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工业水处理技术 简述 工业水处理技术既是一门边缘科学 又是一门实用技术 在全世界面临淡水资源紧张的情况下 在热工装置和化工 轻工 冶金 机械 电子等行业对超纯水和冷却水的要求日益提高的情况下 推广使用工业水处理技术有着很大的意义 2020 3 27 一 水的基本知识二 水的净化三 水的软化和除盐处理四 炉水处理五 循环冷却水的化学处理 2020 3 27 一 水的基本知识 水有固态 液态 气态的三态变化 水的融点为0 沸点为100 常温下为液态存在 工业生产中 常利用固 液 气三态变化的特性 来进行能量的变换 水中的杂质种类很多 按其性质可分为有机物 无机物和微生物 按分散体系分类 即按杂质粒子的大小及同水之间的相互关系来分类 可分为以下三类 2020 3 27 1 分子 离子分散系 小于1nm 包括有机 无机的低分子物及其离子 在水中成容易溶液 2 胶态分散系 大小由1 200nm 其中有的高分子物已溶液存在 溶胶微粒已溶胶存在 3 粗分散系 大于200nm 0 2um 其中有悬浊液和乳浊液 2020 3 27 二 水的净化 地面水源和地下水源都含有很多杂质 地面水源中粗大的杂质较多 但在取水过程已被去除 所以原水处理一般是指去除那些较细小的杂质 原水中细小杂质主要是溶解在水里的盐类 悬浮杂质和胶体颗粒 一般说来 地面水中悬浮物含量较多 而地下水中溶解盐类含量要高一些 采用物理化学方法进行水处理可分为三种情况 一是在处理过程中只发生物理变化 二是在处理过程中只发生化学变化 三是在处理过程中同时发生物理及化学变化 2020 3 27 水的预处理是在水精制处理之前 预先进行的初步处理 以便在水的精处理时取得良好效果 提高水质 因为自然界的水都有大量的杂质 如泥沙 黏土 有机物 微生物 机械杂质等 这些杂质的存在 严重影响精制水的水质与处理效果 因此必须在精处理之前将一些杂质降低或除去 这就需要预处理 有时也称前处理 预处理的方法很多 主要有预沉 混凝 澄清 过滤 软化 消毒等 用这些方法预处理之后 可以使水的悬浮物 浑浊度 色度 胶体物 有机物 铁 锰 暂时硬度 微生物 挥发性物质 溶解的气体等杂质除去或降低到一定的程度 2020 3 27 综能公司原水站蓄水池 2020 3 27 综能公司原水站PCF过滤器 2020 3 27 水预处理的主要目的 减少后段处理和深度处理的负荷延长装置的寿命和减少药剂的投加减低总的费用和成本 2020 3 27 三 水的软化和除盐处理 天然水中含有各种盐类 这些盐类溶解为阳离子和阴离子 主要有Ca2 Mg2 Na 和HCO3 SO42 Cl 等 含有这些盐类的水 在加热蒸发浓缩的过程中 如锅炉用水 Ca2 Mg2 等离子不断地与水中某些阴离子结合成难溶物质而析出 并生成水垢 附在锅炉的受热面上 由于水垢的导热性能很差 从而阻碍了热交换 大大降低了锅炉的热效率 既浪费燃料又易烧坏部件 并危及安全 造成不良后果 为了消除或减少这些危害 就要把水中能形成水垢的硬度成分 如钙 镁离子 还有其他高价金属离子如铁 铝 锰等 可略去不计 予以去除 因此 就需要进行水的软化处理 2020 3 27 软化水 是指将水中硬度 主要是指水中钙 镁离子 去除或降低到一定程度的水 其电导率一般为1 0 10 0 S cm 电阻率 25 0 1 1 0 106 cm 含盐量为1 5mg L 纯水 是指水中的强电解质和弱电解质 如SiO2 CO2等 去除或降低到一定程度的水 其电导率一般为 1 0 0 1 S cm 电阻率 1 0 10 0 106 cm 含盐量10 106 cm 含盐量 0 1mg L 理想纯水 理论上 电导率为0 05 S cm 电阻率 25 为18 3 106 cm 2020 3 27 软化处理的基本方法有三种 1 化学软化法就是在水中加入一些药剂 从而把水中的钙 镁离子转变为难溶的化合物 并使其沉淀析出 如石灰软化法等 2 离子交换软化法利用离子交换剂活性基团中的H Na 等阳离子与水中的硬度成分Ca2 Mg2 进行离子交换 从而除去Ca2 Mg2 以达到软化的目的 3 热力软化法就是将水中热到100 或100 以上 在堵沸过程中 使水中的钙 镁的碳酸氢盐转变为CaCO3和Mg OH 2沉淀去除 热力软化法只能基本上除去碳酸盐硬度 而不能去除非碳酸盐硬度 此外 还有电渗析软化法等 但通常使用的主要方法是离子交换软化法和化学软化法 2020 3 27 由于近年来锅炉向高温高压化迅速发展 因此 对于锅炉补给水水质的要求也越来越高 需要把水中的盐类几乎除尽 为此 阴 阳离子交换技术得到迅速的发展 如用H型阳离子交换剂与水中的各种阳离子进行交换而放出H 而用OH阴离子交换剂与水中的各种阴离子交换而放出OH 这样 当水经过这些阴 阳离子交换剂的交换处理后 就会把水中的各种盐类基本除尽 这种方法 就称为水的化学除盐处理 2020 3 27 水的软化和化学除盐处理有三个不同 1 要除去水中的离子不同 软化仅要求除去水中的硬度离子 主要是Ca2 和Mg2 而化学除盐则必须把水中全部的成盐离子 阳 阴离子 都除掉 2 处理中使用的交换树脂有些不同 因为水的软化只要求除去水中的硬度离子 所以它可以使用阳离子交换树脂 也可以使用磺化煤做交换剂 水的化学除盐是要除去水中的全部成盐离子 所以它必须同时使用强酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂 而且不能使用盐型树脂3 使用的再生剂不同 水的离子交换软化 其交换剂失效后可以用盐类来再生 比如再生Na型离子交换剂就可以用食盐做再生剂 2020 3 27 传统除盐工艺 弱酸树脂 强酸树脂 弱碱树脂 强碱树脂主流除盐工艺 超滤 反渗透 混床 2020 3 27 综能公司除盐水站 2020 3 27 没有经过处理的水实际上是混合物 混合物之所以能被分离 是由于它们之间的物理或化学性质有所差异 我们就是利用这些差异将其分开的 性质完全相同的物质称为元素和化合物 元素和化合物是不能被分离的 性质愈相近 分离就愈困难 反之亦然 膜分离是利用一张特殊制造的 具有选择透过性能的薄膜 在外力推动下对混合物进行分离 提纯 浓缩的一种分离新方法 这种薄膜必须具有使用的物质可以通过 有的物质不能通过的特性 2020 3 27 工业水处理采用的膜分离技术主要有反渗透 RO 超滤 UF 和电渗析 ED 三种 以反渗透的应用最为广泛 但近年来 纳滤 NF 和不同一般微滤 MF 技术也开始应用于水处理的各个领域 2020 3 27 要了解反渗透法除盐原理 先要了解 渗透 的概念 渗透是一种物理现象 当两种含有不同浓度盐类的水 如用一张半渗透性的薄膜分开就会发现 含盐量少的一边的水分会透过膜渗到含盐量高的水中 而所含的盐分并不渗透 这样 逐渐把两边的含盐浓度融和到均等等为止 然而 要完成这一过程需要很长时间 这一过程也称为自然渗透 但如果在含盐量高的水侧 试加一个压力 其结果也可以使上述渗透停止 这时的压力称为渗透压力 如果压力再加大 可以使水向相反方向渗透 而盐分剩下 因此 反渗透除盐原理 就是在有盐分的水中 如原水 施以比自然渗透压力更大的压力 使渗透向相反方向进行 把原水中的水分子压到膜的另一边 变成洁净的水 从而达到除去水中盐分的目的 这就是反渗透除盐原理 2020 3 27 四 炉水处理 严格控制锅炉给水的水质有着十分重要的意义 它是防止热力系统设备的结垢 腐蚀和积盐的必要措施 并对锅炉安全 经济运行提供有力的保证 对锅炉给水水质进行严格监督的目的 具体地说有三条 2020 3 27 防止结垢 如果进入锅炉的水质不符标准 而又未及时正确处理 则经一段时间运行后 在和水接触的受热面上 会生成一层固体的附着物 水垢 由于水垢的导热性能很差 比金属要相差几百倍 因此 使得结垢部位温度过高 引起金属强度下降 局部变形 产生鼓泡 严重的还会引起爆裂事故 危及安全运行 结垢还会严重影响锅炉换热效果 大大地降低锅炉运行的经济性 如在省煤器中结有1mm厚水垢 燃料就得多耗1 5 2 0 由于结垢会使汽轮机凝汽器内真空度降低 从而使汽轮机的热效率和出力降低 严重时 甚至要被迫停产进行检修 因此 控制水质防止结垢十分重要 防止腐蚀 锅炉给水水质不良 会造成省煤器水冷壁 给水管道 加热器 过热器以及汽轮机冷凝器等的腐蚀 腐蚀不仅要缩短设备的使用寿命 造成经济损失 同时腐蚀产物又会黑心入水中污染水质 从而加剧了受热面的结垢 结垢又促进了垢下腐蚀 造成腐蚀和结垢的恶性循环 防止积盐 锅炉给水中的超量杂质和盐分 随蒸汽带出而沉积于过热器和汽轮机中 这种现象称为积盐 过热器的积盐会引起金属管壁过热 甚至爆裂 汽轮机内积盐会降低出力和效率 严重的会造成事故 由上可见 对于锅炉给水水质的严格控制是十分必要的 2020 3 27 锅炉给水与炉水的控制项目 给水控制项目 硬度 溶解氧 铁 铜 钠 二氧化硅 pH值 联氨 油等 炉水控制项目 总含盐量 SiO2 pH值 氯离子 Cl 磷酸根 PO43 2020 3 27 锅炉给水要求一定纯净的水质 以确保锅炉的安全经济运行 所以要经除盐处理 这是因为 未经除盐处理的水中除含有少量悬浮杂质外 还存在Ca2 Mg2 Na 等阳离子和SO42 Cl HCO3 HSiO3 等阴离子所组成的溶解盐类及O2 CO2等气体杂质 这些杂质随水进入锅炉中 会在锅炉及蒸汽系统中产生以下危害 2020 3 27 1 O2 CO2等气体在给水管路和热力设备中造成腐蚀 2 含有溶解盐类的水进入锅炉受热后 水不断被蒸发 盐类逐渐浓缩 超过其浓度积而析出产生沉积物 又由于钙镁盐类的溶解度随温度升高而降低及碳酸氢盐受热分解产生沉积物 反应式如下 Ca HCO3 2 CaCO3 H2O CO2 Mg HCO3 2 Ma OH 2 2CO2 由于上述原因 盐类物质在锅炉系统中极易生成水垢或水渣 水垢的热导率只有金属的几十至几百分之一 从而导致锅炉受热面热阻增加 使受热面受热不匀或局部过热 直至爆管的危险 这样就使设备寿命缩短 燃料消耗高 3 污染蒸汽 盐类及杂质进入锅炉系统后 由于水滴携带或蒸汽的溶解携带 水中钠盐 硅酸盐的气体杂质会带入蒸汽系统 锅炉的压力等级越高 携带量越大 这些杂质会造成热力设备的腐蚀 盐类物质会沉积在蒸汽通过的各个部位 如过热器 汽轮机等 影响机组的安全经济运行 由于上述原因 未经除盐处理的水不能作为锅炉给水 2020 3 27 五 循环冷却水的化学处理 随着工业的发展和生活的需要 水的用量急剧增加 因此 节约水资源成了当务之急 采用循环冷却水是节约水资源的重要途径 而且高浓缩倍数运行的循环冷却水还可以减少环境的污染 循环冷却水的结垢 腐蚀现象比较严重 容易滋生菌藻 以至影响设备的传热效率 威胁设备的使用寿命 因此需要对循环冷却水系统进行研究以避免这些可能的发生或减缓发生的时间 2020 3 27 被用作工业循环补充水的条件 水温在一定范围内尽可能的低水的浊度要低水质不易结垢水质对金属设备不易产生腐蚀水质不易滋生细藻 2020 3 27 在敞开式循环冷却水系统中 由于蒸发 系统中的水会愈来愈少 而水中各矿物质和离子含量就会愈来愈浓 为了使水中含盐量维持在一定的浓度 必须补入新鲜水 排出浓缩水 通常用浓缩倍数表示浓缩的程度 N C浓 C原离子电导率总固体含量 2020 3 27 R 循环量M 补加水N 浓缩倍率B 排污量D 风吹损失CMCR 盐溶度E 蒸发量M E B DE e t R B D 0 2 0 5 RN CR CMMCM BCRB MN 2020 3 27 金属的腐蚀和控制技术 由于金属和冷却水溶液的作用 使金属材料转化成离子或化合物而遭受损害并且使其使用性能恶化的现象称为冷却水对金属的腐蚀 实质 是水中的悬浮物 胶体 溶解盐类及溶解气体等杂质中氧化性的物质对金属发生物理的 化学的和电化学作用的结果 成膜处理钝化处理缓蚀剂的使用 2020 3 27 冷却水中污垢及其控制技术 循环冷却水系统在运行的过程中 会有各种物质沉积在换热器的传热管表面 这些物质统称为沉积物 它们主要是由水垢 淤泥 腐蚀产物和生物沉积构成 通常 人们把它们统称为污垢 污垢的危害 阻隔传热 阻塞水流 阻碍生产 补充水水质的控制循环水水质控制浓缩倍数投加阻垢剂 2020 3