锅炉用水

蒸汽锅炉设备必须安全运行，并达到最大的燃烧和传热效率。为帮助实现这一目标以及获得长久、低维护的使用寿命，可对锅炉水进行化学处理。

锅炉用水

蒸汽锅炉设备的运行目标包括：

安全运行。
最大燃烧和传热效率。
最低维护。
长使用寿命。用于在锅炉中产生蒸汽的水质将对实现这些目标产生深远影响。 锅炉需要在以下条件下运行：
无水垢 - 如果给水中存在硬度且未通过化学方式控制，则传热表面将结垢，降低传热效率——需要频繁清洗锅炉。在极端情况下，可能出现局部热点，导致机械损坏甚至管道破裂。
无腐蚀和化学侵蚀 - 如果水中含有溶解气体，特别是氧气，锅炉表面、管道和其他设备可能发生腐蚀。如果水的pH值过低，酸性溶液将侵蚀金属表面。如果pH值过高且水呈碱性，则可能出现其他问题如起泡。还必须防止苛性脆化或苛性开裂以避免金属失效。开裂和脆化是由过高的氢氧化钠浓度引起的。旧的铆接锅炉更容易受到此类侵蚀；然而，在现代焊接锅炉的管端处仍需要小心。

优质蒸汽

如果锅炉给水中的杂质未得到适当处理，锅炉水可能被夹带进入蒸汽系统。这可能导致蒸汽系统其他地方的问题，例如：

控制阀表面污染 - 这将影响其操作并降低其容量。
工艺设备传热表面污染 - 这将增加热阻并降低传热效率。
疏水阀孔口堵塞 - 这将降低疏水阀容量，最终导致设备积水和输出减少。 夹带可能由两个因素引起：

汽水共腾 - 这是锅炉水被抛入蒸汽取汽口的现象，通常由以下一种或多种原因引起： -锅炉水位过高运行。 -锅炉低于设计压力运行；这会增加从水面释放的蒸汽体积和速度。 -过大的蒸汽需求。
起泡 - 这是在水面与蒸汽取汽口之间空间形成泡沫的现象。起泡量越大，将经历的问题越多。以下是起泡的迹象和后果： -水会从液位计的蒸汽连接处滴下；这使得准确确定水位变得困难。 -液位探头、浮子和差压变送器难以准确确定水位。 -可能发出报警，燃烧器甚至可能”锁定”。这需要手动复位锅炉控制面板才能重新建立供应。这些问题可能完全或部分由锅炉中的起泡引起。然而，由于起泡是锅炉水固有的，需要对泡沫本身有更好的了解：

表面定义 - 啤酒杯上的泡沫位于液体顶部，液体/泡沫界面清晰界定。在沸腾液体中，液体表面不清晰，从容器底部的少量小蒸汽气泡到顶部的许多大蒸汽气泡不等。
搅拌增加起泡 - 趋势是在给定蒸发速率下使用更小的锅炉。较小的锅炉水面积更少，因此每平方米水面积的蒸汽释放速率增加。这意味着表面的搅拌更大。因此较小的锅炉更容易起泡。
硬度 - 硬水不会起泡。然而，锅炉水被有意软化以防止水垢形成，这使其具有起泡的倾向。
胶体物质 - 锅炉水受到悬浮胶体（例如牛奶）的污染会导致剧烈起泡。注：胶体颗粒直径小于0.000 1 mm，可通过普通过滤器。
TDS水平 - 随着锅炉水TDS增加，蒸汽气泡变得更稳定，更不容易破裂和分离。 防止夹带的纠正措施 工程经理可以采取以下替代方案来最大限度地减少锅炉中的起泡：
操作 - 锅炉平稳运行非常重要。在恒定负荷且在设计参数内运行的锅炉中，随蒸汽夹带的水分可能不到2%。如果负荷变化快速且幅度大，锅炉中的压力可能显著下降，引发极其湍流的条件，因为锅炉内容物闪蒸为蒸汽。更糟糕的是，压力降低还意味着蒸汽的比容增加，泡沫气泡按比例增大。如果设备条件使得大幅负荷变化是正常的，可能需要考虑： -如果目前安装的是开/关式锅炉水位控制，改为调节式控制。 -“溢流控制”限制锅炉压力允许下降的水平。 -蒸汽蓄热器（见本模块第22章）。 -“前馈”控制在负荷施加之前将锅炉升至最大工作压力。 -“缓开”控制在预定时间内逐步将设备投入运行。
化学控制 - 可向锅炉水中添加消泡剂。这些通过破坏泡沫气泡来起作用。然而，这些药剂在处理由悬浮固体引起的泡沫时无效。
TDS控制 - 必须在以下两者之间找到平衡： -高TDS水平及其附带的运行经济性。 -低TDS水平最大限度地减少起泡。
安全性 - 水垢导致的过热危险和溶解气体导致的腐蚀危险易于理解。在极端情况下，起泡、水垢和污泥形成可能导致锅炉水位控制感应不正确的水位，对人员和工艺都造成危险。

外部水处理

人们普遍认为，在蒸汽锅炉上，主要的给水处理应在锅炉外部进行。

表3.9.2显示了基于典型硬质原水供应，各种工艺可能获得的处理后水质概况。这是外部处理设备需要处理的水。

外部水处理工艺可列为：

反渗透 - 纯水通过半透膜被强制过滤的工艺，留下浓缩的杂质溶液，作为废水排出。
石灰；石灰/纯碱软化 - 石灰软化时，熟石灰（氢氧化钙）与钙和镁的碳酸氢盐反应形成可去除的污泥。这减少了碱性（暂时性）硬度。石灰/纯碱（碳酸钠）软化通过化学反应减少非碱性（永久性）硬度。
离子交换 - 这是壳管式锅炉生产饱和蒸汽时最广泛使用的水处理方法。本模块将集中讨论以下水处理工艺：碱交换、脱碱和除盐。

离子交换

离子交换器是一种不溶性材料，通常制成直径0.5至1.0 mm的树脂珠形式。树脂珠通常以填料床的形式使用，装在玻璃钢压力容器中。树脂珠是多孔且亲水的——即它们吸收水。在珠体结构内有固定的离子基团，与之关联的是带相反电荷的可移动可交换离子。这些可移动离子可以被来自珠体周围水中溶解盐的类似电荷离子所取代。

碱交换软化

这是离子交换最简单的形式，也是使用最广泛的。树脂床首先通过通入7%至12%的盐水（氯化钠或食盐）溶液来活化（充填），使树脂富含钠离子。此后，待软化的水通过树脂床泵送，离子交换发生。钙和镁离子取代树脂上的钠离子，使流过的水富含钠盐。钠盐在非常高的浓度和温度下保持溶解状态，不会在锅炉中形成有害水垢。从图3.10.1可以看出，所有硬度离子都被交换为钠。钠碱交换软化不会降低总溶解固体水平（TDS，以ppm为单位），pH也不会改变。发生的只是将一组潜在有害的结垢盐交换为另一类较无害的非结垢盐。由于TDS水平没有变化，无法通过电导率升高来检测树脂床的失效（TDS和电导率是相关的）。因此，再生是基于时间或总流量触发的。软化器运行成本相对较低，可以多年可靠地生产处理后的水。即使在高碱性（暂时性）硬度地区，只要有至少50%的冷凝水回流，它们也可以成功使用。在冷凝水回流很少或没有的情况下，更先进的离子交换方式更为可取。有时使用石灰/纯碱软化作为碱交换之前的预处理。这减少了树脂的负荷。

脱碱

碱交换软化的缺点是TDS和碱度没有降低。这可以通过预先去除碱度来克服，通常通过使用脱碱器来实现。有几种类型的脱碱器，但最常见的类型如图3.10.2所示。它实际上是由三个单元组成的一组设备：脱碱器、脱气器，然后是碱交换软化器。

脱碱器

图3.10.3所示的系统有时称为”分流”软化。脱碱器很少在没有碱交换软化器的情况下使用，因为产生的溶液是酸性的，会导致腐蚀，任何永久性硬度将直接进入锅炉。脱碱设备将去除暂时性硬度，如图3.10.3所示。当要使用非常高比例的补给水时，通常会采用这种系统。

除盐

此工艺将去除几乎所有盐分。它涉及将原水通过阳离子和阴离子交换树脂（图3.10.4）。有时树脂可能装在一个容器中，这称为”混合床”除盐。该工艺去除了几乎所有矿物质，生产出几乎不含溶解固体的高质量水。它用于非常高压力的锅炉，如发电站中的锅炉。如果原水含有大量悬浮固体，将很快污染离子交换材料，大幅增加运行成本。在这些情况下，可能需要对原水进行一些预处理，如澄清或过滤。

外部水处理设备的选择

查看表3.10.1，可能会倾向于认为应该始终使用除盐设备。然而，每个系统都有资本成本和运行成本，如表3.10.2所示，加上需要评估个别设备的需求。

壳管式锅炉设备

通常，壳管式锅炉能够容忍相当高的TDS水平，碱交换软化设备相对较低的资本和运行成本（见表3.10.2）通常使其成为首选。

如果原水供应的TDS值较高，和/或冷凝水回流率较低（<40%），可以考虑以下几种方案：

使用石灰/纯碱进行预处理，使碱性硬度以碳酸钙和氢氧化镁的形式从溶液中沉淀出来，然后从反应容器中排出。
脱碱设备以降低供应给锅炉设备的水的TDS水平。

水管式锅炉设备

水管式锅炉对高TDS水平的容忍度要低得多，随着压力增加更是如此。这有多种原因，包括：

水管式锅炉在汽包中的水面积相对于蒸发速率是有限的。这导致每单位水面积的蒸汽释放速率非常高，并产生湍流。
水管式锅炉的额定出力往往较高，可能超过1000吨/小时蒸汽。这意味着即使是小百分比的排污也可能代表很大的排污质量。
水管式锅炉往往在较高压力下运行，通常高达150 bar g。压力越高，排污水中包含的能量越大。更高的压力也意味着更高的温度。这意味着建造材料将承受更高的热应力，并且更接近其冶金极限运行。即使少量阻碍从管道到水传热的内部污染也可能导致管道过热。
水管式锅炉通常包含过热器。来自汽包的干饱和蒸汽可被引导至位于炉膛最高温度区域的过热器管。任何随蒸汽夹带的受污染水将涂覆在过热器管内部，抑制传热并可能产生灾难性后果。

上述因素意味着：

高质量的水处理对于此类设备的安全运行至关重要。
投资能够最大限度减少排污率的水处理设备在经济上可能是可行的。在每种情况下，选择通常是除盐或反渗透设备。

总结

原水质量显然是选择水处理设备时的重要因素。虽然TDS水平会影响锅炉运行性能，但其他问题如总碱度或二氧化硅含量有时可能更为重要，并主导水处理设备的选择过程。