第十四章 锅炉水处理与蒸汽净化§14—1 锅炉水工况与水处理 锅炉的工作介质是水和蒸汽如果锅炉的水汽品质超出锅炉水汽标准规定的质量标准，就会因结垢、腐蚀和蒸汽污染而危及锅炉的安全经济运行锅炉水处理的任务是要通过锅炉的用水处理、防止腐蚀、锅内清洗、汽水监督和水质管理等综合防垢、防腐及防止蒸汽污染措施，确保锅炉的安全经济运行14.1.1 锅炉用水概述一. 锅炉及其热力循环设备的水汽系统 水汽系统包括从原水进入锅炉流经的一系列设备管道及其蒸发受热面等的给水系统，以及蒸汽流经过热受热面及其用汽设备等的蒸汽系统两个部分由于水在热力系统中经历不同的过程，各处水质差别较大，根据水汽系统中水质及功用，常将锅炉用水区分为：①原水：未经任何净化处理的天然水，如江湖水、地下水等，或者是取自城市供水系统的自来水，是锅炉补水的原料；②补水：原水经过各种方法净化处理后，用以补充锅炉损失的水，按不同的处理方法，又可分为软化水，除盐水和蒸馏水等③回水：蒸汽经用汽设备的作功或热交换，冷凝后返回锅炉的水，即凝结水④给水：送进锅炉的水，通常包括回水和补水两部分⑤炉水：在锅炉本体的蒸发系统中流动着的水⑥排污水：锅炉炉水的含盐量或碱度在不断蒸发和浓缩作用下，其水质指标超过标准的要求时排放掉的炉水。
二. 水中杂质锅炉初期运行的给水和正常运行时的补给水均来源于天然水天然水在自然界的循环中，由于与周围环境接触且溶解能力较强，均含有各种各样的杂质水中杂质按颗粒大小可分成三类：悬浮物、胶体和溶解物质 悬浮物是颗粒直径在10－4mm以上的不溶性杂质微粒，包括泥砂，粘土、藻类、细菌及动植物有机体的微小碎片、纤维或腐烂产物和其它不溶性物质根据微粒大小和密度的差异，有些漂浮或悬浮于水中，有些沉淀于水底悬浮物使水变得浑浊，但是很容易用自然沉降和澄清过滤去除 胶体物是颗粒直径在10－6～10—4mm范围的微粒，主要是铁、铝、硅的化合物，如硅酸胶体等，以及动植物的有机体分解后的高分子化合物，如腐殖质胶体等，使水变成黄褐色胶体微粒表面经常因吸附离子而带电，由于同性电荷胶粒的相互排斥作用，它们较均匀、稳定地存在于水中而不能相互结合，不易靠重力自然沉降，一般采用混凝超滤的方法除去 溶解物质的颗粒尺寸最小，一般小于1μm，通常以离子或分子状态存在于水中天然水中的溶解物主要分为两类，一类是溶解在水中的矿物质盐类的离子，如钙，镁、钠、钾、铁、锰等盐类的正负离子；另一类为溶解于水的气体，有氧气、二氧化碳、硫化氢等气体。
这类杂质很难用混凝、沉降或过滤等方法除去一般需用离子交换、膜分离或蒸馏技术才能除去 原水中的各种杂质如未经处理就进入锅炉的水汽系统，就会危及锅炉的安全经济运行，其危害有以下几个方面：（1）结垢 水中杂质在蒸发过程中会不断浓缩，并发生错综复杂的物理化学反应，达到一定浓度时就以沉淀物析出，形成坚硬的物质，沉淀在受热面上，或沉积在水中，通常称之为水垢水垢的导热系数很小，约为钢的1／30～1／50，使受热面的传热能力急剧下降，造成排烟热损失增加，锅炉热效率降低，燃料量增加一般受热面观壁生成lmm厚的水垢，可使燃料量增加2～3％左右当水垢增加到一定厚度，由于受到炉膛结构的限制，燃料量将无法继续增加，则锅炉出力降低受热面结垢后将使管壁温度急剧增加，超过正常工作所允许的温度，金属强度显著降低，引起锅筒或炉管过热变形、鼓疱、裂纹，严重时发生爆管等事故锅炉结垢后的清洗除垢工作，还会使金属管壁受到不同程度的损伤，缩短了锅炉寿命 （2）腐蚀 锅炉受热面在与水接触时，水中杂质会使金属表面受电化学的作用而产生腐蚀，使金属构件减薄，出现凹坑，继而金属强度降低，缩短锅炉使用年限金属腐蚀产物易与其它杂质形成水垢贴在管壁内表面上，促使发生垢下腐蚀。
（3）蒸汽污染 给水品质不良会引起炉水品质恶化，在锅炉运行操作不当等情况下，锅筒内的水滴往往会被蒸汽大量带走；此外，水中某些杂质还溶于蒸汽，蒸汽中的水滴和蒸汽溶盐使蒸汽受到污染蒸汽污染会在过热器、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等运行不可靠性或事故 因此，必须进行锅炉的给水处理并规定水质指标P501-502表14,1-3给水,炉水14.1.2 锅内结垢与腐蚀一. 锅内结垢 1. 锅内结垢过程 含杂质的水进入锅炉后，在一定的热力条件温度和压力下，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，必然会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 水中沉淀物析出时具有不同的结晶核心，形成不同的水垢如果以水中胶体质点、气泡及各种悬浮为结晶核心而形成的悬浮状晶体颗粒称为水渣（或称泥垢、泥渣），如果以壁面粗糙点为结晶核心而直接而附着在金属表面的沉积物称为水垢通常把沉积在省煤器、蒸发受热面或锅筒内的沉积物称为水垢及水渣，沉积在过热器受热面上的称为盐垢水垢的结晶体坚硬而致密，难以清除，需采用锅内化学清洗方法。
水渣的结晶体呈疏松絮状或细小的晶粒状悬浮于炉水中，可通过锅炉排污清除 2. 水垢形成的原因 当水中某种盐分在炉水中的浓度超过其相应的溶解度，即会从炉水中析出并形成沉淀物，生成水垢引发这些物理化学变化过程的原因： （1）蒸发浓缩 炉水的蒸发沸腾过程使锅水不断浓缩，水蒸汽本身携带的盐分极少，因此给水中含有的和锅内腐蚀增加的杂质以超过给水几十倍的浓度留在炉水中，当浓度大于其相应的溶解度后便析出沉淀物 （2）高温沉淀和分解 水垢的形成与杂质在水中的溶解度有关，溶解度愈小，盐分愈容易饱和析出许多溶于水的物质都具有正的溶解度系数，既溶解度随温度升高而增加，为易溶物质，如NaCl、Na(OH)2等而少数难溶物质的溶解度却随温度的升高而减小，具有负的溶解度系数，如钙镁盐及氢氧化物CaSO4、CaCO3、Mg(OH)2等，以及金属与水形成的氧化物，它们极易在高温时析出，如图4－2所示 此外，Ca(HCO3)2及Mg(HCO3)2在炉水蒸发过程中发生热分解反应，生成难溶的CaCO3及有一定溶解度的MgCO3，而MgCO3进一步水解后，生成溶解度更小的Mg(OH)2沉淀。
3）结晶核心 炉水中的难溶物质时常都处于过饱和溶液状态，炉水中有固态结晶核心存在，如微小悬浮物或金属表面粗糙不平，就会成为沉淀物的析出的诱因，使盐分向结晶核心聚积，生成沉淀物 3. 水垢的成分 水垢的成分很复杂，通常是多种化合物的混合体，按其化学成分可分为钙镁水垢、硅酸盐水垢，铁垢和铜垢1）钙镁水垢 其主要成分为钙镁盐，含量占90％左右，有CaC03、CaSO4、CaSO4·2HO2、CaSiO3、5CaO·5SiO2·2H2O、Mg3(PO4)2、Mg(OH)2等类型其中， CaCO3在锅炉温度较低的部位，如非沸腾式省煤器、热交换器、给水管路等形成坚硬水垢，在炉水强烈沸腾时以水渣形态析出钙镁硫酸盐水垢坚硬质密，常沉积在锅炉热负荷较大的受热面上，如水冷壁管和锅炉管束钙镁硅酸盐水垢非常坚硬，导热性差，难以清除，通常在蒸发受热面沉积 （2）硅酸盐水垢 其化学成分含有40～50％的二氧化硅，25～30％的铁和铝的氧化物及5～10％氧化钠，钙镁盐含量极少，如锥辉石Na2O·Fe203·4Si02、钠沸石Na2O·A1203·3Si02·2H20等硅酸盐水垢有的呈多孔状，有的质地坚硬致密，通常在高压锅炉的水冷壁管生成。
（3）铁垢和铜垢 铁垢可分为氧化铁垢与磷酸盐铁垢氧化铁垢主要成分为铁的氧化物Fe203和Fe304，含量约(70～90)％，其成因与炉水含铁量及受热面热负荷有关磷酸盐铁垢主要成分为磷酸亚铁钠NaFePO4和磷酸亚铁Fe3(PO4)2,通常发生在采用磷酸盐处理的炉水中磷酸根Po43-及铁含量高，而碱度较低时，容易在有分段蒸发的盐段水冷壁管中生成铜垢是铜部件的腐蚀产物进入炉水且含量过高时形成的， 铁垢和铜垢大多生成在锅炉高热负荷区的水冷壁管壁上 钙、镁水垢主要发生在水处理简单，给水品质较差的工业锅炉中，是水处理的主要对象硅酸盐水垢及铁垢和铜垢发生在水处理设备良好，给水硬度极小的大型电站锅炉中，除盐是水处理工作的重要任务防止水垢预防措施主要是加强锅炉给水及补水的水处理以及炉水水质的调控工作，保证水质达到标准规定的要求，防止锅炉金属腐蚀和炉水中的磷酸根含量过高以及凝汽器泄漏等 4.水垢的清除 锅炉受热面一旦形成坚硬致密塞的水垢，非常难清除目前可采用酸洗和碱洗两种化学方法清除除垢盐酸对金属也起到一定的腐蚀作用，因此常在酸洗液中加入少许的缓蚀剂来降低腐蚀速度缓蚀剂的种类很多，如02缓蚀剂、若丁等。
酸洗时盐酸的浓度和视水垢厚度而定，其随水垢的厚度增加而提高，相应缓蚀剂用量也增加，参考用量见表4－4为了控制酸洗时的金属的腐蚀速度，酸洗液的温度不易太高，一般控制在40～60℃酸洗缓蚀剂虽然起到一定的减缓腐蚀作用，但酸洗法总是对金属管壁有损害，通常不能以此作为清除锅炉受热面结垢的方法表14－4 酸洗液和缓蚀剂浓度的配制水垢厚度0.50.5～11～1.51.5～2.52.5以上盐酸浓度，％34566～802缓蚀剂用量比例，％0.20.30.40.50.6 碱洗除垢法对钢材的腐蚀作用小，操作简便，但除垢效果不如酸洗法显著洗液是由NaOH、Na2CO3或Na3PO4·12H2O配制而成前者任何水垢都适用，而后者适用于硅酸盐水垢，碱洗液浓度也是视水垢厚度而定，一般情况下每立方米水中，NaOH用2～4kg，Na2CO3用10～20kg，Na3PO4·12H2O用3～5kg碱洗时在常压下加热锅炉，时间不少于24小时洗后应立即冲洗水渣防止重新硬化二. 锅内腐蚀锅炉水汽系统发生金属腐蚀的影响因素材料(种类、材质、耐蚀性及表面状况)工作条件(金属表面温度、热负荷强弱及水循环状况)腐蚀介质(盐分和溶解气体的种类、浓度及给水PH值) （一）金属腐蚀的原理金属腐蚀:金属材料表面与周围介质(如水、水蒸气、空气等) 接触时发生化学作用而遭到损耗或破坏的现象。
根据金属腐蚀过程的原理分类，如果是直接的化学作用而无电流产生的腐蚀过程属于化学腐蚀，若是金属与周围介质起化学作用的同时还伴有电流产生，则属于电化学腐蚀根据金属结构的腐蚀特征，还可分为全面性腐蚀和局部性腐蚀两大类，如图14－4所示，图中 (a)和(b)为全面性腐蚀，其它为局部性腐蚀按图14－4中从(a)到(h)顺序排列，腐蚀的金属重量损失减少，而金属强度损失却增加因此，部位集中的局部性腐蚀，尤其是发生在晶粒上的腐蚀，对金属的危害性要远大于全面性腐蚀在锅炉内部这些腐蚀类型均能发生 金属的腐蚀速度与炉水pH值有很大的关系试验表明，腐蚀速度最小 的pH值为10～12，过低或过高都导致腐蚀速度加快二）锅内腐蚀的主要类型 锅炉内部的腐蚀主要有以下一些类型 1. 锅炉内部的化学腐蚀 锅内的化学腐蚀型式为汽水腐蚀汽水腐蚀是金属铁与水蒸汽发生氧化反应而形成的，主要发生在过热器内，以及循环停滞或蒸发管中出现汽水分层时一般对金属的破坏性较小，属均匀腐蚀形态当过热蒸汽温度在450～570℃之间时，其化学反应式为： 3Fe+4H2O → Fe3O4 + 4H2↑ (4－4)还可能发生金属中渗碳体的脱碳反应： 。