工业锅炉水质要求及安全性分析

浅谈工业锅炉对水质要求

葛升群

陕西省锅炉压力容器检验所

1　锅炉水中杂质及其危害

1.1　水中杂质及其分类

自然界中没有绝对纯净的天然水，其中必含有一定杂质，这些杂质根据其颗粒尺寸可分为三类，颗粒最大的称为悬浮物，其次称为胶体物，最小的是分子和离子，后者称为溶解物。

1.1.1　悬浮物

悬浮物的成分是一些泥土、黏土、砂粒、植物遗体或油等不溶性杂质。其颗粒大小为10～4mm，大的可用肉眼分辨出来，小的可用显微镜看到。当水静止时重的颗粒自行下沉，轻的颗粒悬浮于水中，成为“悬浮物”。在水中分布不均匀，结构不稳定，比较容易去除。

1.1.2　胶体物质

水中胶体物质的颗粒直径约在10^－6～10^－4mm之间，是很多分子集合成的“胶体”。主要是元素铁（Fe）、铝（Al）、硅（Si）、铬（Cr）等的化合物及一些有机物，在水中分布比悬浮物杂质均匀些。胶体物的特点是既不能互相结合也不会自行沉淀而是处于较为稳定的胶体状态之中。

1.1.3　溶解物

水中溶解物质的颗粒直径约在10－6mm，主要是可溶于水而成为阳离子和阴离子的“电解质”，它们是钙（Ca）、镁（Mg）、钾（K）、钠（Na）等盐类，金属原子都形成阳离子，而酸根都形成阴离子，此外还有一些溶解气体，有时还有一些溶于水的有机物是非电解质。在水中分布均匀，极稳定。

1.2　水中杂质对锅炉的危害

天然水中含有很多有害杂质，若不经处理进入锅炉将会发生极大的危害。

1.2.1　结垢的危害

锅炉运行一定时间以后，往往在锅筒及管壁上黏附一层白色硬皮，称为水垢。水垢形成的主要原因是由于水中含有钙、镁盐类，也就是所谓硬度物质。这种盐类溶解度较小，且随温度升高而下降，易变成难溶的盐类。水垢的存在对锅炉安全、经济运行危害很大，主要是：

（1）水垢导热系数较小，仅为钢铁导热能力的，有水垢存在就会使受热面传热状况恶化，使排烟温度增高，热效率降低，增加煤耗。

（2）由于水垢导热系数小，受热面传热变坏，就会使管壁温度大为提高，以致引起受热面金属过热，因而降低了材料的机械强度，使管壁起疱或出现裂缝。

（3）水垢附着在锅炉受热面上，特别是管内结垢，难于清除，增加了检修费用，不仅耗费人力、物力，而且会使受热面受到损伤，降低锅炉寿命。

（4）水垢产生后，会减小受热管内部流通载面，增加管内水循环的流动阻力，严重时流通载面很小，甚至完全堵塞，就会破坏水循环的正常工作，当没有水流过受热面时，管子就会被烧坏。

1.2.2　腐蚀的危害

水中溶解的有害气体主要有氧气、二氧化碳和硫化氢，有时锅水PH值＜7呈现酸性；或水中氯化物存在较多，都会使给水管道、省煤器、水冷壁、锅筒以及对流管束等受热面发生腐蚀。锅水苛性碱度过大，产生苛性脆化则会造成更大的危害。腐蚀严重影响锅炉寿命，主要危害是：

（1）产生腐蚀后，锅炉的省煤器、水冷壁、对流管束、锅筒等金属构件遭到破坏而变薄，或局部点状腐蚀而凹陷甚至穿孔。严重的腐蚀会使金属内部结构破坏而强度显著降低引以爆管事故发生。这将会缩短锅炉的使用年限，或需停炉停产进行修复。

（2）若锅筒发生苛性脆化，会引起金属材料脆化，产生裂纹，引起锅炉破坏。

（3）金属腐蚀产物转入水中，使水中杂质增多，又加剧受热面上的结垢过程。含有高价铁的水垢，容易引起垢下金属铁的腐蚀，而铁的腐蚀又容易重新结成水垢，这种恶性循环会迅速导致爆管事故。

1.2.3　发沫或汽水共腾的危害

锅水不断浓缩，含盐量及碱度都不断增高，达到一定值后，就容易在锅筒上部蒸发面产生泡沫称为发沫，尤以水中有悬浮物微粒、油及有机物时发沫现象更易发生和剧烈。发沫严重时，可以使锅筒里汽水面不分，成为蒸汽和水泡沫的混合体，这种现象叫汽水共腾。发沫或汽水共腾主要的危害是：

（1）蒸汽把泡沫带走，引起蒸汽大量带水。这些水是含杂质浓度较大的锅水，因而使蒸汽污染，造成过热器管积盐，甚至堵塞，或使汽轮机、热交换器内积盐。

（2）锅炉水位计水位不清，甚至看不出水位高低，而影响锅炉安全运行。

（3）使过热蒸汽的温度下降。

（4）产生水击，易造成蒸汽系统的损坏。

2　工业锅炉水质标准

为了防止锅炉由于生垢、腐蚀或发沫而影响锅炉安全、经济运行，对锅炉给水和锅水都要求达到一定的标准。低压锅炉和中压锅炉的水质标准也不相同。

2.1　锅炉用水主要评价指标

表示水中各种类物质含量的项目称为水质指标。锅炉用水主要评价指标有：悬浮物，含氧量、含盐量和溶解固形物，碳酸盐硬度，锅水碱度，氯化物含量及二氧化硅含量、含油量、含铁量等。

2.1.1　悬浮物

悬浮物指标用以表示不溶于水的悬浮物质的含量，悬浮物指标的单位为mg/L。它是取一定量的水样，经不同材料过滤后，将截留物在105～110℃下烘干称重而测得。

2.1.2　碱度

碱度表示水中能接收氢离子的物质的量。例如及其他弱酸盐类的总含量，因为这些盐类在水溶液中呈碱性，所以称为碱度。锅炉运行中，以控制前三项为主，其余可以忽略。其中OH^－阴离子构成氢氧根碱度，阴离子构成碳酸根碱度，阴离子构成碳酸氢根碱度，水中并不能同时存在这三种碱度。例如天然水中往往只含有和；锅水中则没有，只有OH^－。因此水中不可能同时含有OH^－、。因为OH^－和能发生化学反应生成和H₂O。(www.xing528.com)

相对碱度表明水中游离的NaOH含量与含盐量之比。这是为了防止锅炉钢材发生苛性脆化而规定的一项水质指标。锅炉材料在高浓度NaOH和高应力集中工况下会发生苛性脆化而破裂。为防止苛性脆化的发生，锅炉用水的相对碱度必须小于0.2。鉴于苛性钠脆化一般发生在NaOH积聚的缝隙处，如胀结管孔胀口处等位置，浓度达到一定数值时才会出现，因此《工业锅炉水质》（GB1576－2001）规定当锅炉采用全焊接结构时，锅水的相对碱度可不控制。

2.1.3　含盐量

含盐量表明水中各种溶解盐类的总量。可根据水质全分析得到的全部阳离子和阴离子的总和确定。含盐量指标的单位为mg/L。由于水质全分析的工作量较大，因而也可应用其他方法来近似表示含盐量。常用方法之一为利用水中离子的导电能力来评价水中含盐量。水中离子总量愈多则水的电导率愈高，因而可根据水的电导率来近似表明水的含盐量。水的电导率可用电导仪测定，可以方便地在短时间内确定水的含盐量。电导率的单位为μS/cm。

2.1.4　硬度

硬度表示水中钙离子和镁离子的总浓度，单位为mol/L。在加热条件下，钙离子和镁离子会与某些阴离子结合成盐类，沉积在锅炉受热面上，形成水垢。因而用硬度反映水中结垢物质的量值，是表明锅炉用水水质好坏的一个十分重要的指标。

硬度还可按水中存在的阴离子工况分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度两类。水中的钙离子可以与阴离子形成的结垢物质有碳酸氢钙Ca（HCO₃）₂、碳酸钙CaCO₃、硫酸钙CaSO₄、氯化钙CaCl₂和硅酸钙CaSiO₃等。水中的镁离子可以形成的结垢物质有碳酸氢镁Mg（HCO₃）₂、碳酸镁MgCO₃、硫酸镁MgSO₄、氯化镁MgCl₂和硅酸镁MgSiO₃等。碳酸盐硬度表示水中溶解的钙、镁的碳酸氢盐和碳酸盐之和。这些盐当加热到水沸腾时能以泥渣状态析出沉淀，因此碳酸盐硬度又称为暂时硬度。非碳酸盐硬度表明水中溶解的氯化钙、氯化镁、硫酸钙、硫酸镁、硅酸钙、硅酸镁等的总含量。这些盐在水沸腾时不易沉淀，又称为永久硬度。水的总硬度即等于水的碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度之和。

2.1.5　pH值

pH值是用水中氢离子浓度的负对数来表示水中酸碱性强弱的一项指标。在纯水中，氢离子浓度为10^－7mol/L，此时水呈中性，其pH值为pH＝－lg10^－7＝7。在呈酸性的水中，氢离子浓度＞10^－7mol/L，pH值＜7。在呈碱性的水中，氢离子浓度＜10^－7mol/L，pH值＞7。

2.1.6　含氧量

含氧量用以表示水中氧的含量，其单位为mg/L。氧能溶人水中。水在锅炉中受热使水温升高时，氧会因溶解度减小自水中逸出，并腐蚀锅炉管道。因此锅炉用水中的溶解氧应力求除去。

2.1.7　磷酸根含量

锅炉原水中一般不含磷酸根，其单位为mg/L。当锅炉采用锅内加入磷酸盐进行水处理时，锅水中会出现磷酸根。锅水中磷酸根含量应适中，过高会生成磷酸镁水垢。磷酸根含量就是一项用以控制锅水中磷酸根量值的水质指标。

2.1.8　含油量

含油量是一项表明水中所含油量的水质指标，其单位为mg/L。锅炉原水中一般不含油，但锅炉用水在循环使用过程中可能因污染而带油。水中含油会在受热面上生成含油水垢并污染蒸汽，因而应力求将油除去或控制在规定的范围内。

2.1.9　二氧化硅含量

二氧化硅在一般天然水中的含量不大，但对锅炉水垢的性质和生长速度有较大的影响。特别是在硬度低含盐量较少的水质中，二氧化硅相对含量较大时，很容易积结生成坚硬的导热系数较低的硅酸盐水垢。二氧化硅SiO₂在高压蒸汽中具有很大的溶解度。锅炉给水中的二氧化硅含量近乎全部被蒸汽带人汽轮机中结成SiO₂盐垢、因而对电站锅炉必须规定给水中二氧化硅的允许含量。其单位为μg/L。

2.1.10　含铁量

含铁量表明水中铁的含量，其单位为μg/L。火力发电机组的主要材料是钢铁，由于不同pH值的水对钢铁的腐蚀作用，造成了锅炉用水中的铁含量。给水中的铁含量一部分沉淀在锅炉受热面上，另一部分溶于蒸汽并随蒸汽进入汽轮机流通部分。压力愈高，铁在蒸汽中的溶解度愈大。因而必须规定水中的含铁量。

2.1.11　氯化物

水中的氯化物是指氯离子的含量，其单位为mg/L。锅水中含量越低越好，含量高时会腐蚀锅炉，特别是对奥氏体不锈钢制成的构件具有较大的腐蚀作用，此时，应控制氯离子的质量浓度不超过25mg/L。另外含量高时也会引起汽水共腾。由于氯化物的溶解度很大，不易呈固相析出，所以常以锅水中氯离子浓度的变化，间接表示锅水中含盐量的大小。

2.1.12　联胺含量

联胺含量表明水中所含联胺的量。联胺N₂H₄是一种强的除氧剂，与水中O₂反应后生成N₂和H₂O，不会增加水中的含盐量。为了保证联胺的除氧效果，应在水中保持一定的联胺过剩量。但因联胺本身具有毒性也不能超过一定量值。因而必须规定水中的联胺含量。其单位为μg/L。

2.2　工业锅炉水质标准

《工业锅炉水质》（GB1576－2001）规定了工业锅炉运行时的水质要求，标准适用于额定出口蒸汽压力小于等于2.5MPa，以水为介质的固定式蒸汽锅炉和汽水两用锅炉，也适用于以水为介质的固定式承压热水锅炉和常压热水锅炉。

蒸汽锅炉和汽水两用锅炉的给水一般应采用锅外化学水处理，水质应符合表1的规定。

表1　蒸汽锅炉锅外化学处理水质标准

额定蒸发量小于等于2t/h，且额定蒸汽压力小于等于1.0MPa的蒸汽锅炉和汽水两用锅炉（如对汽、水品质无特殊要求）也可采用锅内加药处理，但必须对锅炉的结垢、腐蚀和水质加强监督，认真做好加药、排污和清洗工作，水质应符合表2的规定。

表2　蒸汽锅炉内加药处理水质标准

承压热水锅炉给水应进行锅外水处理，对于额定功率小于等于4.2MW非管架式承压的热水锅炉和常压热水锅炉，可采用锅内加药处理，但必须对锅炉的结垢、腐蚀和水质加强监督，认真做好加药工作，水质应符合表3的规定。

表3　热水锅炉水质标准

工业锅炉水质标准对直流锅炉规定：给水应采用锅外化学水处理，其水质按表1中额定蒸汽压力为大于1.6MPa、小于等于2.5MPa的标准执行。

余热锅炉及电热锅炉的水质指标应符合同类型、同参数锅炉的要求。

标准还规定：蒸汽锅炉当锅炉额定蒸发量大于等于6t/h时应除氧，额定蒸发量小于6t/h的锅炉如发现局部腐蚀时，给水应采取除氧措施。对热水锅炉则规定：锅炉额定热功率大于等于4.2MW的承压热水锅炉给水应除氧，额定功率小于4.2MW的承压热水锅炉和常压热水锅炉应尽量除氧。

（注：该论文收录于2007年《资源利用与节能环保研讨会论文选编》）