第15章锅炉水处理与蒸汽净化=西安交通大学-锅炉原理

第十五章

锅炉水处理与蒸汽净化

§15—1锅炉水工况与水处理一、锅炉用水

①原水天然水②补水净化后补充水③回水冷凝后返回锅炉的水④给水送进锅炉的水（回水和补水）⑤炉水锅炉内的的水⑥排污水排掉的炉水1.水中杂质

①悬浮物。不溶性微粒（＞100μm

）泥砂，粘土、藻类、细菌、动植物有机体的微小碎片、纤维、腐烂产物、其它不溶性物质。自然沉降和澄清过滤②胶体物。微粒（1～100μm

）铁、铝、硅的化合物（如硅酸胶体），动植物分解后高分子化合物（如腐殖质胶体）。混凝超滤溶解物质。＜1μm

，以离子或分子存在于水中。

溶解盐类离子（如钙，镁、钠、钾、铁、锰等盐类的正负离子）溶于水的气体（有O2、CO2、H2S）离子交换、膜分离、蒸馏技术2.杂质危害

①结垢水垢的导热系数很小，使管壁温度急剧增加②腐蚀

金属减薄，强度降低，缩短锅炉使用年限③蒸汽污染

在过热器、管道阀门和汽轮机叶片等处形成盐垢沉积，造成过热器爆管、管道堵塞以及汽轮机出力和效率降低。3.水质指标

（1）全固形物全部杂质转化成固体时的含量①悬浮固形物（悬浮物）

用过滤材料从水中分离出来的固形物的含量②溶解固形物溶解在水中全部盐类，铁、铝、硅的氧化物和一些有机物的含量（2）硬度水中溶解的钙、镁盐的总含量

①碳酸盐硬度（暂时硬度）水中溶解的碳酸氢盐[Ca(HCO3)2，Mg(HCO3)2]的含量。加热到沸腾时，形成泥渣状的CaCO3、MgCO3及Mg(OH)2沉淀出来

②非碳酸盐硬度（永久硬度）水中溶解的氯化物(CaCl2，MgCl2)、硫酸盐(CaSO4，MgSO4)及其它钙镁盐的含量，热力法不能去除

（3）碱度水中OH－、CO32－、HCO3－及其它一些弱酸盐类含量之和碱度＝暂时硬度碱度＜硬度，既有碳酸盐硬度，又有非碳酸盐硬度，属于非碱性水碱度＞硬度，只有碳酸盐硬度，为碱性水

HCO3－与OH－（不能同时存在）→CO32－＋H2O（4）相对碱度水中游离的NaOH含量（OH－碱度折算成的NaOH含量）与溶解固形物含量的比值（5）pH值水的酸碱性（6）含盐量（7）溶解氧（8）含油量

二、结垢（1）结垢过程

在一定的温度和压力下，水中的杂质在蒸发过程中不断浓缩，经过各种物理化学过程，以不同形态的结晶形式析出，沉积在受热面上或沉淀在水中。

水渣（或称泥垢、泥渣）以水中胶体质点、气泡及各种悬浮物为结晶核心形成，疏松絮状，悬浮于水中，可通过排污清除

水垢壁面粗糙点为结晶核心而形成，坚硬而致密，难以清除，需采用锅内化学清洗方法沉积在过热器上的称为盐垢（2）水垢成因

浓度＞溶解度

①蒸发浓缩

②高温沉淀

正溶解度系数，t↑，溶解度↑，易溶物质，如NaCl、Na(OH)2等

负溶解度系数，t↑，溶解度↓，难溶物质，如CaSO4、CaCO3、Mg(OH)2等

③热分解反应Ca(HCO3)2→难溶CaCO3↓Mg(HCO3)2→MgCO3→难溶Mg(OH)2↓

④结晶核心诱使沉淀物析出（3）水垢成分

①钙镁水垢；②硅酸盐水垢；③铁垢和铜垢。三、水处理方法及其系统

水的净化处理

①混凝投放混凝剂，经过混合、絮凝等作用，使微小颗粒聚合成较大的絮状物的综合过程。②沉淀依靠重力将水中悬浮颗粒物分离出来。有自然沉淀，混凝沉淀、软化沉淀，除硅沉淀等，通常和混凝处理同时进行。③过滤具有空隙的粒状粒滤层，截留水中不溶物质净化处理后的水贮存于清水箱，准备作下一步处理净化、软化、除盐、除气、炉水防垢

2.水的软化处理

去除硬度（1）热力软化法

去除暂时硬度，不能去除永久硬度

t≥100℃，水中钙、镁的碳酸氢盐受热分解，生成难溶物质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）药剂软化法

投放化学药品（石灰和纯碱），促使钙、镁离子转变成难溶的化合物析出。

石灰软化法

熟石灰Ca(OH)2

可以除去暂时硬度

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将镁的非碳酸盐硬度转变为钙的非碳酸盐硬度

MgSO4+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaSO4

水火管锅炉，给水预处理（3）离子交换软化法

①离子交换原理和离子交换剂

原理具有交换离子能力的交换剂，其本身的某种离子和水中同电性离子进行等物质量的相互交换，达到消除杂质离子的目的。

交换剂沸石、磺化煤、树脂离子交换剂

阳离子交换剂：如NaR、HR、NH4R

阴离子交换剂：如ROH、RHSO4

要求机械强度，耐热性，化学稳定性，选择性②钠型离子交换软化法

软化

Ca(HCO3)2+2NaR→CaR2+2NaHCO3

消除硬度，但阴离子未减少，即碱度不变，原水中的碳酸氢盐硬度转变为软水中的碱度。

分层交换分层失效

反洗提高交换剂的再生效果再生再生剂盐水NaCl＝8～10％，先稀后浓

2NaC1+CaR2→2NaR+CaC12

2NaC1+MgR2→2NaR+MgC12

顺流再生，上层再生效果好，下层再生效果差。再生剂耗量高，但设备和操作都比较简单。

逆流再生，底层再生程度高，出水品质好，耗量减少30％左右，操作时防止交换剂乱层。正洗软水冲洗，清除再生残留CaC12、MgC12。③氢型离子交换软化法

软化

Ca(HCO3)2+2HR→CaR2+2H2O+2CO2↑MgSO4

+

2HR→MgR2+H2SO4

含盐量有所降低，因为碳酸氢根离子生成了碳酸而通过脱气被除去，水质呈酸性。

再生（盐酸或硫酸)

CaR2+2HCl→2HR+CaCl2

④氢－钠型离子联合软化法

降低碱度,消除酸性

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

酸性被消除，但仍有部分碳酸根，则软水保持适当的碱度

离子交换水处理方式

固定式（固定床、浮动床）

连续式（移动床、流动床)固定床设备简单、操作容易，但交换剂和再生液耗量多，周期性间断运行。浮动床交换剂装量多，运行周期延长，再生时不会乱层，适合于高流速运行。移动床交换塔体积小，交换剂用量和再生剂耗量少，出水品质高且稳定，仍是半连续间断进行，且交换剂磨损较严重，补充量多。

流动床

完全连续工作，交换剂利用率高，清洗水耗量低，操作管理简方便，但树脂磨损较严重，对负荷适应性差，设备调整过程比较麻烦。3.水的除盐处理

将水中各种离子消除或减少到一定的程度

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，妨碍交换剂吸附H2SiO34.水的除气处理(O2、CO2)

药剂除氧。还原剂（Na2SO3和联胺N2H4）与水中O2发生反应。注意N2H4易挥发且有毒。药剂贵。热力除氧。

O2随温度升高而逸出，可将O2、CO2、N2等气体都除去，效果稳定可靠，含盐量不增加，但耗汽量较高。真空除氧可节约能源。解析除氧。降低水面上某种气体的分压力，该气体将会从水中逸出。气体中的O2与热木炭反应生成CO2，成为无氧气。只能除氧，除氧水的CO2含量增加。除CO2

。解析方法，空气与含CO2的水接触。§15—2蒸汽净化

一、蒸汽污染及蒸汽品质

1.蒸汽污染总盐分

机械性携带溶解性携带总携带系数蒸汽携带盐分导致蒸汽品质恶化

蒸汽含盐量取决于蒸汽湿度ω，盐分在蒸汽中的溶解能力ay，炉水含盐量Sls。

提高蒸汽品质的措施①提高给水品质；②改进锅筒内部装置；③增加炉水排污量。2.蒸汽含盐机理

（1）机械性携带

汽流作用力＞水滴的重力，水滴被蒸汽携带

汽流作用力＝水滴的重力，达到飞逸临界状态

飞逸直径dfy：汽速一定，被带走的最大水滴直径

影响机械携带的主要因素①蒸汽压力。p↑，(ρ′－ρ″)↓而ρ″↑，wfy↓，dfy↑，汽水不易分离；饱和水的表面张力和汽泡直径随都减小，汽泡破碎时形成的水滴直径小，∴ω↑。p＞15MPa，p↑，ω↑↑。飞逸速度wfy：水滴直径一定，将水滴带走的汽速

汽速越大，飞逸直径也越大，蒸汽湿度增加

②锅炉负荷Ⅰ区：n=1～3。D不大，w″较小，ω增加较慢Ⅱ区：n=2.5～4。D↑，炉水飞溅增加，w″↑↑，ω↑↑Ⅲ区：n=8～10。w″↑↑↑；汽泡增加使蒸汽空间高度减小；液面剧烈波动，泡沫被带走，ω↑↑↑

电站锅炉要求ω＜0.03％，即D＜D1。

③蒸汽空间高度

hq很小，ω很大。随着hq的增加，ω急剧减少hq＞0.6m，大水滴不能被携带，ω变化平缓④炉水含盐量

·Sls＞Slj

Sls↑，ω↑∵炉水表面张力增大，汽泡液膜很薄，破裂时水滴细小；

炉水粘度增大，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）选择性携带

饱和蒸汽溶盐能力取决于其在饱和蒸汽中的溶解度（分配系数）①选择性

分配系数

n↓，ay↑第一类：n＜1.0，溶解度最大，含量少；第二类：n＝1.0～3.0，H2SiO3，溶解度较大；第三类：n＞4，难溶盐分。②压力

p↑，ρ″↑，ρ′↓，蒸汽与水的性质即溶盐能力接近，ay↑。

③pH值炉水中硅酸盐与H2SiO3之间处于水解平衡状态

HSiO3-+H2OH2SiO3+OH-

pH↑，OH-↑，平衡向左，H2SiO3↓，硅酸ay↓，硅酸盐↑。但pH应符合水质标准。

二、蒸汽溶盐的净化

蒸汽清洗、分段蒸发

蒸汽清洗物质交换扩散过程①清洗水层

具有最大浓度差②动力泡沫层

具有最大接触面积③蒸汽空间蒸汽与飞溅清洗水滴接触三、汽水分离

分离原理①重力分离。利用蒸汽与水的密度差在一定空间中进行自然分离②离心力分离。利用汽流旋转时蒸汽与水产生不同的离心力进行分离③惯性力分离。利用汽流改变方向时蒸汽与水产生不同的