第2章 锅炉用水处理及表面活性剂

第2章溶液化学与离子平衡SolutionChemistryandIonicEquilibrum2/5/20232.5

锅炉用水处理2.5.1锅炉用水中杂质的危害2.5.2水质指标2.5.3炉内锅水处理2.5.4炉外给水处理2.5.5汽水共腾现象2/5/20232船舶用水系统无论是蒸汽机船、汽轮机船或内燃机船，都装有锅炉或辅助锅炉。用来产生蒸汽，开动主机、辅机运行。此外还要供给生活用水。从用水来源来看：

舷外水：直接从舷外吸取的江水、河水或海水。只能作冲洗、压载、消防等用水。

供给水：来自自来水厂，只能满足生活用水的要求，进一步处理作为锅炉用水和柴油机冷却水。2/5/20233锅炉用水处理的目的锅炉水质关系到锅炉设备的安全和经济运行。水质的目的是：防止生成水垢防止金属腐蚀提高蒸汽品质

锅炉工作压力不同，对水质的要求和控制方法也有不同，工作压力越高的锅炉，对水质的要求越高，控制也越严。2/5/202342.5.1锅炉用水中杂质的危害2.5.1.1

水垢及其危害2.5.1.2

锅炉的腐蚀2/5/20235供给水中的一些有害杂质：气体：O2、CO2、H2S等，它们能造成金属腐蚀。无机盐：Ca2+、Mg2+、Na+、HCO3-、Cl-、SO42-、HSiO3-等，有些离子会形成水垢，水中含盐量高也会加速金属的腐蚀。有机油脂：在锅水沸腾时容易产生泡沫，致使蒸汽品质恶化，还会形成油垢。2/5/202362.5.1.1

水垢及其危害难溶盐类形成的沉淀附着在金属受热面上形成坚硬的沉积物称为水垢。如析出的沉淀在锅炉内呈悬浮状或沉积在水流缓慢处，就称为水渣或泥渣。细小松软的水渣如不及时清除，晶体长大后转变为水垢。由水渣转变而成的水垢称为二次水垢。例如：Mg3(PO4)2和Mg(OH)2水渣就特别容易黏附在管壁上，尤其在水流缓慢或停滞的部位，经高温烘烤后形成二次水垢。2/5/202371.水垢的组成碳酸盐水垢：主要是钙、镁的碳酸盐，以CaCO3为主。常形成松软的水渣，可随锅炉排污去除。硫酸盐水垢：CaSO4为主，这种水垢坚硬密实，主要在锅炉中生成。硅酸盐水垢：成分复杂，主要有CaSiO3、MgSiO3、SiO2。这种水垢最为坚硬，通常在锅炉受热强度最大的部位产生。氧化铁垢：主要成分是铁有氧化物，腐蚀产生的或给水中铁含量过高。铜垢：若给水中铜件受腐蚀则形成铜垢。2/5/202382.水垢的危害水垢导热性差，影响锅炉的传热效率和蒸发强度，使锅炉的效率低，燃料浪费。2mm厚的水垢，将使传热效率降低20%。另外，结垢部位的金属壁因温度过高，引起金属强度下降，在蒸汽压的作用下会产生变形、鼓包，甚至引起爆炸事故。水垢会阻塞管道。在金属表面覆盖不均匀时，会导致金属的局部腐蚀。2/5/202392.5.1.2锅炉的腐蚀腐蚀的危害：缩短设备的使用期限，造成经济损失，严重时导致爆管事故，影响安全。腐蚀产物转入水中，使得杂质增多，加剧了结垢，结垢又进一步促进了金属的腐蚀，成为恶性循环。金属的腐蚀产物被带到用气设备中沉积下来后，也会严重影响到这些设备的安全、运行。2/5/202310腐蚀的影响因素金属材料的性能表面状态内部应力介质：炉水中的溶解氧、水的pH值和碱度。炉水的温度、水中盐类的种类和浓度。2/5/202311腐蚀的种类（1）溶解氧腐蚀

酸性条件：Fe+2H2O→Fe(OH)2+H2

弱酸性或中性：2Fe+O2+2H2O→2Fe(OH)2

Fe(OH)2进一步被氧化：4Fe(OH)2+O2

+2H2O→4Fe(OH)3→2Fe2O3+6H2O

当锅炉的蒸发量大于2t/h时，均要进行除氧处理。水中O2含量与温度和压力有关，要做好停炉时的防护工作。2/5/202312腐蚀的种类（2）二氧化碳气体腐蚀游离的CO2可使水呈酸性，导致金属腐蚀。CO2来源于空气及水中碳酸氢盐的受热分解：

CO2气体腐蚀发生pH<8的情况下，锅水经处理后，通常保持在pH值为10—12，在这种条件下，锅炉不易发生CO2气体腐蚀。游离CO2气体引起的酸性腐蚀通常发生在给水系统和蒸汽系统内。

2/5/202313腐蚀的种类（3）溶解盐类的腐蚀

水中含盐量越高，电阻越小，腐蚀的速率越快。当锅炉表面附着有水垢或水渣沉积物时，在其下炉水的流动性差，MgCl2、CaCl2这类溶解盐因为水解可以在沉积物下积累很高的H+浓度，导致酸性腐蚀。

2/5/202314腐蚀的种类（4）碱性腐蚀和苛性脆化

若锅炉长期在碱性条件下运行，排污不及时，会使碱性过高，当pH>13时，可发生碱性腐蚀

。腐蚀产生的H2还可能扩散到金属内部，产生内应力，使金属强度降低、变脆、产生裂纹。这种腐蚀形式称为苛性脆化。

2/5/2023152.5.2水质指标锅炉的给水和炉水的水质指标很多，有悬浮物、pH值、硬度、碱度、含盐量、溶解氧、含油量、、铁、铜、钠、二氧化硅等。锅炉工作压力不同，水质控制项目也不同。2/5/2023162.5.2水质指标1.悬浮物影响锅内加药除垢效果和锅外化学处理工艺的正常进行，不同的水处理方法分别规定了悬浮物具体的数值。2.pH值锅炉正常运行，锅内往往覆盖着一层均匀致密的Fe3O4保护膜，锅水pH值过高或过低，均会破坏这层保护膜，锅水pH值保持在10—12，也有利于防止水垢的产生。2/5/2023172.5.2水质指标3.硬度表示水中成垢物质的含量。主要是钙离子和镁离子，采用水中钙、镁的含量表示水的硬度。总硬度：水中钙、镁盐的总含量。钙硬度：镁硬度：不稳定，煮沸分解，可过滤除去，称为暂时硬度稳定，水沸腾时不能除去，称为永久硬度。2/5/202318我国硬度单位的三种表示方法①用表示：均以一价离子作为基本单元，对于二价离子以其1/2作基本单元，如。②用度表示：我国采用德国度，符号为“°G”。用度表示时，将水中的含量换算成CaO的含量。1°G=10。2/5/202319③用表示：即将水中的含量换算成的含量，单位是。1/2CaO的摩尔质量是28g，1/2的摩尔质量是50g，三种硬度单位的换算关系为：2/5/2023202.5.2水质指标4.碱度

碱度表示水中及其它弱酸根离子的总量。单位为。由于发生如下反应：因此炉水中基本上不共存。2/5/202321碱度酚酞碱度：以酚酞作指示剂测得的碱度，酚酞的变色范围为pH=8.0—10.0，中和反应为：甲基橙碱度：以甲基橙作指示剂测得的碱度，甲基橙的变色范围为pH=3.1—4.1，此时碱性离子全部被中和，以甲基橙为指示剂，其中和反应为：总碱度2/5/202322碱度炉水碱度过高的危害：①水冷壁管的碱性腐蚀和应力腐蚀。②使炉水产生泡沫而影响蒸汽的质量。③对于铆接和胀接锅炉，碱度过高还会引起苛性脆化。2/5/2023232.5.2水质指标5.含盐量表示各种盐类的总和。①用溶解固形物的量（）近似表示。②用电导率表示。③用表示。2/5/2023242.5.3炉内锅水处理目的：生成松散的水渣。（1）加纯碱（）处理(压力<1.5MPa)作用：维持锅内水的一定碱度和足够数量的，使生成和水渣，而不是水垢：维持足够浓度的，还可阻止坚硬密实的泥石状水垢的形成。2/5/2023252.5.3炉内锅水处理(2)加磷酸盐处理（压力>1.5MPa）锅内处理使用的磷酸盐有：（三聚磷酸钠）、（六偏磷酸钠），常用的是。

加入还可以使锅炉金属的表面上生成磷酸盐的保护膜，防止锅炉金属的腐蚀。但浓度不能过高，否则会生成水垢，而且会导致溶解固形物含量增加。松软，溶解度小2/5/2023262.5.3炉内锅水处理（3）加入有机阻垢剂有机阻垢剂有EDTA(乙二胺四乙酸)、单宁酸、木质素、有机膦酸盐、聚羧酸盐等。有机阻垢剂的作用比较复杂，主要有：①螯合作用②分散作用③晶格畸变作用2/5/2023272.5.3炉内锅水处理（4）复合阻垢剂几种防垢剂按一定的比例混合在一起。例如：将碳酸钠、磷酸钠、氢氧化钠、栲胶组合成复合防垢剂。碳酸钠：提供离子，促使生成水渣。磷酸钠：提供离子，促使生成水渣。氢氧化钠：提供离子，促进生成水渣。栲胶：主要成分是单宁，带负电荷，稳定水渣，易氧化，可去氧，形成单宁酸铁，金属防腐。2/5/2023282.5.4炉外给水处理低压锅炉一般采用锅内投药处理就能满足水质要求，而中、高压锅炉对水质要求更高，必须采取锅外处理的方法。目的：①尽量减少给水中结垢物质的含量；②除氧、除盐，以防止锅炉结垢和腐蚀。给水处理的方法：离子交换法软化水；给水除氧；电渗析法脱盐、反渗透法脱盐、磁化防垢。2/5/202329（1）离子交换法软化水通过离子交换树脂来进行。①阳离子交换树脂：大都含有酸性基团，如羧酸（-COOH）、磺酸（），苯酚基（）等。

(H)Mg(H)氢型用HCl溶液洗涤再生，钠型用NaCl洗涤再生。②阴离子交换树脂：大都含有胺类极性基团，如胺基（）,亚胺基（-NRH）、季胺基（）等，阴离子交换树脂可用NaOH溶液再生。2/5/202330（2）给水除氧①热力去氧：将软水在热力除氧器中加热到沸腾，同时还可除去等腐蚀性气体。②真空除氧：将水通入真空式除氧器。这种方法也可同时除去其他腐蚀性气体。③化学除氧：往往与热力除氧联用。常用的还原剂是(低压)和联胺（）(中压以上)。注意：过量，会产生和等腐蚀性气体。联胺（肼）不增加总含盐量。但联胺对眼睛、皮肤和肺部都有刺激，使用时应注意安全。2/5/2023312.5.5汽水共腾现象随着锅炉水的蒸发、浓缩，含盐量及碱度逐渐增大，达到一定值后，在锅筒蒸发面上会产生泡沫，严重时可使汽、水界面不分，蒸汽中携带大量水滴，蒸汽质量显著恶化，这种现象称为汽水共腾。2/5/202332汽水共腾的原因①水质恶化：炉水的盐度和悬浮物浓度增高，表面张力增大，上升的气泡被表面浓厚的水膜包住，气泡不易逸出，气、水很难分离，气泡逐渐积累到大量气泡迸发出水面就造成汽水共腾现象②锅炉运行不平稳：锅炉运行中负荷急剧增大，导致汽水筒压力骤减，也会引起汽水共腾现象。2/5/202333危害及措施危害：①蒸汽温度下降，造成燃料损耗；②杂质带入用汽设备生成盐垢，影响传热，造成腐蚀和磨损。③水位计显示不正确，影响安全。措施：①减少进入锅炉的杂质量；②严格控制排污，保持碱度和含盐量在一定的标准；③避免锅炉负荷急剧上升；④加入泡沫抑制剂。2/5/202334SurfaceActiveAgent，SAA2.6表面活性剂2.6.1

表面吉布斯自由能与表面张力2.6.2

表面活性剂及其分类2.6.3

表面活性剂的基本性质2.6.4

表面活性剂的应用2/5/2023352.6.1.1表面吉布斯自由能2.6.1.2表面张力2.6.1.3影响表面张力的因素2.6.1表面吉布斯自由能与表面张力2/5/202336表面层分子受到垂直指向液体内部的拉力，这种拉力要把表面层分子拉入液体内部。任何一个相，其表面分子与内部分子的状态不同。水滴，汞滴自动呈球形，为什么？2.6.1.1表面吉布斯自由能2/5/2023372.6.1.1表面吉布斯自由能扩展液体的表面，克服向内的拉力，环境对系统所做的功称为表面功，用W表表示。环境对系统做功所消耗的那部分能量被表面分子所获得而贮存于表面，这部分能量称为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的物理意义： 在恒温恒压和组成恒定下，每增加单位表面积时系统所增加的吉布斯函数。其单位为J·m-2。2/5/2023392.6.1.2表面张力比表面吉布斯能σ在数值上等于沿液体表面垂直作用在单位长度线段上的表面紧缩力，即表面张力(surfacetension)，其单位为N·m-1。

2/5/202340表面张力永远与液体表面相切：比表面吉布斯自由能与表面张力数值相等，量纲一致，但物理意义有所不同，所用单位也不同。2.6.1.2表面张力2/5/202341

2.6.1.3影响表面张力的因素液体分子间相互作用力越大，其表面张力越大。金属键物质最大，其次是离子键，再次是极性共价键，最小的为非极性共价键。固体物质比液体大固态物质温度/Kσ×103/N·m-1气氛铜银锡1323102348816701140685Cu蒸气真空FeOAl2O317002353482700Cl2-24325.562/5/2023422.6.1.3影响表面张力的因素表面张力随相互接触的两种物质的性质不同而不同。水(W)液体(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界面的张力2/5/2023432.6.1.3影响表面张力的因素同种物质的表面张力一般随温度升高而逐渐减小。液体物质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张力升高的物质，皆称为表面惰性物质。（I）凡是能使溶液的表面张力降低的物质，从广义来讲，皆可称之为表面活性物质或表面活性剂（surfaceactiveagent，SAA）。（II、III）2.6.2.1溶液的表面张力与表面活性剂表面张力与浓度关系示意图

2.6.2表面活性剂及其分类2/5/2023452.6.2

表面活性剂及其分类2.6.2.2

表面活性剂的结构特点表面活性剂（surfaceactiveagent）分子具有不对称两亲结构一端是非极性的碳氢链（烃基）,与水的亲和力极小，常称疏水基（hydrophobicgroup）。另一端则是极性基团（如－OH、－NH2、－COOH、－SO3H等），与水有很大的亲和力，故称亲水基（hydrophilicgroup）。

2/5/202346表面活性分子具有不对称两亲结构硬脂酸盐2.6.2.2表面活性剂的结构特点2.6.2

表面活性剂及其分类2/5/2023472.6.2.3

表面活性剂的分类2.6.2表面活性剂及其分类亲水基疏水基表面活性剂分子（两亲分子）离子型表面活性剂非离子型表面活性剂阳离子型两性阴离子型2/5/202348表面活性剂分子不对称的两亲结构，就决定了表面活性物质的界面吸附、分子的定向排列以及形成胶束这些基本性质。胶束(micelle)是若干个SAA分子排列成憎水基团向内，亲水基团向外的多分子聚集体。因此，胶束在水溶液中可以稳定地存在，它的形状可以是球状，棒状或层状。2.6.3

表面活性剂的基本性质2/5/202349胶束形成过程与表面活性剂浓度的关系形成一定形状的胶束所需SAA的最低浓度，称为临界胶束浓度，以CMC(criticalmicelleconcentration)表示。由于胶束是亲水性的，不具有表面活性，不能使表面张力进一步降低。2.6.3表面活性剂的基本性质2/5/2023502.6.3表面活性剂的基本性质临界胶束浓度是表面活性剂的溶液性质发生显著变化的“分水岭”，在临界胶束浓度的前后，不仅溶液的表面张力在显著变化，许多物理性质产生很大的变化。2/5/2023512.6.4

表面活性剂的应用2.6.4.1润湿作用2.6.4.2乳化作用2.6.4.3发泡和起泡作用2/5/202352润湿(wetting)通常是指液体和固体接