水处理概论.docx
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水处理概论
水质处理概论
冷却水处理:
冷却水处理可防水垢、防腐蚀、杀藻菌、除污泥等,节约能源、省电、省水、省工。
工厂因制程产生的热量举凡化学反应,热机器运转后之热量,或加热成型物之冷却等,都必须靠冷却水来移除热量,否则对机器本身寿命或产品质量均会有间接影响。
对于冷却水系统一般会产生的问题有:
一、水垢沈积物:
当冷却水中溶解性盐类超过饱和浓度时即会产生无机盐类沈积﹙称之为水垢Scale﹚,通常冷却水系统较常见之水垢有碳酸钙、硫酸钙等:
而水中之泥沙、污泥等悬浮杂质,加热浓缩后,会造成软泥、污垢沉积,两者附着于热交换金属表面时将大幅降低热交换效率、造成主机效率降低、浪费电力甚至跳机造成生产损失。
二、腐蚀:
系统因腐蚀而缩短寿命,设备折旧率提高。
造成冷却水系统管线设备腐蚀之原因,一般有下列几项:
1.水中溶存氧及溶解性盐类浓度增加,所造成之一般性腐蚀(GeneralCorrosion)。
2.系统中两种不同金属互相接触,造成的流电腐蚀﹙GalvanicCorrosion﹚。
当两种不同金属在流电序列的位置差距越远,其电位差越大,当两金属接触时,活性较高者(阳极)的腐蚀率增加,而活性较低者(阴极)的腐蚀率降低。
流电腐蚀问题常用锌块-牺牲阳极(Sacrifiedanodes),藉阴极保护加以控制。
3.冷却水中之杂质或腐蚀所产生沈积物,而造成沈积物腐蚀(UnderDepositCorrosion)。
三、微生物污塞:
由于大自然的阳光与水中之养份使细菌(Bacteria)、藻类(Algae)、真菌(Fungi)等滋长快速,如不加以杀灭,将造成系统管线或热交换器微生物及其黏泥之污塞,而造成热交换不良。
藻菌--使水质急速恶化,影响冷却系统之热交换效率,菌类危害人体健康。
污泥--容易沈积在热交换器管路内造成热交换不良,甚至跳矶。
所以针对以上各不同的情形会使用不同的药剂,当然也有厂商把它做成四合一或三合一的药剂,因通常的污塞情形是会同时发生的。
药剂成份每家使用的都不相同,也属于商业机密,各种药剂约有下列功能:
1.防止水中溶氧量增加。
2.防止水垢形成,水垢形成以碳酸碳及碳酸镁为主。
3.防止藻菌或微生物生成,加氯或调整水的ph值。
4.降低水中溶盐浓度。
锅炉水处理:
锅炉水加药处理的目的,在防止水蒸汽系统腐蚀、结垢及沉积的发生,维护设备使炉管免因腐蚀或过热而损坏,减少炉管沉积物,汽水共沸现象,保持最佳传热效果;防止蒸汽及凝结水系统严重腐蚀,并可保障工厂设备安全,达到节约能源的最佳状况。
『锅炉』是将水加热转变成蒸气的设备,工业上对于蒸气的利用从最简单的加热,带动汽涡轮机、压缩机,到多功能发电用途之汽电共生等,都与水发生密切的关系。
一般而言锅炉水系统最常产生之障碍有水垢、沈积物﹙ScalingorSludge﹚及腐蚀﹙Corrosion﹚与汽水共沸﹙CarryOver﹚等现象。
一、水垢与沈积物﹙ScalingorSludge﹚:
锅炉给水,虽然经过树脂的软化处理,但仍有少量的硬度及杂质,软水中更含有硅酸盐及碳酸盐,加上有时软化异常时,水中所含杂质更多,在锅炉内经浓缩后很容易结合成水垢或沈淀为软泥沈积物,附着在锅炉内层,降低热交换效率,增加燃料费用,严重时将使炉管过热而爆裂,甚至造成锅炉爆炸。
一般水垢结晶图
二、腐蚀﹙Corrosion﹚:
1.锅炉本体腐蚀:
由于水中含溶存氧,当溶存氧随锅炉给水进入炉体内,受到高温催化立刻与锅炉本体或炉管等金属材质,起激烈而严重之腐蚀,尤其氧气所造成之腐蚀为孔蚀(Pitting),将对炉管造成穿孔破管之危害,并使锅炉使用寿命巨幅减少。
清罐剂将水垢结晶扭曲分图
2.回收水管线腐蚀:
蒸气冷凝水回收使用可提高锅炉给水温度,直接提升锅炉燃烧效率,但如空气中二氧化碳﹙CO2﹚或氧气﹙O2﹚泄入回收管线中,将造成管线酸性腐蚀或孔蚀。
三、汽水共沸﹙CarryOver﹚:
当锅炉蒸气挟带一部分水滴到蒸气系统时,将造成现场却水器﹙Trap﹚不断动作,而浪费能源,且制程加热不易或锅炉液位上下起伏太快,导致锅炉熄火等种种障碍时,称为汽水共沸。
四、锅炉水处理概要:
【处理之目的】:
锅炉是工厂的心脏,良好的水处理,可以防止锅垢沈积、锅炉腐蚀及汽水共沸问题,避免锅炉爆裂管及损坏,延长锅炉寿命,并节约能源,减少维修,避免不必要之停车、停工、生产中断等问题,实为工厂最重要之维护工作之一,应特别重视。
【原水之问题及其处理】:
1. 锅炉会发生锅垢沉积、腐蚀、汽水共沸、爆裂管等问题,原因是原水中含有不当之杂质(Impurity)所造成,因此原水必需经过适当之前处理才能使用。
2.原水中可能危害锅炉之项目(包括悬浮杂质,溶解固体,溶解气体三类):
悬浮杂质(S.S.)
电导度(Conductivity)
总硬度(T-H)
总碱度(M-Alk)
硫酸盐(SO4)
氯离子(Cl)
硅酸盐(SiO2)
铁份(Fe)
锰(Mn)
有机物
微生物
其它(O2,CO2,H2S,H2SO4,NH3等)
3. 一般前处理方法(与自来水厂处理方法类似):
前处理各步骤是否均必需要,端赖原水是否良好而定。
4. 选择良好的水源(水井或自来水),往往比使用坏的水源经过处理来的经济。
自来水经过挑选与处理,一般电导度、碱度、硬度、铁、锰、有机物等杂质含量均较地下水低,如地下水水质过差可考虑尽量使用自来水。
5. 一般新装锅炉(特别是高负载)选用软水器时,一定要先试验水质以决定大小,以免使用之后,锅炉使用水量超过软水器采水能量,导至硬度泄漏,造成锅垢沉积及爆裂管。
【软水问题】:
1.软水之重要性:
水中钙(Ca)、镁(Mg)离子称为硬度(Hardness),加热后即会产生下列锅垢:
Ca+2 + CO3-2 → CaCO3↓
Mg+2 + CO3-2 → MgCO3↓
Mg+2 + 2OH- → Mg(OH)2↓
石灰质水垢
( Mg+2 + SiO3-2 → MgSiO3↓)硅酸盐硬垢
2.锅垢产生计算:
以给水硬度300ppm,一天用水10ton为例:
300ppm×10ton/Day×1000kg/ton×10-6/ppm
=3kg/天=90kg/月=1080kg/年
以上锅垢虽有一部份会随底部冲放(Blow down)排出炉外,但对锅炉之危害可想而知。
加药虽可解决部份问题,但若硬度过高,加药极不经济(需多好几倍),效果亦大打折扣,因之无论如何要装软水设备,并确实把软水做好。
3. 软水器再生一次之采水量,可以以下列公式估算:
原水硬度(ppm)×采水量(Ton/次)=交换能力(40g/L)×树脂量(L)
4. 软水机之再生操作:
软水机树脂交换能力使用完后,即需以10%盐水再生,以恢复交换能力。
其再生步骤如下:
(1)逆洗:
水自软水机底部逆流而上,膨胀松动被压缩之树脂床,并将过滤于上层之杂质及树脂碎屑排出塔外,逆洗时间约10~15分。
(2)静止:
逆洗完后之树脂,自然让其沈降,时间约5分。
(3)盐洗:
以适量浓盐水通过树脂塔,盐水一边通入一边排出,时间约20~30分。
以将树脂恢复再生能力。
每一公升树脂约使用0.1kg之盐巴(NaCl),配制成10%盐水,比重约1.07335。
(4)押出:
以盐水等流速之慢速原水通过树脂轴,以将残留浓盐度水排出塔外,时间约15~20分。
(5)清洗:
以采水时之原水流速,通过树脂床,继续将残留盐水全部排出塔外,至无硬度为止,约需15~20分。
唯有些设备把押出和清洗合并为清洗步骤,则时间约30~40分。
5. 软水之检验:
(1)方法:
取水20~30c.c.,滴入EBT硬度指示剂1-2滴,水样呈蓝色为正常无硬度,呈红色即表示有硬度应立刻再生,呈紫色则表示接近采水终点或软水机、树脂可能有问题。
(2)要点:
A、软水器出口,给水槽都要测试,特别是后者。
B、于采水终点前取样,测试最准。
C、锅炉操作人员软水一定要做好,每班或每日应以EBT硬度指示剂检测,填写记录,以免锅炉爆裂管。
D、有锅垢沉积导致破管记录之锅炉,每班或每日一定要检测软水是否正常,并应检讨软水机再生频率及设备大小是否足够。
6. 软水制作不良可能原因:
(1)软水机采水量太小,或水源变差。
(2)超过采水终点未再生,再生期间过长。
(3)未按时加盐,盐槽造成盐桥,滤孔堵塞。
(4)树脂表面被包覆(Coating)或中毒、碎裂,效率降低或失效:
判断:
树脂由金黄色变成红褐色且色泽不均匀,树脂碎裂。
树脂包覆(Coating)轻微时可以以清洗剂清洗,严重时则需更换。
树脂使用一年以上至少需检验一次,特别是地下水,每年并应补充5~10%。
(5)机件故障,停电等。
【锅炉水处理】:
1. 中低压锅炉水质控制标准(请参考CNS、JIS、ASTM标准):
A、软水 SW(Soft water):
总硬度
TotalHardness
T-H
<2ppm
B、炉水 BW(Boiler water):
酸碱度
PH
PH
10.5~11.8
电导度
SpecificConductance
Cond
<3500~5000μs/cm
总碱度
M-Alkalinity
M-A
100~800ppm
硅酸盐
Silica
SiO2
<150~300ppm
全铁
TotalIron
Fe
<2~4ppm
磷酸盐
OrthoPhosphate
PO4
20~40ppm
亚硫酸盐
Sulfite
SO3
20~40ppm
联胺
Hydrazine
N2H4
0.1~1.0ppm
C、回收水 CD(Condensate):
酸碱度
PH
PH
≧8.0
电导度
SpecificConductance
Cond
<10μs/cm
2. 锅垢沉积造成之障碍及其处理方法:
(1)锅垢形成原因:
如前述。
(2)锅垢造成之锅炉障碍:
→ 阻碍热传。
→ 降低效率,增加成本。
→ 造成酸洗之需要,危险,危害。
→ 造成爆裂管,停工,维修。
(3)分析:
A、软水器出水口取样以EBT硬度指示剂测试呈红色。
B、排放炉水白浊,锅泥(Sludge)多即表示软水制作不佳,有锅垢沉积,亦即显示锅炉有爆裂管之危险,应速改善软水制作并提高加药量。
(4)清罐剂处理:
磷酸盐之作用为将硬度结合成不溶性软泥(Sludge):
3Ca+2 + 2PO4-3 → Ca3(PO4)2
3Mg+2 + 2PO4-3 → Mg3(PO4)2
再借CMC,SSP,PMA,Lignin等强力分散剂(Dispersant),分散悬浮锅泥(Sludge)于炉水中,再藉底部排放排除于炉外,如图1。
(5)添加量:
约20~50ppm,视原水水质及锅炉大小而定,如给水硬度增加为5ppm,清罐剂用量即需加倍,因之无论如何必需把软水做好。
(6)控制:
PO4 20~40ppm。
图1:
碳酸钙(CaCO3)水垢结晶与经高分子分散剂(Dispersant),分散后结晶受扭曲,被抑制生长之比较图。
3. 腐蚀问题及其处理:
(1)腐蚀成因:
水中溶存氧在高温情况下迅速与金属产生氧化反应,其化学反应式为:
4Fe + 3O
2FeO↓
(2)危害:
A、损坏锅炉:
腐蚀之主要形式为孔蚀(Pitting)或沟蚀(Grooving),对锅炉危害极大。
B、氧化物沉积:
造成热传障碍,效率降低等。
(3)脱氧剂之作用:
2Na2SO3 + O2
2Na2SO4
N2H4 + O2
N2↑ + 2H2O
说明:
a. 亚硫酸钠一般为粉状,使用需先溶解较不方便,且用量一般比较大;联胺为液体,用量较低但价格较高。
b. 亚硫酸钠反应速度较高,脱氧较快,特别在低温下。
c. 联胺具毒性,应小心处理,不可使用于食品厂,亚硫酸钠无毒性,可用于食品厂。
d. 脱氧剂最好加于给水槽,以便有足够时间作用除去氧气。
(4)控制:
SO3 20~40ppm
N2H4 0.1~1.0ppm
Fe <2~4ppm
(5)如排放之炉水红浊,即表示锅炉腐蚀或回收水管线腐蚀十分严重,此时可添加针对锅炉特殊设计之脱氧剂、复水处理剂(中和性胺等)或防锈皮膜剂处理,即可迅速、有效解决腐蚀生锈问题。
(6)回收水管路腐蚀主因是炉水中之碱度,分解成CO2,随蒸气(steam)蒸发后冷凝于回收水中,造成酸性腐蚀的结果,其化学反应式为:
CO3-2 + H2O
CO2↑ + 2OH-
CO2 + H2O
H2CO3
H+ + HCO3-
可添加复水处理剂解决之。
4. 汽水共出问题:
(1)现象:
却水器(Steam Trap)作动频繁,制程加热效率大幅降低,回收水电导度>>10μs/cm。
锅炉液位时高时低不稳定,甚至导致锅炉熄火,操作极度困难。
(2)危害:
浪费能源,造成制程加热效率降低及生产瓶颈,造成水槌(Steam bumping)及管路却水器(Trap)堵塞。
(3)成因:
A、机械问题:
蒸汽分离器(Steam separator)损坏、堵塞或未装。
B、制程问题:
制程蒸汽用量起伏过大。
C、水质问题:
a、炉水浓缩过高,电导度>>10000μs/cm,总固体量太多。
b、炉水碱度过高,引起皂化作用。
c、给水含有油脂。
d、给水有机物含量过多。
(4)解决:
注意炉水冲放(Blow down),清罐剂内添加适当消泡剂,必要时锅炉应改为连续排放,或做简易连续排放装置。
【酸洗及相关问题】:
1. 酸洗:
(1)特点:
清除锅垢迅速,较其它方法经济有效。
但需停工,工作较危险,酸洗不当时,亦会造成设备腐蚀损坏。
(2)酸洗难易判断:
将小量锅垢投入酸液中,如起泡迅速且多,则易酸洗,否则则否。
(3)酸洗步骤及注意事项:
应依正常酸洗步骤,或委托有经验之锅炉公司酸洗。
(4)酸洗时一定要添加腐蚀抑制剂并需做好中和、钝化处理,以免造成锅炉腐蚀损坏。
2. 开车中清除锅垢之方法,清罐除垢剂:
(1)特点:
含特殊之Polymer分散剂、锅垢剥离剂,可在开车中清除水垢。
(2)用法:
炉水中维持清罐除垢剂(100~150ppm)数星期,即可将锅垢清除。
加入后排放之炉水呈乳白色,甚至有小片状之锅垢脱落,即为清垢之明证。
(3)用量:
十分经济,小锅炉每天约加入0.5~2㎏即可,约为清罐剂用量之1/4~1倍。
【纯水】:
1.水经分床之阳塔,将Ca+2、Mg+2、Na+…之正离子消除,成为Ca、Mg、Na…,阳塔用盐酸HCl清洗,取出H+。
2.水经分床之阳塔再经阴塔,将Cl-、SO4-、NO3-、SiO2-…之负离子消除,成为Cl、SO4、NO3、SiO2…,阴塔用碱NaOH-清洗,取出OH-。
3.H++OH-→H2O。
【结论】:
1. 锅炉水处理极为重要,应特别重视,并指派专人负责。
2. 软水必需早晚检验,以防硬度泄漏造成锅垢沉积。
3. 炉水应每日足量排放,检查排放水颜色,并正常加药处理。
4. 应建立〝锅炉水系统管理记录表〞,随时记录以利管理。
5. 水系统有问题,应立即解决,以免问题扩大。
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