飽和蒸汽污染溶解攜帶解析課件

1、1飽和蒸汽溶解攜帶基本規(guī)律馬雙忱1飽和蒸汽溶解攜帶基本規(guī)律馬雙忱21. 飽和蒸汽溶解物質的能力 研究證明，飽和蒸汽的壓力愈高，它的性能愈接近于水的性能，高參數(shù)水蒸氣的分子結構接近于液態(tài)水，所以高參數(shù)水蒸氣也像水那樣能溶解某些物質。 在鍋爐汽包內，同時存在有水和飽和蒸汽，它們相當于互不相混的兩種溶劑。按照溶質在兩種互不相混的溶劑中分配的規(guī)律可以得知，飽和蒸汽溶解某物質的能力可用分配系數(shù)KF來表示，它表示某物質溶解在飽和蒸汽中的含量同與此蒸汽相接觸的水中該物質含量的比值。21. 飽和蒸汽溶解物質的能力3 KF= 式中: KF某物質的分配系數(shù)； SSH水中某物質的含量； SB溶解在飽和水蒸氣中某物質

2、的含量。由此式可知某物質的分配系數(shù)越大，表示飽和蒸汽溶解該物質的能力越大。3 KF= 4455667 上述公式推而廣之，各物質的分配系數(shù)KF與飽和蒸汽的密度v和水的密度l的比值之間的關系如式所示： KF= ( )n式中：指數(shù)n決定于各種物質的本性，對于每一種物質來說，n是一個常數(shù)。其值為：nSiO2=1.9，nNaOH=4.1，nNaCl=4.4, nNa2SO4=8.4。 因為l總是大于v ， 1， n的數(shù)值愈大的物質，KF愈小。 也即看出SiO2在飽和蒸汽中的溶解能力最大。7 上述公式推而廣之，各物質的分配系數(shù)KF與飽和蒸汽82. 飽和蒸汽溶解攜帶特點：（1） 有選擇性。 當飽和蒸汽壓力一

3、定時，由于各種物質的n值不同，所以各種物質的分配系數(shù)KF是不一樣的，也就是說，飽和蒸汽對各種物質的溶解能力不相同。因飽和蒸汽對各種物質的溶解攜帶有選擇性，故這種攜帶也稱為選擇性攜帶。 鍋爐水中常見物質按其在飽和蒸汽中溶解能力的大小，可劃分為三大類： 第一類為硅酸（H2SiO3、H2Si2O5、H4SiO4等，其通式為xSiO2.yH2O），其分配系數(shù)最大； 第二類為NaCl、NaOH等,它們的分配系數(shù)較硅酸低得多； 第三類為Na2SO4、Na3PO4和Na2SiO3等，在飽和蒸汽中很難溶解，它們的分配系數(shù)很小。82. 飽和蒸汽溶解攜帶特點：（1） 有選擇性。9（2）蒸汽溶解攜帶量隨壓力的提高而

4、增大。 這可用上式按分配分配系數(shù)與蒸汽密度的關系來說明。 飽和蒸汽密度v與水的密度l 比v/l隨著壓力增加而增大，指數(shù)n在一定溫度下是常數(shù)， 所以分配系數(shù)隨著壓力的提高而顯著增大。 從圖中可看出，飽和蒸汽的壓力愈高，各種物質在其中的溶解度愈大。9（2）蒸汽溶解攜帶量隨壓力的提高而增大。10利用matlab可否得到密度比與壓力的函數(shù)關系？10利用matlab可否得到密度比11 各種物質的分配系數(shù)與飽和蒸汽壓力的關系 射線圖（ray diagram）由美國科學家O.Jonas在1978年在Combustion首次發(fā)表，對電廠化學人員來說，該圖是一個簡單的經(jīng)驗工具來預測溶質從爐水到蒸汽中的揮發(fā)性攜帶

5、。射線圖在接近臨界壓力時誤差較大，有時可能差2個數(shù)量級。11射線圖（ray diagram）由美國科學家O.Jona12Vaporous Carry-Over (Volatility) - is the evaporation of volatile molecular impurities from the boiler water. The degree of vaporous carry-over is expressed as a distribution ratio, which is the ratio of the concentration of a specific mole

6、cular compound in the steam to its concentration in the liquid water. The amount of vaporous carry-over depends on the chemical species that are present in the boiler water and the boiler pressure.Mechanical and Vaporous Carry-Over as a Function of Boiler Drum Pressure12Vaporous Carry-Over (Volatil按

7、一般的規(guī)則，鹽、酸和堿在爐水中都傾向離子化，它們離子化的程度總是隨著溫度的升高而降低。不帶電的非離子化的物質更容易進入蒸汽中。因此，只要可形成不帶電的物質，它們總是成為從爐水向蒸汽中攜帶的主要路徑。最新的研究結果還表明，采用磷酸鹽處理爐水時，蒸汽溶解攜帶的主要是磷酸分子，采用氫氧化鈉處理爐水時，蒸汽溶解攜帶的主要是鈉與氫氧根以1：1的比例攜帶，采用揮發(fā)處理時蒸汽溶解攜帶的主要是氨分子。13按一般的規(guī)則，鹽、酸和堿在爐水中都傾向離子化，它們離子化的程1414151：1離子化溶液分配系數(shù)的對數(shù)與絕對溫度倒數(shù)的關系曲線151：1離子化溶液分配系數(shù)的對數(shù)與絕對溫度倒數(shù)的關系曲線161617 以NaCl

8、為例，在飽和蒸汽壓力為10.78Mpa時，其分配系數(shù)KFNaCl為0.006%； 在飽和蒸汽為13.72Mpa時，KFNaCl為0.01%，此值與現(xiàn)代超高壓鍋爐的機械攜帶系數(shù)大體相同； 當飽和蒸汽壓力為17.64Mpa時，KFNaCl為0.3%，此值已大于機械攜帶系數(shù)。所以，當鍋爐工作壓力超過12.74Mpa時，第二類物質的分配系數(shù)已明顯增大，必須考慮它們的溶解攜帶問題。 至于Na2SO4和Na3PO4, 在飽和蒸汽壓力高達19.6Mpa時，它們的分配系數(shù)KF Na2SO4為0.01%，所以只對壓力很高的亞臨界壓力汽包爐才考慮它們的溶解攜帶。17 以NaCl為例，在飽和蒸汽壓力為10.78Mp

9、1818193. 飽和蒸汽對硅酸的溶解攜帶飽和蒸汽中硅酸的溶解特性。 飽和蒸汽中的硅化合物來源于爐水，在汽包鍋爐內，由于水溫很高，而且水的pH值較高，所以給水中溶解態(tài)的和膠態(tài)的硅化合物進入鍋爐內后都成為溶解態(tài)的。 鍋爐水中的硅化合物有一部分是溶解態(tài)的硅酸鹽，另一部分是溶解態(tài)的硅酸（如H2SiO3、H2Si2O5、H4SiO4等）。 本書中所講的水的含鹽量，都是指水中各種硅化合物的總含量，即全硅含量，通常以SiO2表示。 飽和蒸汽對上述硅化合物的溶解性是不一樣的，它主要是溶解硅酸，對硅酸鹽的溶解能力很小。因此，在飽和蒸汽的硅化合物，都是硅酸（H2SiO3、H2Si2O5、H4SiO4等）。當飽和

10、蒸汽變成過熱蒸汽時，H2SiO3或H2Si2O5等硅酸會發(fā)生失水作用而成為SiO2。 對于高壓和高壓以上的鍋爐，飽和蒸汽的含硅量主要決定于它對硅酸的溶解攜帶。193. 飽和蒸汽對硅酸的溶解攜帶飽和蒸汽中硅酸的溶解特性。20 在實際工作中，我們常用所謂硅酸的溶解攜帶系數(shù)KSiO2來表示飽和蒸汽溶解攜帶硅酸的能力，KSiO2按飽和蒸汽的含硅量與鍋爐水含硅量之比來計算，它們之間的關系如式： KSiO2= 式中: KSiO2硅酸的溶解攜帶系數(shù)； SBSiO2飽和蒸汽的含硅量； SGSiO2鍋爐水的含硅量。20 在實際工作中，我們常用所謂硅酸21 硅酸的溶解攜帶系數(shù)與飽和蒸汽的壓力和鍋爐水中硅化合物的形

11、態(tài)有關。 前一個因素反映了飽和蒸汽溶解攜帶的共同規(guī)律，即飽和蒸汽的壓力越高，對硅酸的溶解能力越大； 后一個因素反映了硅酸溶解的特殊規(guī)律，因為飽和蒸汽溶解的主要是硅酸，對硅酸鹽的溶解能力很小，所以硅酸的溶解攜帶系數(shù)與鍋爐水中硅化合物的形態(tài)有關。 硅酸的溶解攜帶系數(shù)KSiO2與硅酸的分配系數(shù)KFSiO2分配系數(shù)之間有以下關系： KSiO2= xKFSiO2 式中: x鍋爐水中分子形態(tài)硅酸含量與全硅含量之比，稱為硅酸鹽的水解度 。 21 硅酸的溶解攜帶系數(shù)與飽和蒸汽的壓力和鍋爐水中硅化22（2） 鍋爐水pH值對硅酸溶解攜帶系數(shù)的影響 鍋爐水中硅化合物的形態(tài)決定于此鍋爐水的pH值，所以pH值對硅酸溶解

12、攜帶系數(shù)有影響。 在鍋爐水中，硅酸鹽與硅酸之間處于水解平衡狀態(tài)： SiO32-+H2O=HSiO3-+OH- HSiO3-+ H2O= H2SiO3+ OH- 從這些水解平衡式可以看出： 當提高鍋爐水的pH值時，水中OH-濃度增加，平衡向生成硅酸鹽的方向移動，使鍋爐水中的硅酸減少。因此，隨著鍋爐水pH值的上升，飽和蒸汽中硅酸的溶解攜帶系數(shù)將減少。 當降低鍋爐水的pH值，鍋爐水中的硅酸增多，飽和蒸汽中硅酸的溶解攜帶系數(shù)將增大。 22（2） 鍋爐水pH值對硅酸溶解攜帶系數(shù)的影響232324 （3） 硅酸溶解攜帶系數(shù)與蒸汽壓力的關系。 前面已提到，硅酸的溶解攜帶系數(shù)與飽和蒸汽的壓力有關。在中壓、高壓

13、和超高壓汽包鍋爐上測得的硅酸溶解攜帶系數(shù)，見表1。 這些數(shù)據(jù)證明：當鍋爐水pH值一定時，隨著飽和蒸汽壓力的提高，硅酸的溶解攜帶系數(shù)迅速增大。 因為在高參數(shù)鍋爐中硅酸溶解攜帶系數(shù)很大，所以只有當鍋爐水含硅量很低時，它所產生蒸汽中的含硅量才能很小。 24 （3） 硅酸溶解攜帶系數(shù)與蒸汽壓力的關系。25表1 硅酸的溶解攜帶系數(shù)（鍋爐水pH值=910）25表1 硅酸的溶解攜帶系數(shù)（鍋爐水pH值=910）26以汽包壓力為10.78MPa的高壓鍋爐為例，KSiO2=1%，鍋爐水允許的含硅量為不超過2mg/L；當鍋爐壓力更高時，鍋爐水中允許的含硅量應更小，例如汽包壓力為15.19MPa的超高壓鍋爐，KSiO

14、2=4%5%，如果蒸汽中允許的含硅量不超過0.02mg/kg（20ug/kg），那么超高壓鍋爐汽包內無蒸汽清洗裝置時，鍋爐水的含硅量應不超過0.40.5mg/kg。亞臨界壓力汽包爐鍋爐水含硅量應不超過0.1mg/L（蒸汽標準10ug/kg， KSiO2=10%）。26以汽包壓力為10.78MPa的高壓鍋爐為例，KSiO2=27Effect of silica and boiler water pH on the volatility of silica.Researchers have found that for any given set of boiler conditions usin

15、g demineralized or evaporated quality makeup water, silica is distributed between the boiler water and the steam in a definite ratio. This ratio, called the distribution ratio, depends on two factors: boiler pressure and boiler water pH. The value of the ratio increases almost logarithmically with i

16、ncreasing pressure and decreases with increasing pH. The effect of boiler water pH on the silica distribution ratio becomes greater at higher pH values. A pH increase from 11.3 to 12.1 reduces the ratio by 50%, while a pH increase from 7.8 to 9.0 has no measurable effect. 27Effect of silica and boil

17、er 28由此可知，為了保證蒸汽含硅量不超過允許值，鍋爐壓力愈高，鍋爐水的含硅量應愈低。這就是說，對于高參數(shù)鍋爐的給水含硅量要求很嚴，必須對其補給水進行徹底除硅，并且還要嚴格防止凝汽器泄漏。對于中壓鍋爐，KSiO2數(shù)值雖然較低（一般為0.05%），但是，如果鍋爐水含硅量很高（例如當補給水未除硅或凝汽器泄漏嚴重時），且中壓鍋爐汽包內又沒有蒸汽清洗裝置，中壓蒸汽含硅量也會超過規(guī)定的標準，并因此引起汽輪機內沉積SiO2。28由此可知，為了保證蒸汽含硅量不超過允許值，鍋爐壓力愈高，29SiO2 in steam in ppmPressure in barSiO2 in boiler (mg/L)SIL

18、ICA29SiO2 in steam in ppmPressure3030飽和蒸汽溶解攜帶氯離子的途徑通常氯離子是以HCl和NH4Cl的形式同時被溶解攜帶到蒸汽中去，兩者的比例取決于爐水的pH值和溫度。在低氨濃度時，以HCl的形式為主；并且在高溫時，水解離出的氫離子和氯離子以HCl的形式為溶解攜帶提供了主要的途徑。在AVT工況下，高揮發(fā)性的氨可以導致比預測的爐水pH值低得多，例如，在25時測得爐水的pH值為9.3，而在300的爐水中pH僅為5.9，這就增加了以HCl為主要形式的溶解攜帶。如果爐水采用磷酸鹽或氫氧化鈉處理，由于這兩種物質在高溫爐水中仍然有較強的堿性，所以爐水中的HCl濃度減少，N

19、H4Cl的濃度增加，氯離子的攜帶就以NH4Cl的形式為主。31飽和蒸汽溶解攜帶氯離子的途徑通常氯離子是以HCl和NH4Cl飽和蒸汽溶解攜帶鈉鹽的途徑 爐水中常見的鈉化合物有NaCl、Na2SO4、Na3PO4、Na2HPO4和NaOH等。爐水中之所以存在NaOH是因為爐水采用磷酸鹽處理時，磷酸三鈉的水解或直接向爐水中加入NaOH。按射線圖提供的汽、水分配系數(shù)，Na2SO4的分配系數(shù)都比NaOH低2個數(shù)量級，蒸汽以Na2SO4的形式溶解攜帶鈉鹽的可能性幾乎沒有。NaCl、Na3PO4、Na2HPO4比NaOH低不足1個數(shù)量級，這幾種鈉的化合物都有可能被溶解攜帶。離子色譜分析表明，在亞臨界汽包鍋爐

20、蒸汽中的酸根離子濃度與鈉離子的摩爾比遠小于1，說明爐水中有一部分NaOH被蒸汽溶解攜帶。雖然NaCl的揮發(fā)性僅次于NaOH，但是為了保持爐水的堿性，通常爐水中的NaOH濃度比NaCl高得多，所以，飽和蒸汽溶解攜帶鈉時往往以NaOH為主。蒸汽中的NaOH和NaCl都會使過熱器的奧氏體不銹鋼和汽輪機材料發(fā)生應力腐蝕開裂。32飽和蒸汽溶解攜帶鈉鹽的途徑 爐水中常見的鈉化合物有NaCl、33蒸汽清洗 汽水分離裝置只能減少蒸汽帶水，不能減少溶解攜帶，所以高壓和超高壓鍋爐汽包內僅僅有汽水分離裝置，往往不能獲得良好的蒸汽汽質。為了減少蒸汽的溶解攜帶，在高壓和超高壓鍋爐汽包內裝設蒸汽清洗裝置是一種有效的措施。

21、 蒸汽清洗理論上可以提高蒸汽品質達40倍以上，但實際上，一般只能提高410倍。33蒸汽清洗 汽水分離裝置只能減少蒸汽帶水，不能減少溶解攜34 Typical arrangement of primary and secondary separators in a high-pressure boiler steam drum.波紋洗滌器一次汽水分離器34 35蒸汽清洗就是使飽和蒸汽通過雜質含量很少的清潔水層。蒸汽經(jīng)過清洗后，雜質的含量要比清洗前低得多，原因有：）蒸汽通過清潔的水層時，它所溶解攜帶的雜質和清洗水中的雜質就按分配系數(shù)重新分配使得蒸汽中原來溶解的雜質部分轉移到清洗水中，這樣就降低了蒸

22、汽中溶解攜帶雜質的含量；（蒸汽洗滌減少溶解攜帶）蒸汽中原有的含雜質量較高的鍋爐水水滴，在與清洗水接觸時，就轉入清洗水中，而后由清洗水層出來的蒸汽雖然也帶走一些清洗水水滴，但水滴的量通常與清洗前差別不大，而清洗水水滴中雜質的含量比鍋爐水水滴少得多，所以蒸汽清洗能降低蒸汽中水滴攜帶雜質的含量。（水滴置換減少機械攜帶）35蒸汽清洗就是使飽和蒸汽通過雜質含量很少的清潔水層。蒸汽經(jīng)36 通常采用的清洗裝置，是以給水作清洗水的水平孔板式的，它裝在汽包的汽空間，將部分給水（一般為給水總量的40%50%）引至此裝置上，采用23mm厚的鋼板，開出直徑為812mm小孔，蒸汽的穿孔速度為1.31.6m/s，使孔板上

23、有一定厚度（一般為3050mm）的清洗水層，蒸汽從其下面進入，蒸汽向上流動的阻力托住水層，使水不至于漏下來。 蒸汽穿過清洗水層，進入汽包上部汽空間 ，然后經(jīng)過多孔頂板或百葉窗分離器等汽水分離裝置，最后由蒸汽引出管引出。清洗蒸汽后的給水流入汽包的水室。36 通常采用的清洗裝置，是以給水作清洗水的水平37平孔板式穿層清洗裝置它的結構如圖所示。鋼板厚2-3mm孔徑5-6mm蒸汽穿孔速度為1.3-1.6m/s37平孔板式穿層清洗裝置它的結構如圖所示。鋼板厚2-3mm蒸38清洗后蒸汽中雜質含量的降低值占清洗前蒸汽中雜質含量的百分率，通常稱為清洗效率，它一般按蒸汽的含硅量計算。目前采用的清洗裝置的清洗效率（按含硅量）為60%75%。I = 式中 SB,Q清洗前的飽和蒸汽含硅量或含鈉量，g/Kg;SB,H清洗后的飽和蒸汽含硅量或含鈉量，ug/Kg;I清洗效率，%。38清洗