下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
目前，锅炉水处理最常用的方式是采用化学处理法。通过使用水处理剂来抑制循环水结垢、减少细菌和藻类的生长、避免锅炉材料腐蚀而进行水质净化的方法就是化学处理法。锅炉水处理常用的化学药剂有离子交换剂、软化剂、除氧剂、pH调节剂、阻垢剂、缓蚀剂、清洗剂以及吸附剂等，本章将对这些化学助剂及其配方进行一一介绍。
天然水体中溶解的离子主要有8种（见表5-1），它们占水中溶解固体总量的95%以上。此外，天然水中还有一些生物生成，包括氮化合物
、磷化合物（
）、铁化合物、硅化物，以及微量元素（Co
2+
、Ni
2+
等）。这些离子的存在是造成锅炉结垢的主要原因，因此去除锅炉入水中的离子或降低其浓度十分重要。常用的去除水中离子的方法就是使用离子交换剂。
表5-1 天然水中的主要离子
不溶于水，但可用自己的离子把水溶液中某些同种电荷的离子置换出来的颗粒物质称为离子交换剂。离子交换剂分为无机和有机两大类。无机离子交换剂的颗粒核心结构紧密，只能进行表面交换，效果较差，因此目前很少使用。有机离子交换剂的颗粒核心结构疏松，交换反应不但在颗粒表面，而且在颗粒内部同时进行，交换效果好。有机离子交换剂也被称为离子交换树脂。根据交换的离子种类不同，又可分为阳离子交换剂、阴离子交换剂和惰性离子交换剂。
必须指出的是，无机离子交换剂的种类较少。天然沸石是最早应用的无机离子交换剂，是含有水的钠、钙以及钡、锶、钾等硅铝酸的盐类。色浅，具玻璃光泽，是阳离子交换剂。除天然产品外，也有人工制成的合成沸石。它的交换容量低，在酸中不稳定，不能作氢离子交换，曾用于水的软化。由于无机离子交换剂耐高温和辐照，研制出锆氧、铬氧和钛氧等的磷酸盐或钨酸盐构成的阳离子交换剂，它们的交换容量高，应用于核工业中；而在锅炉水处理中则很少使用。
当前锅炉水处理用离子交换剂主要是离子交换树脂。它们大多是苯乙烯与二乙烯苯的共聚物，也有的是丙烯酸系的共聚物或苯酚甲醛的缩聚物。离子交换树脂按它的交换基团分成阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两大类。阳离子交换树脂又分为强酸性与弱酸性，前者具有的磺酸基交换基团，适用于所有的酸性溶液，后者则是羧基、膦酸基或酚羟基，仅能用于中性至碱性溶液，但交换容量大，容易再生。阴离子交换树脂又分为强碱性与弱碱性，前者带有季铵基，适用于所有碱度的溶液，还能交换吸附弱酸；后者带有叔氨基或仲氨基，仅能用于中性至酸性溶液，但交换容量大，容易再生。离子交换树脂按物理结构又分为凝胶型和大孔型，前者是外观透明的均相凝胶结构，离子通过基体的大分子链间孔隙，才能扩散到交换基团附近，只适用于交换一般无机离子。此外，还有大孔离子交换树脂，在它的颗粒内有毛细孔道，具有非均相凝胶结构，适用于交换分子量较大的有机离子。近年来为适应生物化学工程的需要，在葡聚糖或纤维素上引入交换基团，用于提取多肽、核酸等物质。
市场上的离子交换剂产品系列已经相当完善，可直接购买使用。
锅炉水结垢的重要原因是含有的钙、镁离子导致水的硬度过高，因而，对水的软化具有重要意义。目前对锅炉水的软化处理方式主要分为物理和化学两种。物理处理有热力法、磁化法、离子交换膜法。锅炉给水一般不采用热力法。磁化法是使水流过磁场与磁力线相切割，水受磁场外力作用后，水中的钙镁盐类不生成硬垢，大部分生成松散泥渣随排污排出。膜分离法的主要原理是用天然或人工合成膜，以外界能量或化学位差作为推动力，对双组分或多组分溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集。
化学法在锅炉水的处理中应用十分普遍。化学软化法是指在软化水过程中发生化学反应生成新的物质，具体方式有炉内加药法和炉外软化法两种。炉内加药法，向炉内加某种化学药剂，改变沉渣的结构形式，防止或减少锅垢的生成。应用较广泛的方法是向炉内加入定量的磷酸钠、纯碱和含有鞣质的有机物质。炉外软化法，目前应用最多的是离子交换法。离子交换剂是一种难溶的固态物质，它能用自身含有的阴、阳离子和水中的钙、镁离子发生交换并去除钙、镁离子。
钠离子交换剂常用于炉外软化。钠离子交换剂（NaR）对水的软化机理主要是：
2NaR+Ca
2+
2Na
+
+CaR
2
2NaR+Mg
2+
2Na
+
+MgR
2
R表示离子交换剂中的复合阴离子，一种不溶于水的高分子化合物。当交换剂上的钠离子全部被钙离子、镁离子所代替，就失去了软化硬水的作用。这时，可用8%～10%的食盐溶液浸泡，这个过程叫再生，用Na + 将Ca 2+ 和Mg 2+ 置换出来，交换剂可再次使用。钠离子既可除暂时硬度，又可除永久硬度，获得可靠的软化效果，在锅炉水处理中得到广泛的采用。
锅炉给水经过软化后，除去了钙离子、镁离子等矿物质离子，降低了水的硬度，但水中溶解的氧气和二氧化碳等气体能引起金属腐蚀，使锅炉壁厚减薄，降低机械强度。氧和二氧化碳的腐蚀特征是，在金属表面形成鼓包。鼓包表面颜色由黄褐色逐渐转变为砖红色，内部包裹黑色腐蚀产物。将其清除后，便出现凹坑，造成锅炉的局部缺陷，影响锅炉的使用寿命，长此以往可能导致锅炉爆炸等严重安全事故。因此对锅炉给水进行除氧操作十分重要。常用的除氧方法有热力除氧、解吸除氧和化学除氧。所谓化学除氧，就是向水中加入一定量的化学除氧剂。除氧剂主要分为无机除氧剂和有机除氧剂。
亚硫酸钠曾是最常见的无机除氧剂。其作用机理为：
2Na
2
SO
3
+O
2
2Na
2
SO
4
亚硫酸钠作为除氧剂有如下优点：在催化剂存在下除氧速度快，操作容易、无危险，残余氧低。缺点为：亚硫酸钠和氧的反应速率会受到pH值、温度和催化剂等因素的影响，通常需要过量添加才可以保证锅炉的正常使用。此外，反应得到的是稳定盐——硫酸钠，使炉水内的可溶性物质增多，使水质变差，锅炉需要提高排污次数，从而造成化学试剂的浪费和燃料费用的提高。而且，当锅炉的工作压力超过6.2MPa时，亚硫酸钠会发生分解，得到腐蚀性的硫化氢与二氧化硫，并且这些气体会跟随水蒸气一起排出，可能造成后面设备的腐蚀。
联氨是另一种常见的锅炉无机除氧剂。其反应机理为：
N
2
H
4
+O
2
N
2
+2H
2
O
高压锅炉多采用联氨作为除氧剂的优点为：药剂加药量低，在温度很高时除氧速度很快，对水中的盐量无影响，联氨会在金属表面形成钝化层，能够抑制金属的腐蚀。缺点为：在除氧效率上低于亚硫酸钠，水温低的时候除氧速度慢，只可以在温度较高的情况下才可以有效地和氧发生反应从而达到除氧的目的。联氨的蒸气有毒，与皮肤接触会造成皮炎。此外，联氨在高浓度时有可燃性，不易运输、储存。
无机除氧剂使用比较早，应用过程已经成熟，而且价格不高。联氨虽然有毒，但是目前使用得最多。有机除氧剂的除氧效果和钝化效果都比联氨要好，但一般仍需复配，一方面增强了除氧效果，另一方面加药量较低，降低成本。常见的有机除氧剂有肟类化合物、异抗坏血酸及其钠盐以及胺类化合物。
锅炉的氧腐蚀与锅炉水pH值有密切关系，当锅炉水pH值低于10时，极容易发生氧腐蚀，而pH值为10～12时，就能使锅炉本体氧腐蚀减缓或得以避免。目前，大多数锅炉使用单位为保证热水锅炉的锅水pH值在10～12，通常加入碳酸钠、氢氧化钠等。运行实践表明，这些药剂用量大，效果不明显，而且仍然产生一定的腐蚀，是排污率增加，降低锅炉热效率，造成经济损失。
随锅炉给水进入锅内的一些有害物质，在受热蒸发和不断浓缩的条件下，经过各种物理、化学过程，将会以不同形态的沉淀物析出，这些沉淀物牢固地附着在受热面上的沉淀物，其结晶体坚硬而致密，称为水垢。而另外一部分悬浮物，呈疏松絮状或细小晶粒状，称为水渣，可以通过锅炉的表面排污和定期排污排出锅外。
锅炉结垢会产生诸多危害：
① 影响传热。如果锅炉在运行中结生水垢，首先会严重影响传热，由于水垢的热导率只有钢材的几十分之一，所以当锅炉内表面结垢后，燃料燃烧产生的热量不能很好地传到水侧，从而造成排烟温度升高，浪费燃料，增加运行成本。据有关资料介绍，锅炉结垢后被浪费的燃料成下列比例关系：当水垢的厚度≥1mm时，锅炉将多消耗燃料5%～8%；当水垢的厚度≥2mm时，锅炉将多消耗燃料10%～18%；当水垢的厚度≥3mm时，锅炉将多消耗燃料18%～26%。
② 锅炉爆管。当锅炉结垢后，燃料燃烧的热量不能及时传递到水侧，使受热面温度升高，锅炉受热面若长期在超温状态下运行，金属材料将发生蠕变、鼓包，强度下降，导致爆管；若锅炉的水管因大量结垢而堵塞的话，将很快发生爆管。
③ 锅炉腐蚀。锅炉结垢后会引起锅炉垢下腐蚀，锅炉腐蚀将缩短使用寿命，危及安全运行。
④ 炉管穿孔。锅炉腐蚀有可能造成炉管穿孔，甚至发生锅炉爆炸，严重威胁人身和设备安全。
水垢形成的原因是：
① 蒸发浓缩。锅水受热，激烈沸腾，产生大量水蒸气，使锅水不断浓缩。水蒸气本身携带的杂质极少，因此给水中原含有的少量有害杂质，外加锅内腐蚀增加的杂质，就以几十倍的浓度留在锅水中。由于锅内各处受热面蒸发强度有差别，使某些局部锅水浓缩程度会更高。这时，结垢性的钙、镁阳离子与某些阴离子结合，往往可超过相应沉淀物的溶度积（在难溶强电解质饱和溶液中，组成该物质的各离子浓度的系数次方之积，在一定温度下为该物质固有的常数，称溶度积），析出沉淀物。
② 高温分解。钙和镁的碳酸氢盐在锅水蒸发过程中受热发生分解反应，生产沉淀物析出。碳酸镁在水中有一定的溶解度，它能进一步水解，生成溶解度更小的氢氧化镁沉淀。
③ 高温沉淀。大多数物质的溶解度，随着温度的升高而增大；但有少数物质的溶解度却随温度的升高而减少，例如硫酸钙，它极易在受热强度较大的部位析出。
④ 表面结晶。锅水中的难溶物质，其相应离子的浓度时常都超过了其溶度积，处于过饱和溶液状态，但还没有沉淀产生，一旦锅水中或与锅水接触的金属表面有某种诱因，如有结晶核心形成，或局部金属表面条件有差异，或发生某种物理化学作用，就会有大量的沉淀物析出。
锅内加阻垢剂是向锅内注入有机或无机药物，使水中成垢离子变成非黏附性的水渣，通过排污排出炉外，从而防止锅内结垢和腐蚀，还可以使已附着在锅壁上的水垢松软脱落。另外，还可以与钙、镁等离子形成稳定的螯合物，提高了这些成垢离子在水中的溶解性。与锅外化学水处理相比，锅内加阻聚剂处理方法具有设备简单、维护方便和经济高效等优点。
缓蚀剂是一种以适当的浓度和形式存在于环境（介质）中时，可以防止或减缓腐蚀的化学物质或几种化学物质的混合物。缓蚀剂防腐方法与其他通用的防腐蚀方法相比，缓蚀剂防腐技术由于其具有很好的缓蚀效果和较高经济效益，已经成为防腐技术中应用最广泛的方法之一。
缓蚀剂的缓释机理有三种：
① 沉淀膜机理。缓蚀剂，它与共轭阴极反应的产物（一般为OH - ）或金属基体腐蚀产物（如Fe 2+ 、Fe 3+ ）在金属基体表面形成一种沉淀膜，阻止介质与金属基体的接触，起到缓蚀效果。
② 氧化膜机理。缓蚀剂，它与金属基体发生氧化反应，在金属基体表面形成一层致密且附着力强的氧化膜，很好地抑制了金属的腐蚀。氧化膜的厚度一般能达到为5～10μm，防腐性能良好，然而在酸性介质中特别是强酸性介质中，这种保护作用将会失效，因为形成的氧化膜会被溶解掉，因此不能作为酸洗缓蚀剂。中性介质中常用的缓蚀剂，如Na 2 CrO 4 、NaNO 2 、NaMnO 4 等就属于氧化膜缓蚀剂。
③ 吸附膜机理。它能在金属/溶液的界面上形成均匀、致密的吸附层，从而阻挡了水分子和腐蚀性物质与金属基体接触，或是抑制了金属腐蚀的过程。此类缓蚀剂基本上都是含有O、N、S、P不饱和键的有机物或极性基团。因此形成的保护膜又分为化学吸附膜或物理吸附膜，它的缓蚀膜很薄，一般为单分子或几个分子层的厚度。
缓蚀剂按照应用介质一般可以划分为以下三种类型：
① 酸性缓蚀剂。包括各种无机酸，如硫酸、氢氟酸、盐酸等，有机酸如草酸、EDTA、氨基磺酸、柠檬酸等。
② 中性缓蚀剂。在水溶液中，pH为6～11的缓蚀剂可称为中性缓蚀剂。
③ 碱性缓蚀剂。包括铬酸盐，有机类的8-羟基喹啉、无机类硅酸钠，间苯二酚等。如果按照化学组成分类则可以分为无机缓蚀剂和有机缓蚀剂。由于各种缓蚀剂一般都存在协同作用，因此常常复配使用。
硬垢通常胶结于锅炉或管道表面，产生诸多危害。首先，硬垢导热性很差，会导致受热面传热情况恶化，从而浪费燃料或电力。其次，硬垢如果胶结于锅炉内壁，还会由于热胀冷缩和受力不均，极大地增加锅炉爆裂甚至爆炸的危险性。再次，硬垢胶结时，也常常会附着大量重金属离子，如果该锅炉用于盛装饮用水，会有重金属离子过多溶于饮水的风险。另外，工业锅炉如果管路堵塞，可导致爆炸。
化学清洗的关键是根据设备的材质以及污垢的类型，正确地选用清洗药剂。锅炉清洗剂的通俗叫法为锅炉除垢剂，顾名思义指的是能清除锅炉内部水垢的一种化学药剂，广泛适用于电锅炉除垢、燃油锅炉除垢、燃气锅炉除垢、燃煤锅炉除垢、开水炉除垢、热水锅炉除垢、采暖锅炉除垢、浴池锅炉除垢、蒸汽锅炉除垢及板式换热器除垢等。常用的清洗剂可分为无机酸和有机酸。无机酸常有盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、氢氟酸等，清洗效率高，但对钢铁有腐蚀作用，对贵重设备、特种金属材料清洗时受到限制，废液排放污染环境；有机酸则有柠檬酸、甲酸、乙二胺四乙酸、氨基磺酸、羟基乙酸、葡萄糖酸等，清洗效率高，对钢铁腐蚀性很小，无毒、无味、不污染，属安全型清洗剂。
吸附剂是能有效地从气体或液体中吸附其中某些成分的固体物质。吸附剂一般有以下特点：大的比表面、适宜的孔结构及表面结构；对吸附质有强烈的吸附能力；一般不与吸附质和介质发生化学反应；制造方便，容易再生；有良好的机械强度等。吸附剂可按孔径大小、颗粒形状、化学成分、表面极性等分类，如粗孔和细孔吸附剂，粉状、粒状、条状吸附剂，碳质和氧化物吸附剂，极性和非极性吸附剂等。
常用的吸附剂有以碳质为原料的各种活性炭吸附剂和金属、非金属氧化物类吸附剂（如硅胶、氧化铝、分子筛、天然黏土等）。最具代表性的吸附剂是活性炭，吸附性能相当好，但是成本比较高，曾应用在松花江事件中用来吸附水体中的甲苯。其次还有分子筛、硅胶、活性铝、聚合物吸附剂和生物吸附剂等。
对于锅炉进水而言，吸附剂主要用于除去重金属、有毒有机物等杂质，避免对设备和蒸汽质量的危害。