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浅谈锅炉水质的检测及水垢的预防

发布时间:2021-04-07 21:02 作者:夏德婷

工业锅炉水处理的质量直接影响到锅炉能否安全、经济有效的正常运行。因为水处理不好,锅炉给水中混有钙镁盐在锅内高温下易结垢,会造成锅内局部温度不匀,浪费热能,垢下腐蚀,后果会导致炉管鼓包甚至爆裂事故,缩短锅炉使用寿命,所以必须加强水处理工作。

1 水垢形成的原理

作为水处理工作者必须要了解水处理工作的原理,才能有针对性地采取预防措施阻止水垢形成,原水中钙镁离子进入锅炉内,在受热的金属表面结晶析出并且附着在上面的物质称为水垢。水垢有多种类型和成分,由钙镁盐、硅酸盐、氧化铁等盐类水垢是按成分分类的。

1.1 钙镁水垢的形成

以钙镁离子为主的水垢称为钙镁水垢,包括碳酸盐、硫酸盐及混合盐构成钙镁水垢。形成钙镁水垢的方式:①钙镁的碳酸盐(CO2−3)在锅炉省煤器中,由于温度逐渐升高,其溶解度反而降低,当达到饱和点时不再溶解而析出,形成晶体附着在省煤器金属表面结晶成水垢。②钙镁的重碳酸盐(HCO3-)在锅内经高温易分解成难溶于水的钙镁碳酸盐水垢而析出,以碳酸盐水垢为主。③含有钙镁的盐在锅内既不受热分解也不受温度影响其溶解度,而是在锅内长时间经过蒸发、浓缩达到一定浓度时析出形成水垢。

1.2 硅酸盐水垢的形成

硅酸盐水垢容易在温度最高的金属受热面部位结生,是随温度升高溶解度降低,如:火管、水冷壁、省煤器等处易产生硅酸盐水垢,硅酸盐水垢质地坚硬,形成后用酸不易清洗掉,防止硅酸盐水垢产生,必须降低给水中硅化合物。硅酸盐水垢来源有3种情况:①水中可溶的金属硅酸盐(Na2SiO3)与其他化学物质发生反应生成MgSiO3,CaSiO3沉淀。②来源于锅炉补给水和炉管上金属氧化物与金属管表面铁氧化物反应生成Na2O.Fe2O3。③锅水中已形成的水渣和水垢反应使水渣转换成水垢CaSiO3沉淀。

1.3 氧化铁水垢

氧化铁来源于含铁量过高的锅水中,氧化铁水垢由两种途径形成,一种是锅炉金属腐蚀产物在锅炉中转换成氧化铁垢。另一种是锅水中铁的化合物与热负荷很高的锅炉金属表面发生电化学腐蚀形成氧化铁垢。根据几种水垢形成的原因,必须提前做好水处理工作,符合给水水质标准,才能使用。

2 水垢对锅炉的危害

水垢的存在最致命的因素是其导热性差,使锅炉热损失增加、产生垢下腐蚀、炉管鼓包或爆管、增加检修费用。

①由于水垢的存在导致导热性差,使热交换器的传热效率低,增加加热的温度和时间,热能损失。②热负荷高的金属部位易产生水垢,水垢的传热效率差,金属的热负荷高,垢下的管子发生鼓包,超过炉管膨胀的限度会爆管。③锅水会从附有水垢的金属表面渗入水垢和金属层间,两者之间夹杂的锅水被蒸发浓缩到一定浓度后对金属产生垢下腐蚀,腐蚀是互相促进的,很快腐蚀了金属的大面积。④水垢结生得越快越多,受热金属面损害的越严重,越接近检修周期,必须延长停运检修时间,因而检修次数频繁,检修成本增加,使用寿命缩短,造成经济损失。

3 水质检测指标

水质检测指标是评价水质质量的重要因素,通过对锅水、给水水质指标检测,可及时掌握给水是否符合标准、锅内结垢情况、金属腐蚀情况、和产生蒸汽的品质、排污的频率等,常规检测项目有:总碱度、总硬度、pH值、溶解固形物、和相对碱度。

3.1 总碱度

总碱度是指水中OH-、CO32-、HCO3-物质的量,锅水主要以OH-、CO32-碱度为主。蒸汽锅炉额定蒸汽压力不同总碱度控制指标不同,碱度过高腐蚀金属、产生泡沫,蒸汽品质恶化,碱度低有多余的游离Ca2+、Mg2+,易结垢,所以锅炉的碱度要控制在标准范围内。锅水总碱度控制在8mg/l~26mg/l。

3.2 总硬度

总硬度是各种硬度的总和,是水质检测的重要项目,衡量水的软化程度,硬度有碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度,Ca2+、Mg2+的重碳酸盐、碳酸盐称为碳酸盐硬度,Ca2+、Mg2+的硫酸盐、氯化物和硝酸盐称为非碳酸盐硬度,硬度高易形成锅垢,总硬度检测项目是衡量水处理质量的依据,蒸汽锅炉和热水锅炉对锅外水处理的给水硬度控制标准不同。锅内加药处理法要求给水总硬度≤4mmol/l,锅外水处理法要求蒸汽炉给水总硬度≤0.03mmol/l,热水炉给水总硬度≤0.6mmol/l。

3.3 pH值

pH值是检测水中酸碱性的项目,pH值低显酸性,会产生酸腐蚀,pH值太高,虽然满足磷酸根与钙离子碱性条件下反应生成水渣排出,但游离的OH-存在会产生碱性腐蚀,所以给水和锅水对pH值都有一个标准范围。锅内、锅外水处理法要求给水pH≥7,锅水pH=10~12。

3.4 溶解固形物

溶解固形物是检测锅水含盐量的指标,全部阴离子和阳离子的量就是含盐量,根据含盐量确定锅炉排污量,锅炉蒸汽中常带有锅水水滴,锅水形成的盐越多,蒸汽纯度越低,对锅炉的危害越大,为了获得纯净的蒸汽,溶解固形物控制在一定范围内,保证锅炉的安全运行。检测溶解固形物比较复杂,不能及时确定排污量,利用溶解固形物与氯离子有一定关系式,在测定锅水溶解固形物时只要测出锅水氯离子就能计算出溶解固形物。锅内水处理法要求锅水溶解固形物<5 000mg/L,锅外水处理法汽炉的额定蒸汽压力越大要求溶解固形物相对越小,最大蒸汽压力要求锅水溶解固形物<3 000mg/L,最小蒸汽压力要求锅水溶解固形物<4 000mg/L。

3.5 相对碱度

用游离OH-、溶解固形物这两项的物质量来计算相对碱度的,是评价锅炉水质的重要指标,游离OH-过高使焊接处的金属苛性脆化,蒸汽锅炉锅外水处理法当相对碱度≥0.2时有苛性脆化风险。

检测给水和锅水各项指标,可以了解锅炉内部运行状态,及时发现设备存在的问题,并且给水处理工作人员提供正确的指导方向,水处理工作人员严格按照各项检测项目的控制标准进行监督。

4 水垢的预防

水垢是引起锅炉事故发生之一,水质处理是为了预防锅炉结垢,需要根据锅炉的型号、种类采取合理的水处理方式,满足锅炉用水水质标准,锅内加药法适合热水炉和压力低的蒸汽炉,锅外处理法适合高压汽炉和汽、水两用炉,锅炉水质处理效果如何,在很大程度上取决于水处理技术和管理工作。水处理方式分锅外和锅内两种。

4.1 锅外化学水处理

锅外化学水处理后的水供给蒸汽炉和汽水两用炉,悬浮物和胶体物质一般存在于自来水中,为了不影响后期的锅炉水处理效果必须先除去,使水得到澄清。

4.1.1 预处理

有悬浮物和胶体物质的原水进行沉淀、絮凝、过滤等预处理,对于硬度、碱度高的原水,要先进行降碱、降低硬度的预处理。

4.1.1.1 石灰(CaO)沉淀软化处理。

碱度、硬度高的原水中加入生石灰,生石灰溶解成熟石灰Ca(OH)2,熟石灰与水中钙、镁的重碳酸盐(HCO3-)反应生成难溶于水的碳酸钙沉淀除去,碱度、硬度同时降低,碱度、硬度高的原水适合此方法。

4.1.1.2 石灰(CaO)-碳酸钠(Na2CO3)软化处理。

加入石灰的目的是与水中钙、镁的重碳酸盐(HCO3-)反应生成难溶于水的碳酸钙沉淀除去,加入纯碱Na2CO3的目的是Na2CO3与非碳酸盐硬度硫酸钙、氯化钙、硫酸镁、氯化镁反应生成碳酸钙、氢氧化镁沉淀除去,两种物质软化可同时降低硬度,软化程度比较高,适用于低碱度、高硬度原水。

4.1.1.3 石灰(CaO)-氯化钙(CaCl2)软化处理。

当碱度大于硬度时,用石灰与水中钙、镁的重碳酸盐(HCO3-)反应生成难溶于水的碳酸钙沉淀除去,只能降低生成碳酸盐那部分碱度和硬度,过剩的碱度(如NaHCO3、KHCO3)用氯化钙软化,生成碳酸钙沉淀除去,达到降低过剩碱度的目的,石灰-氯化钙软化剂适合软化碱度大于硬度的水质。

4.1.1.4 热法石灰-纯碱(Na2CO3)-磷酸盐(PO43-)处理。

把水加热至80℃~100℃用石灰纯碱软化处理有沉淀析出,可同时加入混凝剂铝盐促使沉淀彻底析出,这种初步处理的水硬度降得不够低,可用磷酸三钠(Na3PO43-)进行补充处理,处理后的残留硬度可降至0.35mmol/L~0.7mmol/L。

4.1.2 锅外离子交换水处理

是指水中阴、阳离子通过交换剂替换成OH-、H+达到去碱度、硬度的目的。离子交换软化法有以下几种。

4.1.2.1 钠离子交换软化法。

工业锅炉一般使用工业氯化钠作为离子交换剂,当水经交换剂时,钠离子替换钙、镁离子进入水中,水得到软化,水中钙镁离子被除去阴离子不变,但使用氯化钠再生时淋洗不彻底会使水中氯离子偏高。

4.1.2.2 部分钠离子交换软化法。

原水经过钠离子交换器后可降低硬度碱度不变,这部分水与没有通过交换器的原水混合后作为锅炉给水,经钠离子交换后软水中的碱度与在锅内没经过软化器软化过的原水的硬度结合,可以消除一部分碱度,部分钠离子交换软化法实质上是锅外锅内相结合的水处理。此方法适合碱度大于硬度的原水,可同时降低碱度、硬度。

4.1.2.3 氢-钠离子交换软化法。

是指通过氢离子交换器后产生的软化水呈酸性与通过钠离子交换器后产生的呈碱性软化水中和后的水。原理是水中钙镁离子被氢离子替换,交换后水中的氢离子与原水中强酸阴离子的摩尔数相当,强酸阴离子交换成强酸,交换后显酸性,不符合锅炉给水指标;原水经过钠交换器水中钙镁离子被钠离子替换,除去了硬度碱度不变,也就是出来的是碱性水,两个交换器出来的水混合后显中性,达到除硬度、碱度的目的,这是并连交换器的交换过程,氢-钠离子交换系统有并连和串联两种形式,串联是氢交换器出来的酸性水再进入钠交换器除硬度的同时也发生酸碱中和。

4.1.3 除氧气(O2)处理

水中溶有氧气(O2)时,发生氧腐蚀,给锅炉的安全运行造成危害,所以,加装热力除氧器是给加热至沸腾的水施加一定的压力使其变成蒸汽,溶解于水中氧气逸出,达到除氧的目的。

4.2 锅内水处理

选用锅内处理可节省使用锅外水处理设备和节约维护费用,减少水处理工作人员,但锅内水处理法给水进入锅内在锅炉受热面易结垢,为了使水垢变成疏松的水渣,排出炉外,向炉水中投入化学药品,锅内水处理常用的药品有:纯碱(Na2CO3)、磷酸盐及有机磷酸盐胶体等。

4.2.1 加纯碱Na2CO3处理

纯碱Na2CO3可以维护锅水碱度,保持一定碱度避免锅炉腐蚀,CO32-的浓度增加,生成碳酸钙CaCO3、氢氧化镁Mg(OH)2沉淀,要及时排污,CaCO3沉积时间长会形成坚硬的垢盐,难于排出,容量小且压力≤1.3MPa的锅炉适合此方法。

4.2.2 加磷酸盐处理

锅水中加入磷酸盐是在锅水沸腾和pH=10~12的碱性条件下,Ca2+与PO43-生成碱式磷酸钙水渣,另外,生成的磷酸钙、磷酸镁具有分散已形成的钙、镁盐的作用,使碳酸钙、氢氧化镁分散成细小的水垢不易在金属表面附着,水渣和细小的水垢随锅炉排污出去。

4.2.3 加入有机磷酸盐

具有阻垢作用、高温较稳定,有阻碍固体碳酸盐晶体生长,避免水垢的形成。作用有3个方面:①能与钙镁离子生成稳定的螯合物,防止碳酸钙沉淀析出。②原有碳酸钙晶体中的钙离子与有机磷酸盐生成稳定的螯合物,阻碍碳酸钙晶体逐渐增大。③能使碳酸钙、镁晶体结构发生畸变,抑制碳酸钙、镁变大析出。

锅内加药处理的机理是投入化学药剂除掉已生成的水垢和阻止水垢的生成,前提是必须进行排污,由于锅炉水在高温下钙、镁离子被蒸发浓缩到一定浓度形成水渣,通过排污把水渣和水垢排出,使锅炉正常的水循环或减少水垢的堆积形成坚硬的垢盐,因此,需要合理操作锅炉,减少水垢的产生。

5 结束语

水垢的形成是一个循序渐进的过程,对锅炉的影响是缓慢的显现过程,这时的结果已无法挽回,必须加强水质管理,因此,了解水垢产生的原理及对锅炉的危害是非常必要的,利用科学的检测方法将其各项指标控制在有关标准范围内,做到尽早发现问题,根据具体情况具有针对性地选择最佳的水处理方法,采取合理的预防措施,防止锅炉结垢,既节约了人力、财力、物力还对锅炉的安全、经济运行起到保障作用。

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