鍋爐水垢及水處理技術的研究

摘 要：鍋爐是指利用各種燃料、電、或者其他能源將所盛裝的液體加熱到一定參數，并承載一定壓力的密閉設備。它在社會生產中占有不可或缺的地位。水垢是在鍋爐運行中普遍存在的一個問題，它是鍋爐運行一定時間以后在鍋爐受壓元件內表面粘附的一層堅硬的附著物，稱為水垢。鍋爐產生水垢后易造成燃料的浪費，影響汽水循環，受壓元件的過熱及變形，甚至是發生鍋爐爆炸等嚴重事故，嚴重威脅著人民群眾的生命及財產安全，因此文章認為對水垢的形成、水垢種類及水處理技術的研究是十分必要的。

關鍵詞：鍋爐；水垢形成；水垢種類；水處理技術

1 概述

一般鍋爐用原水中含有大量的雜質，按顆粒大小可分為懸浮物質、膠體物質和溶解物質。其中懸浮物質為水中攜帶的泥沙、動植物碎屑及一些腐殖質等有機化合物，膠體則是一些分子和離子的集合，主要是一些鐵、硅等的化合物、動植物的蛋白質及脂肪等，鍋水中的懸浮物質及膠體很容易隨著鍋水的蒸發而逐漸的累積而產生沉淀附著于鍋爐內壁上形成堅硬的水垢，但是上述兩種雜質通過物理過濾的方式較易除去。溶解物質則是一般以離子及分子或氣體狀態存在于水中的分散物。一般鍋爐給水中鈣、鎂、鈉、鉀四種陽離子是水中的主要離子，達到95%以上，其中鈣離子又是天然水中的主要離子，鍋水中的溶解物質鈣、鎂等的重碳酸鹽類在高溫下轉換成碳酸鹽垢析出，以及鈣鎂離子的硫酸鹽、碳酸鹽及硅酸鹽等的溶解度隨著鍋爐水的溫度上升而下降也會在鍋爐內壁上析出形成水垢。

2 水垢的種類

盡管運用現代的水處理技術能使鍋爐給水中的雜質降到很低的程度，但是在運行中還是不可避免的產生水垢，水垢往往不是單一的化合物，而是由許多化合物組成的混合物。

下面重點討論水垢的種類及其特點。

2.1 鈣鎂水垢

這種水垢的主要成分為鈣和鎂的鹽類為主，按其化學組分可分為碳酸鈣水垢（CaCO3）、硫酸鈣水垢（CaSO4、CaSO4·2H2O）硅酸鈣水垢（CaSiO3）、鎂垢（Mg（OH）2、Mg3（PO4）2）。

碳酸鹽水垢常在給水管路、熱交換設備、省煤器、加熱器、鍋筒、水冷壁管及下聯箱等部位生成。硫酸鹽水垢和硅酸鹽水垢，主要是在熱負荷較高的受熱面上，如水冷壁管、蒸發器和蒸汽發生器內生成。鈣鎂鹽類主要是因為隨著鍋水溫度升高溶解度下降，隨著鍋水蒸發水中鹽類濃縮，及受熱分解而析出并附著于受熱面上，逐漸成為堅硬的沉積物，即人們常說的水垢。

2.2 硅酸鹽水垢

硅酸鹽水垢的化學成分復雜，往往含有40%～50%的SiO2，25%～30%的鐵、鋁的氧化物，10%～20%的Na2O，鈣鎂的化學物一般只能占不到10%。在鍋爐給水中，鐵、鋁的化合物和硅的化合物的含量偏高及受熱面上熱負荷過高時此種水垢產生的關鍵原因。此種水垢主要是從高濃縮的鍋水中直接結晶析出而產生的。因此極難清除，一旦產生此種水垢將給設備運行帶來極大隱患。

2.3 氧化鐵垢

氧化鐵垢的化學成分70%～90%為鐵的氧化物，另含有少量的金屬銅和銅的氧化物及一些鈣鎂鹽類。外觀一般呈咖啡色、黑色或者灰色。它的生成與鐵的氧化物的含量及鍋爐的熱負荷有直接關系。鐵的氧化物一般由鍋爐給水帶入或者在運行及停爐期間因氧化腐蝕而產生，而鍋爐的熱負荷卻決定了氧化鐵垢的生成速度。氧化鐵垢的主要成分為具有鐵磁性的Fe3O4，其他形式的氧化鐵垢一般都會轉化成Fe3O4，因它具有最穩定的化學性質。此種水垢被認為是由于鍋爐金屬受到腐蝕后直接在管壁上沉積并產生的，另一方面鍋水中含有的鐵的化合物在靜電引力的作用下向金屬表面聚集而產生。盡量減少鍋爐給水中的含鐵量及減少鍋爐停、運期間的腐蝕是控制氧化鐵垢的有效手段。

3 常見的水處理技術及設備

隨著鍋爐管理水平的提升，水垢的危害逐漸得到人們的認識，水處理技術也得到飛速發展，下面介紹幾種常見的水處理技術及設備。（1）鍋爐水處理一般要先進行水的預處理，使水變得澄清或者除去部分硬度。而預處理工藝包括：混凝處理，沉淀（澄清）處理，過濾處理。混凝處理的原理是使水中的膠體脫穩，再經過沉淀，過濾除去。而脫穩最簡單常用的方法是投加混凝劑即硫酸鋁使膠體脫穩，一般可在30秒內完成，然后是脫穩膠體的絮凝過程，此過程會持續時間較長。混凝處理之后是水的沉淀處理，一般方法是加入化學藥劑使水中的鈣、鎂離子變成難溶于水的化合物而沉淀出來，從而減低水的硬度。常用的是石灰（CaO）。除此之外還有石灰-純堿法、石灰-氯化鈣法、氫氧化鈉法等。以上兩步進行的同時添加氧化鎂對于硅化物的降低是非常有好處的。混凝、沉淀處理需要在沉淀池進行。經過混凝及澄清處理后水中仍有部分懸浮物未除掉，如不進一步過濾除去，當進行離子交換處理時必會污染樹脂，降低水處理的效率。過濾材料常用石英石、無煙煤、大理石等具有化學穩定性、不影響水質、機械強度好而且廉價的材料。進行過濾的設備有單流式壓力過濾器、多層濾料過濾器、無閥濾池、纖維過濾器等。（2）預處理過后，除去了水中的懸浮物和大部分膠體物質，水中的鹽類物質通常采用離子交換法和反滲透法除去。a.離子交換是離子交換劑上的離子與溶液中同性電荷離子進行交換反應的過程。目前國內主要的離子交換劑是離子交換樹脂。離子交換樹脂是人工合成的長鏈高分子化合物。離子交換樹脂在離子交換器內分為三個區域，即失效層、工作層、保護層，這三層樹脂并沒有明顯的界限，并且時刻處于變化的過程，隨著交換過程的進行，失效層不斷擴大，工作層不斷向后移動，保護層也會越來越薄，當保護層薄至被穿透時，意味著交換器樹脂的實效，交換器出水水質不合格。在交換樹脂完全實效之前我們需要進行反洗已到達離子交換樹脂再生的目的，防止不合格的水進入鍋爐。所謂再生就是用再生劑將實效樹脂中的交換離子洗脫除去，恢復樹脂的交換能力的過程，再生過程也可以認為是交換制水的逆過程。離子交換樹脂的再生方式有順流再生，逆流再生兩種方式。順流方式是指再生劑水流方向與交換運行時水流方向相同，通常是由上向下流動，但此種方式再生率并不高。逆流再生是指再生劑與離子交換運行時水流方向相反，它具有出水質量好，再生劑比耗低等優點。b.反滲透又稱逆滲透，是一種以壓差為推動力，從溶液中分離出溶劑的膜分離操作。因為它和自然滲透的方向相反，故稱為反滲透。反滲透膜能截留水中的各種無機離子、膠體物質和大分子溶質，從而取得凈制的水。它是基于材料科學的發展而產生的分離技術，是相對傳統的分離過程加以變革后的分離技術，其特點是過程非常簡單，在常溫無相態變化，無化學變化，分離節能高效無污染。其因節能效果非常顯著而得到各國的重視，不少國家把此技術納入國家計劃和關鍵技術，增加反滲透裝置每年可少耗大量的酸和堿，大大減少了酸堿對環境的污染，能取得很明顯的環境效益。反滲透膜常用的材料是醋酸纖維素、芳香聚酰胺、薄膜復合膜等具有高通水量、高鹽截留率、耐腐蝕、抗生物侵蝕、抗膠體及懸浮物污染、價格便宜、機械強度好、化學穩定性好及耐高溫的材料。反滲透的處理系統一般包括：混凝→砂慮→清水池→雙層濾料過濾器→加熱器→保安過濾器→高壓泵→反滲透器，在雙層過濾之前需要進行PH值的調節，在雙層過濾之后需要加阻垢劑以防止結垢。反滲透膜需要定期進行清洗來除去膜濃水側的積累的雜質，保持膜的分離效率。

4 結束語

文章對水垢的形成、水垢種類及水垢的預防進行了簡單的探討，之所以花費一定的時間和精力對這些問題進行研究和分析，一方面是因為每年由于鍋爐的運行不當而造成的能源浪費和安全事故不在少數，造成的人員傷亡和財產損失是巨大的，另一方面是因為只有更好的認識鍋爐存在的問題才能更好的解決這些問題。保證生產人員的個人安全，為生產單位創造更多的經濟效益和社會效益。但是由于受到篇幅的限制，所以文章的分析略顯片面，但仍然希望通過文章的淺要見解為讀者提供參考和借鑒。

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