1、工业锅炉给水处理7、1 水中的杂质和水质指标 7、2 锅炉受热面的结垢与腐蚀 7、3 钠离子交换软化 7、4 离子交换除碱 7、5 其他水处理方法 7、6 水的除气 7、7 锅炉排污 第七章 工业锅炉给水处理 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。第一节 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以下三类：1、悬浮物：指水流动时呈悬浮状态的物质，其颗粒直径在10-4mm以上，通过滤纸可以分离出来。主要是泥砂、动植物残渣
2、、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10-610-4mm之间。水中胶体物质有铁、铝、硅的化合物以及动植物的腐败物。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。单位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（蒸发残渣）。单位mg/
3、L表示。（3）硬度（H）指溶解于水中能够形成水垢的 物质。（钙、镁盐类）因此，把水中钙、镁离子的总浓度称为总硬度（H），单位mmol/L。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根（HCO3）和钙、镁形成的的碳酸盐Ca（HCO3）2 Mg(HCO3)2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 CaCO3、MgCO3、Mg(OH)是松散的水渣，通过排污排出炉外。因此也叫暂时硬度。
4、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，所以又称为永久硬度。总硬度等于暂硬度和永久硬度之和，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。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-+H2O2、水中的暂时硬度是钙、镁与HCO3-
5、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。水中硬度和碱度的内在关系可归结为以下三种情况：硬度和碱度的相互关系）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。）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。酸性水会对金属产生酸腐蚀，因此锅炉给水要求pH7；锅水的pH值要求控制在1012。硬度分析结果HH“负硬
6、度”HAH=AH AAAHH-A0000A-H）溶解氧（）指溶解于水中的氧气含量，单位为mg/L。水中深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。）磷酸根（）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-）它是给水采用化学药剂亚硫酸钠除氧时残留在水中的，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）
7、水质指标常用的单位1、毫摩尔/升（mmol/L）（再数值上与习惯用的毫克当量升的表示方法相符）2、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1G。3、百万分之一单位（ppm）一百万份溶液中，含有一份某种物质的量，就称为含有这种物质为1ppm。在锅炉水分析中，为了便于计算，水中杂质都折算为（CaCO3），即：1ppm就等于1106mg溶液中有1mg碳酸钙（CaCO3）。换算关系 1mmol/L=2.8G 1mmol/L=50.110-4%1G=17.910-4%。（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
8、。我国现行的工业锅炉水质标准（GB15762001）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。（见教材）第二节 锅炉受热面的结垢与腐蚀天然水中的悬浮物和胶体物质在水厂里通过混凝和过滤处理后大部分被清除。但水中的一部分溶解盐类（钙、镁盐类）在锅炉运行时就会析出或浓缩沉淀出来。沉淀物的一部分比较松散，称为水渣；而另一部分附着在受热面内壁，形成坚硬而致密的水垢。一、水垢的危害：1、影响传热 水垢的导热系数为钢的导热系数的150130，锅内结垢锅炉的传热能力下降，使锅炉的排烟温度升高，耗煤量增加，效率降低
9、。根据试验，锅筒内壁附着1mm厚的水垢，就要多耗煤2%3%。2、引起爆管事故 水垢的导热性能差，受热面的壁温大为增高，金属的机械强度下降，导致管壁起包或出现裂缝，甚至爆裂。3）破坏水循环 锅炉水管结垢后，管内流通截面积减小，流动阻力增加，严重时会将水管完全堵塞，破坏水循环，最终使管子烧坏。4）水垢清理困难 水垢的附着力很强，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、锅炉的腐蚀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。这两种腐蚀均为局部腐蚀，即在金属表在产生溃伤性或点状腐蚀，严重时使管壁穿孔，造成事故。结 论 要保证锅炉的安全、经济
10、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。第四节 钠离子交换软化离子交换软化 是利用不产生硬度的阳离子（如Na+、H+）将水中的Ca2+、Mg2+置换出来，达到软化的目的。离子交换软化主要通过离子交换剂来实现。一、离子交换剂离子交换剂：不溶于水，但可用自己的离子把水溶液中Ca2+、Mg2+离子置换出来的颗粒物质称为离子交换剂，它是一种高分子化合物。常用的有机离子交换剂有磺化煤和合成树脂两种。1、磺化煤 是将烟煤破碎，用浓硫酸处理（称磺化）而制成的。由于其交换能力
11、小、化学稳定性差、机械强度低、易碎。逐步被合成树脂代替。2、合成树脂（离子交换树脂）是人工合成的高分子化合物。其交换能力大，机械强度高，工作稳定性较好，近年来被广泛使用。目前广泛采用的是阳离子交换水处理有钠离子、氢离子、铵离子交换等方法。通常用R表示离子交换剂中复合阴离子根。NaR表示为钠离子交换剂，HR表示为氢离子交换剂。二、钠离子交换软化原理1、与碳酸盐硬度Ca(HCO3)2+2NaR=CaR2+2NaHCO3Mg(HCO3)2+2NaR=MgR2+2NaHCO32、与非碳酸盐硬度CaSO4+2NaR=CaR2+Na2SO4MaCl2+2NaR=MgR2+2NaCl从上述反应得出以下结论：
12、1）经钠离子交换后，水中的钙、镁盐类都变成了钠盐，因此，除去了水中的硬度。）原水中的暂时硬度均转变为钠盐碱度NaHCO3，所以，钠离子交换只能软化水，但不能除碱。）由于Na+的当量值要比Ca2+、Mg2+的当量值大，故经钠离子交换后，软水中的含盐量有所增加。随交换软化的进行，交换剂的NaR型变为CaR2和MgR2型。交换剂已失去交换能力，则认为交换剂已经“失效”，此时应立即停止软化。这时要对交换剂进行再生（也称还原），以恢复交换剂的软化能力。常用的再生剂是食盐NaCl。方法是让质量分数5%8%的工业食盐水溶液流过失效的交换剂层进行再生，再生反应如下：CaR2+2NaCl=2NaR+CaCl2M
13、gR2+2NaCl=2NaR+MgCl2再生生成物CaCl2和MgCl2易溶于水，可随再生废水一起排掉。三、固定床钠离子交换设备及其运行固定床离子交换器，是指运行时交换器中的交换剂层是固定不动的，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有500mm、750mm、1000mm、1200mm、1500mm、及2000mm等，交换剂层高有1.5m、2m及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。（一）顺流式再生顺流式再生是指交换运行量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 它由交换器壳体、进水装置、再一液分
14、配装置、底部排水装置和顶部排气管等组成。（见图）2、离子交换器运行 通常分四个步骤。（1）软化 方法 原水由上部进入交换器内分配漏斗，自上而下均匀地流过交换剂层，软水由底部集水装置汇集，送往软化水箱。要求 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 是松动软化时被压实了的交换剂层，为还原液与交换剂充分接触创造条件，同时带走交换剂表层的污物和杂质。方法 使具有一定压力的反洗水自下而上流过交换剂层，从顶部排出。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1015min。（3）再生 目的 使失效的交换剂恢复交换能力。方法 盐液由顶部多个辐射型喷嘴喷
15、出，流过失效的交换剂，废盐液经底部集水装置汇集。要求 再生流速一般为48m/h。（4）正洗 目的 是清除交换剂中残余的再生剂和再生产物。方法 自来水从上部进入，从下部排出。要求 正洗水耗通常为36m3/m3树脂，正洗速度为68m/h，正洗时间为3040min。正洗结束后，又可开始软化。3、顺流再生离子交换器的操作软化 阀门1和2开 反洗 阀门3和5开 再生 阀门4和6开 正洗 阀门1和6开4、顺流再生固定床的优点：结构简单，运行维修方便，水质适应性强。缺点：再生效果差，盐液耗量大。（二）逆流再生钠离子交换器及其运行逆流式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。盐液从交换器下部进入
16、，上部排出。逆流再生离子交换的优点是出水质量高、盐耗低等，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。防止乱层的措施：在结构上，在交换剂表面层设有中间排水装置。在交换剂表面铺设150200mm厚的压实层，（2530目的聚乙烯白球或失效树脂）从交换器顶部送入0.030.05Mpa的压缩空气。1、压缩空气顶压法逆流再生操作步骤：（1）小反洗 方法 交换器运行失效时停止运行，反洗水从中排装置引进，经进水装置排走，以冲去积聚在表面层及中排装置以上的污物。要求
17、 反洗流速控制在510m/h，时间35min，（2）排水 开起空气阀和再生液出口阀，放掉中排管上部的水，使压实层呈干态。（3）顶压 关闭空气阀和排再生液阀，开起压缩空气阀，从顶部通入压缩空气，并维持0.030.05Mpa顶压。（4）再生 方法 在顶压情况下，开起底部进再生液阀门，使再生液从下部送入，随适量空气从中排装置排出。要求 再生液流速25m/h，再生时间一般为4050min。（5）逆流冲洗 方法 当再生液进完后，关闭再生阀门，开启底部进水阀，在有顶压的状态下进行逆流冲洗，从中排装置排水，要求 时间一般为3040min。（6）小正洗 方法 停止逆流冲洗和顶压，放尽交换器内的剩余空气，从顶部
18、进水，由中间排水装置放水。要求 清洗渗入压实层中及其上部的再生液，流速1015m/h，时间约为10min。（7）正洗 水从上部进入，由下部排放。直到出水符合给水标准，即可投入运行。交换器在运行20个周期之后，要进行一次大反洗，以除去交换剂层中的污物和破碎的交换剂颗粒，此时从交换器底部进水，从顶部排水装置排水。压缩空气顶压法逆流再生操作步骤见下图。（三）钠离子交换软化系统常用的钠离子交换软化系统有单级钠离子交换软化系统和双级钠离子软化系统。当单级钠离子交换系统的出水不能满足锅炉给水水质要求时，可采用双级串联的钠离子交换系统四、再生液（食盐溶液）制备系统工业锅炉房常用的盐液制备系统有压力盐溶解器和
19、盐液池配盐液泵两种。（一）盐溶解器1、构造 压力式盐溶解器为密闭钢制容器，内涂防腐层，内装滤料（石英砂、大理石工无烟煤），有溶解食盐和对盐水过滤的双重作用，其结构和工作如图所示。（二）盐液池配盐液泵系统这是当前工业锅炉房用得最多的系统。盐液池包括浓盐液池和稀盐液池。浓盐液池用于湿法贮存并配制饱和含量的盐溶液。稀盐液池用于配制所需含量（5%8%）的盐液。（见图）盐溶液池一般用混凝土或塑料制成，两池可采用多孔隔板连通溶液或用底部连通管连通。盐液泵为耐腐蚀的塑料泵或不锈钢泵，扬程一般在1020m水柱，一般不设备用泵。第四节 离子交换除碱一、氢钠离子交换原理及系统将离子交换剂用酸（HCl或H2SO4）
20、溶液去还原，则变成氢离子交换剂（HR），原水流经氢离子交换剂后，水同样可以得到软化，其化学反应方程式如下：对碳酸盐硬度Ca(HCO3)2+2HR=CaR2+2H2O+2CO2Mg(HCO3)2+2HR=MgR2+2H2O+2CO2对非碳酸盐硬度CaSO4+2HR=CaR2+H2SO4MgCl2+2HR=MgR2+2HCl由以上化学反应可见：1）水中的暂硬度转变成水和二氧化碳，在消除硬度的同时降低了水的碱度和盐分，其除盐、除碱的量与原水中的暂时硬度的量相等。2）在消除永久硬度的同时生成了等量的酸。由于出水呈酸性，且处理后的水不能直接送入锅炉，所以它不能单独使用。必须与钠离子交换联合使用，称为氢-
21、钠离子交换，使氢离子交换后产生的游离酸与经钠离子交换生成的碱相互中和，达到除碱的目的，即 H2SO4+2NaHCO3=Na2SO4+2H2O+2CO2HCl+NaHCO3=NaCl+H2O+CO2结论 既消除了酸性，降低了碱度，又消除了硬度，并使水中的含盐量有所降低。氢-钠离子交换有并联、串联和综合式三种系统。二、铵-钠离子交换原理铵-钠离子交换与氢-钠离子交换工作原理相同，只是用氯化铵为还原液，使之成为铵离子交换剂NH4R，即CaR2+2NH4Cl=2NH4R+CaCl2MgR2+2NH4Cl=2NH4R+MgCl2铵离子交换剂使水中暂时硬度软化Ca(HCO3)2+2NH4R=CaR2+2N
22、H4HCO3Mg(HCO3)2+2NH4R=MgR2+2NH4HCO3重碳酸铵（2NH4HCO3）在锅内受热以后可以分解NH4HCO3=NH3+H2O+CO2使水中永久硬度软化CaSO4+2NH4R=CaR2+(NH4)2SO4MgCl2+2NH4R=MgR2+2NH4Cl硫酸铵及氯化铵在锅内受热分解而形成酸(NH4)2SO4=2NH3+H2SO4NH4Cl=NH3+HCl铵离子交换一般与钠离子交换并联使用，使铵盐受热分解所生成的酸与钠离子交换后的NaHCO3加热分解所生成的碱中和，既去除了酸，又降低了锅水的碱度。说明铵离子交换的除碱除盐效果，必须在软水受热后才呈现。铵离子交换要受热后才呈现酸
23、性，同时不用酸还原，不需防酸措施。铵离子交换处理的水受热后产生氨等气体，会对设备及附件产生腐蚀。第五节 其他水处理方法一、锅内水处理对于一些小容量的锅炉，对锅炉给水的水质标准要求较低，常采用锅内水处理的方法。锅内水处理就是向锅炉（或给水箱）内投加药剂，使水中结垢物质生成松散的水渣，通过排污排出，达到防止结垢和减轻腐蚀的目的。常用的有磷酸三钠、纯碱（碳酸钠）和火碱（氢氧化钠），其中以纯碱使用得最普遍。二、物理水处理物理水处理就是不用加药产生化学反应，而是采用物理方法来达到消除水中硬度或改变水中硬度盐类的结垢性质。常用的物理水处理有磁化法和高频水性改变法。二、电渗析水处理电渗析是一种电化学除盐方法
24、。在直流电场的作用下，利用阴、阳离子膜对水中杂质的阴、阳离子的选择透过性，将水中的阴阳离子和水分离，汇集一起排掉，达到除盐的目的。第六节 水的除气水中溶解氧、对锅炉金壁面会产生化学腐蚀，因此必须采取除气（氧气）措施。一、除氧原理1、从气体溶解定律（亨利定律）可知，气体在水中的溶解度与该气体在气水界面上的分压力成正比，与水温成反比。在敞开的设备中将水加热，水温升高，气水界面上的水蒸汽分压增大，其他气体的分压降低。2、当水达到沸点时，水界面上的水蒸气分压力增大，其他气体的分压力趋于零，水中溶解气体的含量也趋于零。要使水温达到沸点，可采用加热法（热力除氧）或抽真空的方法（真空除氧）。3、还可使界面上
25、的空间充满不含氧的气体使界面上的氧气分压力降低（解吸除氧）。4、采用水中加药来消除溶解氧的方法（化学除氧）二、热力除氧工业锅炉常用的是大气式热力除氧器。其工作压力为0.02Mpa，工作温度104。（一）构造 热力除氧器由除氧头（脱气塔）和除氧水箱组成。（如图所示）（二）工作过程1、软水 除氧头上部进水管喷嘴向下淋水盘上层挡板填料下层孔板水箱2、蒸汽除氧头下部下层孔板填料上层孔板淋水盘挡水板排出管排气冷却器凝结水凝结水箱（三）使用要求1、为保证锅炉给水泵的可靠运行，除氧水箱应防在锅炉给水泵的上方，除氧水箱最低水位与锅炉给水泵中心线的高差不应小于67m，防止水泵吸入口汽化。2、应装设蒸汽和给水自动
26、调节器，进行自动调节。三、真空除氧（一）方法 利用抽真空的方法，使水面上的压力低于大气压力，降低了水的沸点，使水在60C下沸腾，水中的溶解氧析出。（二）构造 常用的是整体式低位水喷射真空除氧器，如图7-15。它将除氧器及进水加热器、水喷射器、循环水箱等组成一个整体。除氧器内的真空度可借蒸汽喷射器或水喷射喷射器来实现。（三）特点不用蒸汽，锅炉给水温度低，可以充分利用省煤器，降低了排烟热损失。但自动化程度高。故使用较少。四、解吸除氧（一）方法 是将不含氧的气体与待除氧的软水强烈混合，使软水中的溶解氧大量析出并扩散到无氧气体中去，达到除氧的目的。（二）构造 解吸除氧装置如图7-16。（三）工作过程
27、无氧气体 软水水泵水喷射器水扩散器水混合器解吸器无氧水无氧水箱四、化学除氧向水中加入化学药剂，或令水流经装有吸氧物质的过滤器，达到除氧的方法称为化学除氧。常用的有钢屑除氧、海绵铁除氧、药剂除氧、树脂除氧等，第七节锅炉排污 为了控制锅炉锅水的水质符合规定标准，常采用锅炉排污的方法，即经常放掉一部分锅水，同时补入等量的给水，来降低锅水的含盐量。锅炉的排污有定期排污和连续排污。一、定期排污定期排污主要是排除沉积在底部的水渣和沉淀物，同时也排除盐分，所以定期排污管开设在锅筒、水冷壁各下集箱的最低处，也称底部排污。二、连续排污连续排污是排除锅水中的盐分杂质，由于上锅筒蒸发面附近的盐分浓度较高，所以连续排污管设在上锅筒低水位下面，也称表面排污。锅炉的连续排污量大小，和给水的品质有关。给水的碱度及含盐量越大，锅炉的排污量愈多。排污量的计算，可按含碱量和含盐量分别计算，取大值。、按含碱量计算含碱量的平衡关系式为 DbAb+DhAq=DpAg+DAq式中 D锅炉的蒸发量（g/h）；Dp锅炉的排污水量（t/h）；Dh锅炉凝结水回收量（t/h）；Db锅炉的补给水量（t/h）；Ab锅炉的补给水碱度（mmol/L）；Aq蒸汽带走的碱度（mmol/L）；Ag锅炉允许的碱度（mmol/L）。因蒸汽及凝结水中的含碱量很小，与补给水的含碱量相比可忽略不计。排污率P1表示
