復雜，主要有：①螯合作用②分散作用③晶格畸變作用2/5/2023272.5.3爐內(nèi)鍋水處理（4）復合阻垢劑幾種防垢劑按一定的比例混合在一起。例如：將碳酸鈉、磷酸鈉、氫氧化鈉、栲膠組合成復合防垢劑。碳酸鈉：提供離子，促使生成水渣。磷酸鈉：提供離子，促使生成水渣。氫氧化鈉：提供離子，促進生成水渣。栲膠：主要成分是單寧，帶負電荷，穩(wěn)定水渣，易氧化，可去氧，形成單寧酸鐵，金屬防腐。2/5/2023282.5.4爐外給水處理低壓鍋爐一般采用鍋內(nèi)投藥處理就能滿足水質(zhì)要求，而中、高壓鍋爐對水質(zhì)要求更高，必須采取鍋外處理的方法。目的：①盡量減少給水中結(jié)垢物質(zhì)的含量；②除氧、除鹽，以防止鍋爐結(jié)垢和腐蝕。給水處理的方法：離子交換法軟化水；給水除氧；電滲析法脫鹽、反滲透法脫鹽、磁化防垢。2/5/202329（1）離子交換法軟化水通過離子交換樹脂來進行。①陽離子交換樹脂：大都含有酸性基團，如羧酸（-COOH）、磺酸（），苯酚基（）等。

(H)Mg(H)氫型用HCl溶液洗滌再生，鈉型用NaCl洗滌再生。②陰離子交換樹脂：大都含有胺類極性基團，如胺基（）,亞胺基（-NRH）、季胺基（）等，陰離子交換樹脂可用NaOH溶液再生。2/5/202330（2）給水除氧①熱力去氧：將軟水在熱力除氧器中加熱到沸騰，同時還可除去等腐蝕性氣體。②真空除氧：將水通入真空式除氧器。這種方法也可同時除去其他腐蝕性氣體。③化學除氧：往往與熱力除氧聯(lián)用。常用的還原劑是(低壓)和聯(lián)胺（）(中壓以上)。注意：過量，會產(chǎn)生和等腐蝕性氣體。聯(lián)胺（肼）不增加總含鹽量。但聯(lián)胺對眼睛、皮膚和肺部都有刺激，使用時應注意安全。2/5/2023312.5.5汽水共騰現(xiàn)象隨著鍋爐水的蒸發(fā)、濃縮，含鹽量及堿度逐漸增大，達到一定值后，在鍋筒蒸發(fā)面上會產(chǎn)生泡沫，嚴重時可使汽、水界面不分，蒸汽中攜帶大量水滴，蒸汽質(zhì)量顯著惡化，這種現(xiàn)象稱為汽水共騰。2/5/202332汽水共騰的原因①水質(zhì)惡化：爐水的鹽度和懸浮物濃度增高，表面張力增大，上升的氣泡被表面濃厚的水膜包住，氣泡不易逸出，氣、水很難分離，氣泡逐漸積累到大量氣泡迸發(fā)出水面就造成汽水共騰現(xiàn)象②鍋爐運行不平穩(wěn)：鍋爐運行中負荷急劇增大，導致汽水筒壓力驟減，也會引起汽水共騰現(xiàn)象。2/5/202333危害及措施危害：①蒸汽溫度下降，造成燃料損耗；②雜質(zhì)帶入用汽設備生成鹽垢，影響傳熱，造成腐蝕和磨損。③水位計顯示不正確，影響安全。措施：①減少進入鍋爐的雜質(zhì)量；②嚴格控制排污，保持堿度和含鹽量在一定的標準；③避免鍋爐負荷急劇上升；④加入泡沫抑制劑。2/5/202334SurfaceActiveAgent，SAA2.6表面活性劑2.6.1

表面吉布斯自由能與表面張力2.6.2

表面活性劑及其分類2.6.3

表面活性劑的基本性質(zhì)2.6.4

表面活性劑的應用2/5/2023352.6.1.1表面吉布斯自由能2.6.1.2表面張力2.6.1.3影響表面張力的因素2.6.1表面吉布斯自由能與表面張力2/5/202336表面層分子受到垂直指向液體內(nèi)部的拉力，這種拉力要把表面層分子拉入液體內(nèi)部。任何一個相，其表面分子與內(nèi)部分子的狀態(tài)不同。水滴，汞滴自動呈球形，為什么？2.6.1.1表面吉布斯自由能2/5/2023372.6.1.1表面吉布斯自由能擴展液體的表面，克服向內(nèi)的拉力，環(huán)境對系統(tǒng)所做的功稱為表面功，用W表表示。環(huán)境對系統(tǒng)做功所消耗的那部分能量被表面分子所獲得而貯存于表面，這部分能量稱為表面吉布斯自由能或表面能(surfaceenergy)，用?G表示。2/5/202338比表面吉布斯自由能

σ的物理意義： 在恒溫恒壓和組成恒定下，每增加單位表面積時系統(tǒng)所增加的吉布斯函數(shù)。其單位為J·m-2。2/5/2023392.6.1.2表面張力比表面吉布斯能σ在數(shù)值上等于沿液體表面垂直作用在單位長度線段上的表面緊縮力，即表面張力(surfacetension)，其單位為N·m-1。

2/5/202340表面張力永遠與液體表面相切：比表面吉布斯自由能與表面張力數(shù)值相等，量綱一致，但物理意義有所不同，所用單位也不同。2.6.1.2表面張力2/5/202341

2.6.1.3影響表面張力的因素液體分子間相互作用力越大，其表面張力越大。金屬鍵物質(zhì)最大，其次是離子鍵，再次是極性共價鍵，最小的為非極性共價鍵。固體物質(zhì)比液體大固態(tài)物質(zhì)溫度/Kσ×103/N·m-1氣氛銅銀錫1323102348816701140685Cu蒸氣真空FeOAl2O317002353482700Cl2-24325.562/5/2023422.6.1.3影響表面張力的因素表面張力隨相互接觸的兩種物質(zhì)的性質(zhì)不同而不同。水(W)液體(B)σW×103/N·m-1σB×103/N·m-1σWB×103/N·m-1水苯72.7528.935.0水四氯化碳72.7526.845.0水正辛烷72.7521.850.8水正已烷72.7518.451.1水汞72.75470.0375.0水辛醇72.7527.58.5水乙醚72.7517.010.7W/B界面的張力2/5/2023432.6.1.3影響表面張力的因素同種物質(zhì)的表面張力一般隨溫度升高而逐漸減小。液體物質(zhì)273K293K313K333K353K373K水75.6472.7569.5666.1862.6158.85乙醇24.0522.2720.6019.01--苯31.628.926.323.721.3-丙酮26.223.721.218.616.2-2/5/202344凡是能使溶液的表面張力升高的物質(zhì)，皆稱為表面惰性物質(zhì)。（I）凡是能使溶液的表面張力降低的物質(zhì)，從廣義來講，皆可稱之為表面活性物質(zhì)或表面活性劑（surfaceactiveagent，SAA）。（II、III）2.6.2.1溶液的表面張力與表面活性劑表面張力與濃度關系示意圖

2.6.2表面活性劑及其分類2/5/2023452.6.2

表面活性劑及其分類2.6.2.2

表面活性劑的結(jié)構特點表面活性劑（surfaceactiveagent）分子具有不對稱兩親結(jié)構一端是非極性的碳氫鏈（烴基）,與水的親和力極小，常稱疏水基（hydrophobicgroup）。另一端則是極性基團（如－OH、－NH2、－COOH、－SO3H等），與水有很大的親和力，故稱親水基（hydrophilicgroup）。

2/5/202346表面活性分子具有不對稱兩親結(jié)構硬脂酸鹽2.6.2.2表面活性劑的結(jié)構特點2.6.2

表面活性劑及其分類2/5/2023472.6.2.3

表面活性劑的分類2.6.2表面活性劑及其分類親水基疏水基表面活性劑分子（兩親分子）離子型表面活性劑非離子型表面活性劑陽離子型兩性陰離子型2/5/202348表面活性劑分子不對稱的兩親結(jié)構，就決定了表面活性物質(zhì)的界面吸附、分子的定向排列以及形成膠束這些基本性質(zhì)。膠束(micelle)是若干個SAA分子排列成憎水基團向內(nèi)，親水基團向外的多分子聚集體。因此，膠束在水溶液中可以穩(wěn)定地存在，它的形狀可以是球狀，棒狀或?qū)訝睢?.6.3

表面活性劑的基本性質(zhì)2/5/202349膠束形成過程與表面活性劑濃度的關系形成一定形狀的膠束所需SAA的最低濃度，稱為臨界膠束濃度，以CMC(criticalmicelleconcentration)表示。由于膠束是親水性的，不具有表面活性，不能使表面張力進一步降低。2.6.3表面活性劑的基本性質(zhì)2/5/2023502.6.3表面活性劑的基本性質(zhì)臨界膠束濃度是表面活性劑的溶液性質(zhì)發(fā)生顯著變化的“分水嶺”，在臨界膠束濃度的前后，不僅溶液的表面張力在顯著變化，許多物理性質(zhì)產(chǎn)生很大的變化。2/5/2023512.6.4

表面活性劑的應用2.6.4.1潤濕作用2.6.4.2乳化作用2.6.4.3發(fā)泡和起泡作用2/5/202352潤濕(wetting)通常是指液體和固體接