饱和蒸汽污染溶解携带解析课件

1、1饱和蒸汽溶解携带基本规律马双忱1饱和蒸汽溶解携带基本规律马双忱21. 饱和蒸汽溶解物质的能力 研究证明，饱和蒸汽的压力愈高，它的性能愈接近于水的性能，高参数水蒸气的分子结构接近于液态水，所以高参数水蒸气也像水那样能溶解某些物质。 在锅炉汽包内，同时存在有水和饱和蒸汽，它们相当于互不相混的两种溶剂。按照溶质在两种互不相混的溶剂中分配的规律可以得知，饱和蒸汽溶解某物质的能力可用分配系数KF来表示，它表示某物质溶解在饱和蒸汽中的含量同与此蒸汽相接触的水中该物质含量的比值。21. 饱和蒸汽溶解物质的能力3 KF= 式中: KF某物质的分配系数； SSH水中某物质的含量； SB溶解在饱和水蒸气中某物质

2、的含量。由此式可知某物质的分配系数越大，表示饱和蒸汽溶解该物质的能力越大。3 KF= 4455667 上述公式推而广之，各物质的分配系数KF与饱和蒸汽的密度v和水的密度l的比值之间的关系如式所示： KF= ( )n式中：指数n决定于各种物质的本性，对于每一种物质来说，n是一个常数。其值为：nSiO2=1.9，nNaOH=4.1，nNaCl=4.4, nNa2SO4=8.4。 因为l总是大于v ， 1， n的数值愈大的物质，KF愈小。 也即看出SiO2在饱和蒸汽中的溶解能力最大。7 上述公式推而广之，各物质的分配系数KF与饱和蒸汽82. 饱和蒸汽溶解携带特点：（1） 有选择性。 当饱和蒸汽压力一

3、定时，由于各种物质的n值不同，所以各种物质的分配系数KF是不一样的，也就是说，饱和蒸汽对各种物质的溶解能力不相同。因饱和蒸汽对各种物质的溶解携带有选择性，故这种携带也称为选择性携带。 锅炉水中常见物质按其在饱和蒸汽中溶解能力的大小，可划分为三大类： 第一类为硅酸（H2SiO3、H2Si2O5、H4SiO4等，其通式为xSiO2.yH2O），其分配系数最大； 第二类为NaCl、NaOH等,它们的分配系数较硅酸低得多； 第三类为Na2SO4、Na3PO4和Na2SiO3等，在饱和蒸汽中很难溶解，它们的分配系数很小。82. 饱和蒸汽溶解携带特点：（1） 有选择性。9（2）蒸汽溶解携带量随压力的提高而

4、增大。 这可用上式按分配分配系数与蒸汽密度的关系来说明。 饱和蒸汽密度v与水的密度l 比v/l随着压力增加而增大，指数n在一定温度下是常数， 所以分配系数随着压力的提高而显著增大。 从图中可看出，饱和蒸汽的压力愈高，各种物质在其中的溶解度愈大。9（2）蒸汽溶解携带量随压力的提高而增大。10利用matlab可否得到密度比与压力的函数关系？10利用matlab可否得到密度比11 各种物质的分配系数与饱和蒸汽压力的关系 射线图（ray diagram）由美国科学家O.Jonas在1978年在Combustion首次发表，对电厂化学人员来说，该图是一个简单的经验工具来预测溶质从炉水到蒸汽中的挥发性携带

5、。射线图在接近临界压力时误差较大，有时可能差2个数量级。11射线图（ray diagram）由美国科学家O.Jona12Vaporous Carry-Over (Volatility) - is the evaporation of volatile molecular impurities from the boiler water. The degree of vaporous carry-over is expressed as a distribution ratio, which is the ratio of the concentration of a specific mole

6、cular compound in the steam to its concentration in the liquid water. The amount of vaporous carry-over depends on the chemical species that are present in the boiler water and the boiler pressure.Mechanical and Vaporous Carry-Over as a Function of Boiler Drum Pressure12Vaporous Carry-Over (Volatil按

7、一般的规则，盐、酸和碱在炉水中都倾向离子化，它们离子化的程度总是随着温度的升高而降低。不带电的非离子化的物质更容易进入蒸汽中。因此，只要可形成不带电的物质，它们总是成为从炉水向蒸汽中携带的主要路径。最新的研究结果还表明，采用磷酸盐处理炉水时，蒸汽溶解携带的主要是磷酸分子，采用氢氧化钠处理炉水时，蒸汽溶解携带的主要是钠与氢氧根以1：1的比例携带，采用挥发处理时蒸汽溶解携带的主要是氨分子。13按一般的规则，盐、酸和碱在炉水中都倾向离子化，它们离子化的程1414151：1离子化溶液分配系数的对数与绝对温度倒数的关系曲线151：1离子化溶液分配系数的对数与绝对温度倒数的关系曲线161617 以NaCl

8、为例，在饱和蒸汽压力为10.78Mpa时，其分配系数KFNaCl为0.006%； 在饱和蒸汽为13.72Mpa时，KFNaCl为0.01%，此值与现代超高压锅炉的机械携带系数大体相同； 当饱和蒸汽压力为17.64Mpa时，KFNaCl为0.3%，此值已大于机械携带系数。所以，当锅炉工作压力超过12.74Mpa时，第二类物质的分配系数已明显增大，必须考虑它们的溶解携带问题。 至于Na2SO4和Na3PO4, 在饱和蒸汽压力高达19.6Mpa时，它们的分配系数KF Na2SO4为0.01%，所以只对压力很高的亚临界压力汽包炉才考虑它们的溶解携带。17 以NaCl为例，在饱和蒸汽压力为10.78Mp

9、1818193. 饱和蒸汽对硅酸的溶解携带饱和蒸汽中硅酸的溶解特性。 饱和蒸汽中的硅化合物来源于炉水，在汽包锅炉内，由于水温很高，而且水的pH值较高，所以给水中溶解态的和胶态的硅化合物进入锅炉内后都成为溶解态的。 锅炉水中的硅化合物有一部分是溶解态的硅酸盐，另一部分是溶解态的硅酸（如H2SiO3、H2Si2O5、H4SiO4等）。 本书中所讲的水的含盐量，都是指水中各种硅化合物的总含量，即全硅含量，通常以SiO2表示。 饱和蒸汽对上述硅化合物的溶解性是不一样的，它主要是溶解硅酸，对硅酸盐的溶解能力很小。因此，在饱和蒸汽的硅化合物，都是硅酸（H2SiO3、H2Si2O5、H4SiO4等）。当饱和

10、蒸汽变成过热蒸汽时，H2SiO3或H2Si2O5等硅酸会发生失水作用而成为SiO2。 对于高压和高压以上的锅炉，饱和蒸汽的含硅量主要决定于它对硅酸的溶解携带。193. 饱和蒸汽对硅酸的溶解携带饱和蒸汽中硅酸的溶解特性。20 在实际工作中，我们常用所谓硅酸的溶解携带系数KSiO2来表示饱和蒸汽溶解携带硅酸的能力，KSiO2按饱和蒸汽的含硅量与锅炉水含硅量之比来计算，它们之间的关系如式： KSiO2= 式中: KSiO2硅酸的溶解携带系数； SBSiO2饱和蒸汽的含硅量； SGSiO2锅炉水的含硅量。20 在实际工作中，我们常用所谓硅酸21 硅酸的溶解携带系数与饱和蒸汽的压力和锅炉水中硅化合物的形

11、态有关。 前一个因素反映了饱和蒸汽溶解携带的共同规律，即饱和蒸汽的压力越高，对硅酸的溶解能力越大； 后一个因素反映了硅酸溶解的特殊规律，因为饱和蒸汽溶解的主要是硅酸，对硅酸盐的溶解能力很小，所以硅酸的溶解携带系数与锅炉水中硅化合物的形态有关。 硅酸的溶解携带系数KSiO2与硅酸的分配系数KFSiO2分配系数之间有以下关系： KSiO2= xKFSiO2 式中: x锅炉水中分子形态硅酸含量与全硅含量之比，称为硅酸盐的水解度 。 21 硅酸的溶解携带系数与饱和蒸汽的压力和锅炉水中硅化22（2） 锅炉水pH值对硅酸溶解携带系数的影响 锅炉水中硅化合物的形态决定于此锅炉水的pH值，所以pH值对硅酸溶解

12、携带系数有影响。 在锅炉水中，硅酸盐与硅酸之间处于水解平衡状态： SiO32-+H2O=HSiO3-+OH- HSiO3-+ H2O= H2SiO3+ OH- 从这些水解平衡式可以看出： 当提高锅炉水的pH值时，水中OH-浓度增加，平衡向生成硅酸盐的方向移动，使锅炉水中的硅酸减少。因此，随着锅炉水pH值的上升，饱和蒸汽中硅酸的溶解携带系数将减少。 当降低锅炉水的pH值，锅炉水中的硅酸增多，饱和蒸汽中硅酸的溶解携带系数将增大。 22（2） 锅炉水pH值对硅酸溶解携带系数的影响232324 （3） 硅酸溶解携带系数与蒸汽压力的关系。 前面已提到，硅酸的溶解携带系数与饱和蒸汽的压力有关。在中压、高压

13、和超高压汽包锅炉上测得的硅酸溶解携带系数，见表1。 这些数据证明：当锅炉水pH值一定时，随着饱和蒸汽压力的提高，硅酸的溶解携带系数迅速增大。 因为在高参数锅炉中硅酸溶解携带系数很大，所以只有当锅炉水含硅量很低时，它所产生蒸汽中的含硅量才能很小。 24 （3） 硅酸溶解携带系数与蒸汽压力的关系。25表1 硅酸的溶解携带系数（锅炉水pH值=910）25表1 硅酸的溶解携带系数（锅炉水pH值=910）26以汽包压力为10.78MPa的高压锅炉为例，KSiO2=1%，锅炉水允许的含硅量为不超过2mg/L；当锅炉压力更高时，锅炉水中允许的含硅量应更小，例如汽包压力为15.19MPa的超高压锅炉，KSiO

14、2=4%5%，如果蒸汽中允许的含硅量不超过0.02mg/kg（20ug/kg），那么超高压锅炉汽包内无蒸汽清洗装置时，锅炉水的含硅量应不超过0.40.5mg/kg。亚临界压力汽包炉锅炉水含硅量应不超过0.1mg/L（蒸汽标准10ug/kg， KSiO2=10%）。26以汽包压力为10.78MPa的高压锅炉为例，KSiO2=27Effect of silica and boiler water pH on the volatility of silica.Researchers have found that for any given set of boiler conditions usin

15、g demineralized or evaporated quality makeup water, silica is distributed between the boiler water and the steam in a definite ratio. This ratio, called the distribution ratio, depends on two factors: boiler pressure and boiler water pH. The value of the ratio increases almost logarithmically with i

16、ncreasing pressure and decreases with increasing pH. The effect of boiler water pH on the silica distribution ratio becomes greater at higher pH values. A pH increase from 11.3 to 12.1 reduces the ratio by 50%, while a pH increase from 7.8 to 9.0 has no measurable effect. 27Effect of silica and boil

17、er 28由此可知，为了保证蒸汽含硅量不超过允许值，锅炉压力愈高，锅炉水的含硅量应愈低。这就是说，对于高参数锅炉的给水含硅量要求很严，必须对其补给水进行彻底除硅，并且还要严格防止凝汽器泄漏。对于中压锅炉，KSiO2数值虽然较低（一般为0.05%），但是，如果锅炉水含硅量很高（例如当补给水未除硅或凝汽器泄漏严重时），且中压锅炉汽包内又没有蒸汽清洗装置，中压蒸汽含硅量也会超过规定的标准，并因此引起汽轮机内沉积SiO2。28由此可知，为了保证蒸汽含硅量不超过允许值，锅炉压力愈高，29SiO2 in steam in ppmPressure in barSiO2 in boiler (mg/L)SIL

18、ICA29SiO2 in steam in ppmPressure3030饱和蒸汽溶解携带氯离子的途径通常氯离子是以HCl和NH4Cl的形式同时被溶解携带到蒸汽中去，两者的比例取决于炉水的pH值和温度。在低氨浓度时，以HCl的形式为主；并且在高温时，水解离出的氢离子和氯离子以HCl的形式为溶解携带提供了主要的途径。在AVT工况下，高挥发性的氨可以导致比预测的炉水pH值低得多，例如，在25时测得炉水的pH值为9.3，而在300的炉水中pH仅为5.9，这就增加了以HCl为主要形式的溶解携带。如果炉水采用磷酸盐或氢氧化钠处理，由于这两种物质在高温炉水中仍然有较强的碱性，所以炉水中的HCl浓度减少，N

19、H4Cl的浓度增加，氯离子的携带就以NH4Cl的形式为主。31饱和蒸汽溶解携带氯离子的途径通常氯离子是以HCl和NH4Cl饱和蒸汽溶解携带钠盐的途径 炉水中常见的钠化合物有NaCl、Na2SO4、Na3PO4、Na2HPO4和NaOH等。炉水中之所以存在NaOH是因为炉水采用磷酸盐处理时，磷酸三钠的水解或直接向炉水中加入NaOH。按射线图提供的汽、水分配系数，Na2SO4的分配系数都比NaOH低2个数量级，蒸汽以Na2SO4的形式溶解携带钠盐的可能性几乎没有。NaCl、Na3PO4、Na2HPO4比NaOH低不足1个数量级，这几种钠的化合物都有可能被溶解携带。离子色谱分析表明，在亚临界汽包锅炉

20、蒸汽中的酸根离子浓度与钠离子的摩尔比远小于1，说明炉水中有一部分NaOH被蒸汽溶解携带。虽然NaCl的挥发性仅次于NaOH，但是为了保持炉水的碱性，通常炉水中的NaOH浓度比NaCl高得多，所以，饱和蒸汽溶解携带钠时往往以NaOH为主。蒸汽中的NaOH和NaCl都会使过热器的奥氏体不锈钢和汽轮机材料发生应力腐蚀开裂。32饱和蒸汽溶解携带钠盐的途径 炉水中常见的钠化合物有NaCl、33蒸汽清洗 汽水分离装置只能减少蒸汽带水，不能减少溶解携带，所以高压和超高压锅炉汽包内仅仅有汽水分离装置，往往不能获得良好的蒸汽汽质。为了减少蒸汽的溶解携带，在高压和超高压锅炉汽包内装设蒸汽清洗装置是一种有效的措施。

21、 蒸汽清洗理论上可以提高蒸汽品质达40倍以上，但实际上，一般只能提高410倍。33蒸汽清洗 汽水分离装置只能减少蒸汽带水，不能减少溶解携34 Typical arrangement of primary and secondary separators in a high-pressure boiler steam drum.波纹洗涤器一次汽水分离器34 35蒸汽清洗就是使饱和蒸汽通过杂质含量很少的清洁水层。蒸汽经过清洗后，杂质的含量要比清洗前低得多，原因有：）蒸汽通过清洁的水层时，它所溶解携带的杂质和清洗水中的杂质就按分配系数重新分配使得蒸汽中原来溶解的杂质部分转移到清洗水中，这样就降低了蒸

22、汽中溶解携带杂质的含量；（蒸汽洗涤减少溶解携带）蒸汽中原有的含杂质量较高的锅炉水水滴，在与清洗水接触时，就转入清洗水中，而后由清洗水层出来的蒸汽虽然也带走一些清洗水水滴，但水滴的量通常与清洗前差别不大，而清洗水水滴中杂质的含量比锅炉水水滴少得多，所以蒸汽清洗能降低蒸汽中水滴携带杂质的含量。（水滴置换减少机械携带）35蒸汽清洗就是使饱和蒸汽通过杂质含量很少的清洁水层。蒸汽经36 通常采用的清洗装置，是以给水作清洗水的水平孔板式的，它装在汽包的汽空间，将部分给水（一般为给水总量的40%50%）引至此装置上，采用23mm厚的钢板，开出直径为812mm小孔，蒸汽的穿孔速度为1.31.6m/s，使孔板上

23、有一定厚度（一般为3050mm）的清洗水层，蒸汽从其下面进入，蒸汽向上流动的阻力托住水层，使水不至于漏下来。 蒸汽穿过清洗水层，进入汽包上部汽空间 ，然后经过多孔顶板或百叶窗分离器等汽水分离装置，最后由蒸汽引出管引出。清洗蒸汽后的给水流入汽包的水室。36 通常采用的清洗装置，是以给水作清洗水的水平37平孔板式穿层清洗装置它的结构如图所示。钢板厚2-3mm孔径5-6mm蒸汽穿孔速度为1.3-1.6m/s37平孔板式穿层清洗装置它的结构如图所示。钢板厚2-3mm蒸38清洗后蒸汽中杂质含量的降低值占清洗前蒸汽中杂质含量的百分率，通常称为清洗效率，它一般按蒸汽的含硅量计算。目前采用的清洗装置的清洗效率（按含硅量）为60%75%。I = 式中 SB,Q清洗前的饱和蒸汽含硅量或含钠量，g/Kg;SB,H清洗后的饱和蒸汽含硅量或含钠量，ug/Kg;I清洗效率，%。38清洗