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摘要：本文分析了锅炉水垢的形成原因及机理，水中高浓度的钙、镁离子是水垢形成的主要原因。对现有的锅炉水软化技术进行了分析和总结，尤以物理法中的膜分离技术和化学法中的离子交换剂使用最为常见。锅炉水的处理对节能降耗具有重要意义，在实际生产中应予以足够的重视以提高经济和环境效益。
关键词：锅炉水; 软化；离子交换剂；膜分离；现状
中图分类号：TN7文献标识码：A
锅炉是一种常见的压力容器，广泛应用于工业领域。作为工厂运行的重要热能动力设备，锅炉对工厂的正常生产、运行起着关键的作用。水是锅炉热传导的核心介质，水的质量对锅炉的能效、寿命等具有重要的影响[1]。锅炉水处理不当会威胁锅炉的安全运行，同时也会造成巨大的能源浪费[2]。研究显示，锅炉每结生水垢1 mm，就会浪费燃料5%~8%[2]。因此，对锅炉水进行软化，降低其硬度以减少水垢的产生对锅炉的安全运行和节能降耗具有重要意义。
1 锅炉水垢的成因及机理
1.1 水垢的成因
水中含有多种矿物质，如钙盐和镁盐等，溶于水中的Ca2+、Mg2+及SO42-和HCO-在锅炉设备管道中随水运动，在设备与大地相连的状态下，由于设备接地呈负极性，于是正离子将受器壁吸引而产生附壁效应，负离子又将和固定在器壁上的正离子结合，因而形成水垢[3]。
1.2 水垢形成的机理
锅炉水垢形成的主要反应机理是：
Ca(HCO3)2→CaCO3↓+CO2↑+H2O (1)
Mg(HCO3)2→MgCO3↓+CO2↑+H2O (2)
早在1959年，Kern和Seaton即提出了沉积-脱垢模型[4]。该模型认为结构是由沉积和脱除两种反应共同作用的结果。结构速率应为沉积速率∅d和脱除速率∅r之差：
ρf =∅d-∅r （3）
式中，ρf為垢层密度（Kg·m-3）,δt为垢层厚度（m），t为时间（s），∅d为沉积速率（Kg·m-2·s-1），∅r为脱除速率（Kg·m-2·s-1）。碳酸钙沉淀与水体系中钙离子不断进行着下述平衡反应：
CaCO3→Ca2++CO3- （4）
污垢分为颗粒垢、化学反应垢、腐蚀垢、微生物垢、结晶垢等多种类型，其中尤以结晶垢最为典型[5, 6]。在锅炉运行中，往往会由于多种水垢的共同作用导致管道堵塞。传热表面的结垢通常可观察到3种不同周期：诱导期、沉积物成长期和稳定状态期。水系统的结垢原因，一般认为是水中过饱和的矿物质析出、沉淀所致。而在水系统管道、设备内部器壁上形成的结垢，说明结垢是沿固液界面、固体一面发生的化学吸附和物理吸附的延伸。
2 锅炉水软化技术
锅炉水结构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。主要处理措施有：
2.1 物理法
物理法即通过物理性措施改变水中杂质的结垢性质，以减少水垢的形成，或使得生产的水垢容易被冲洗去除。物理方法主要有：
（1）热力软化
加热使水中的暂时硬度分解,而生成碳酸钙、氢氧化镁沉淀.这种方法用以处理热
网补给水,但作为锅炉给水则很少采用。
（2）磁化法
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。进行磁化法水处理的设备称为“磁水器”。磁水器分为两类，即永磁式(靠永久磁铁产生磁场)和电磁式(靠通入电流产生感应磁场)。关于磁化法处理目前主要理论有：1）磁场改变水的电荷分布和晶体结构。水分子在磁场中，其电子的运动状态会发生改变，使分子的正负极性发生变化，从而改变了水的电荷状态。磁场对水分子的晶体结构也有影响，由于洛仑兹力加速碰撞导致水结构的第二水化层被挤而脱落，呈单分子水弥散于水系中 ，这样水的结构在磁场中变小，离子水化程度减弱，使晶核的形成比较容易。2）磁场将引起液体分子的内共振并诱发电偶极作用，使分子内部的键合发生变化或破裂，改变了分子构型，造成液体物理性质的变化。3）磁场引起水的微观多相结构的改变。4）磁场的作用改变溶液中晶核的生成速率和晶体生长速度，水中微晶增多，稳定性增强，不容易在锅炉壁上结垢。
（3）高频法
高频法的防垢原理一般认为是：水流经高频电后，水分子大部分由缔合分子变为二聚体，极性接近消失而本身稳定性强，与其他分子间吸引力减弱，钙镁盐类不易溶解而易结晶析出，同时它们在高频电场作用下呈有序排列，使离子间引力遭到破坏，原来较大的缔合分子分为单个的或短链的二聚体，从而导致结晶条件改变，成为松散泥渣，可随排污排出。
（4）膜处理技术
膜广泛存在于自然界中，但直到1960年代，膜技术才应用在了工业上。膜分离技术发展先出现了超滤(UF)和微滤(MF),而后出现了反渗透(RO)。当今常见的膜分离方法还有纳滤(NF)、反渗透(Ro)、渗析(D)、电渗析(Eo)、渗透蒸发(Pv)、液膜等[7]。膜分离法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,对双级或多组分溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集。其中反渗透技术应用十分广泛。反渗透膜大体可分为非荷电膜和荷电膜两类,其分离机理各不相同非荷电膜是指膜的固定电荷密度小到可以忽略不计的膜,乙酸纤维素膜和芳香聚酞胺膜等大部分反渗透膜属于这一类[8]。
2.2 化学法
在锅炉水的处理中，化学法的应用十分普遍。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, 改变沉渣的结构型式,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、纯碱和含有单宁的有机物质。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[9]。李晓飞等人[10]使用ＥＷＰＴ－６３５２锅炉水处理剂对锅炉水进行了处理，获得了良好的效果。该处理剂是一种由有机聚合物、高效分散剂和助剂等组成的多功能无磷锅炉内处理剂。姚长滨[11]等使用腐植酸钠对锅炉水进行处理，实验结果可以看出:腐植酸钠作为复配水处理药剂,其效果优于磷酸三钠,尤其是在处理YDMg2+/YDCa2+>0.5的高硬度水时更显出其优越性,与有机稳定剂的效果相近。
在化学法中，还有一种常见的方法即是使用钠离子交换剂。钠离子交换机（NaR）对水的软化机理主要是：
NaR+Ca2+→2Na++CaR2 (5)
NaR+Mg2+→2Na++MgR2 (6)
R表示离子交换剂中的复合阴离子根, 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Ca2+和Mg2+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, 特别是大型锅炉一般采用离子交换法。
3 结论与展望
本文对锅炉水垢的形成原因及机理进行了分析，水中高浓度的钙、镁离子是水垢形成的主要原因。对锅炉水的软化主要应针对这两类离子。目前的软化方法主要分为物理法和化学法两大类，其中尤以物理法中的膜分离技术和化学法中的离子交换剂使用最为常见。锅炉水的处理对节能降耗具有重要意义，因此在工业生产中，应对锅炉水的软化给予足够的重视，以降低企业生产成本，达到更高的经济和环境效应。
参考文献
[1] 张明. 工业锅炉水处理对锅炉能效的影响[J]. 科技传播, 2010, (15): 17.
[2] 姚艾. 锅炉水处理不良引发的危害分析[J]. 兰州大学学报(自然科学版), 2008, (S1): 148-150.
[3] 杨庆华, 何建波, 马昕. 电磁水处理[J]. 浙江工业大学学报, 1999, (03): 55-59.
[4] Kern DQ, Seaton R E. British Chem Engng[J]. 1959, (4): 258-262.
[5] 王睿, 丁洁, 沈自求. 换热设备的结垢机理研究现状[J]. 化工进展, 1999, (03): 31-35+32.
[6] 王新祥. 换热设备结垢机理的研究进展[J]. 现代化工, 2002, (04): 22-25.
[7] 解利昕, 李凭力, 王世昌. 海水淡化技术现状及各种淡化方法评述[J]. 化工进展, 2003, (10): 1081-1084.
[8] 冯松. 反渗透技术在昆明卷烟厂锅炉水处理中应用设想研究[硕士]. 昆明理工大学, 2008.
[9] 李娜. 硬水软化在供热锅炉水处理中的应用[J]. 考试周刊, 2008, (29): 163-164.
[10] 李晓飞, 龙梅, 叶明章, et al. EWPT-6352锅炉水处理剂在炼油厂锅炉系统中的应用[J]. 石油炼制与化工, 2012, (06): 84-87.
[11] 姚长滨, 李伟男, 梁新排. 腐殖酸钠在锅炉水处理中的应用[J]. 菏泽学院学报, 2007, (2): 75-77.
关键词：锅炉水; 软化；离子交换剂；膜分离；现状
中图分类号：TN7文献标识码：A
锅炉是一种常见的压力容器，广泛应用于工业领域。作为工厂运行的重要热能动力设备，锅炉对工厂的正常生产、运行起着关键的作用。水是锅炉热传导的核心介质，水的质量对锅炉的能效、寿命等具有重要的影响[1]。锅炉水处理不当会威胁锅炉的安全运行，同时也会造成巨大的能源浪费[2]。研究显示，锅炉每结生水垢1 mm，就会浪费燃料5%~8%[2]。因此，对锅炉水进行软化，降低其硬度以减少水垢的产生对锅炉的安全运行和节能降耗具有重要意义。
1 锅炉水垢的成因及机理
1.1 水垢的成因
水中含有多种矿物质，如钙盐和镁盐等，溶于水中的Ca2+、Mg2+及SO42-和HCO-在锅炉设备管道中随水运动，在设备与大地相连的状态下，由于设备接地呈负极性，于是正离子将受器壁吸引而产生附壁效应，负离子又将和固定在器壁上的正离子结合，因而形成水垢[3]。
1.2 水垢形成的机理
锅炉水垢形成的主要反应机理是：
Ca(HCO3)2→CaCO3↓+CO2↑+H2O (1)
Mg(HCO3)2→MgCO3↓+CO2↑+H2O (2)
早在1959年，Kern和Seaton即提出了沉积-脱垢模型[4]。该模型认为结构是由沉积和脱除两种反应共同作用的结果。结构速率应为沉积速率∅d和脱除速率∅r之差：
ρf =∅d-∅r （3）
式中，ρf為垢层密度（Kg·m-3）,δt为垢层厚度（m），t为时间（s），∅d为沉积速率（Kg·m-2·s-1），∅r为脱除速率（Kg·m-2·s-1）。碳酸钙沉淀与水体系中钙离子不断进行着下述平衡反应：
CaCO3→Ca2++CO3- （4）
污垢分为颗粒垢、化学反应垢、腐蚀垢、微生物垢、结晶垢等多种类型，其中尤以结晶垢最为典型[5, 6]。在锅炉运行中，往往会由于多种水垢的共同作用导致管道堵塞。传热表面的结垢通常可观察到3种不同周期：诱导期、沉积物成长期和稳定状态期。水系统的结垢原因，一般认为是水中过饱和的矿物质析出、沉淀所致。而在水系统管道、设备内部器壁上形成的结垢，说明结垢是沿固液界面、固体一面发生的化学吸附和物理吸附的延伸。
2 锅炉水软化技术
锅炉水结构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。主要处理措施有：
2.1 物理法
物理法即通过物理性措施改变水中杂质的结垢性质，以减少水垢的形成，或使得生产的水垢容易被冲洗去除。物理方法主要有：
（1）热力软化
加热使水中的暂时硬度分解,而生成碳酸钙、氢氧化镁沉淀.这种方法用以处理热
网补给水,但作为锅炉给水则很少采用。
（2）磁化法
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。进行磁化法水处理的设备称为“磁水器”。磁水器分为两类，即永磁式(靠永久磁铁产生磁场)和电磁式(靠通入电流产生感应磁场)。关于磁化法处理目前主要理论有：1）磁场改变水的电荷分布和晶体结构。水分子在磁场中，其电子的运动状态会发生改变，使分子的正负极性发生变化，从而改变了水的电荷状态。磁场对水分子的晶体结构也有影响，由于洛仑兹力加速碰撞导致水结构的第二水化层被挤而脱落，呈单分子水弥散于水系中 ，这样水的结构在磁场中变小，离子水化程度减弱，使晶核的形成比较容易。2）磁场将引起液体分子的内共振并诱发电偶极作用，使分子内部的键合发生变化或破裂，改变了分子构型，造成液体物理性质的变化。3）磁场引起水的微观多相结构的改变。4）磁场的作用改变溶液中晶核的生成速率和晶体生长速度，水中微晶增多，稳定性增强，不容易在锅炉壁上结垢。
（3）高频法
高频法的防垢原理一般认为是：水流经高频电后，水分子大部分由缔合分子变为二聚体，极性接近消失而本身稳定性强，与其他分子间吸引力减弱，钙镁盐类不易溶解而易结晶析出，同时它们在高频电场作用下呈有序排列，使离子间引力遭到破坏，原来较大的缔合分子分为单个的或短链的二聚体，从而导致结晶条件改变，成为松散泥渣，可随排污排出。
（4）膜处理技术
膜广泛存在于自然界中，但直到1960年代，膜技术才应用在了工业上。膜分离技术发展先出现了超滤(UF)和微滤(MF),而后出现了反渗透(RO)。当今常见的膜分离方法还有纳滤(NF)、反渗透(Ro)、渗析(D)、电渗析(Eo)、渗透蒸发(Pv)、液膜等[7]。膜分离法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,对双级或多组分溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集。其中反渗透技术应用十分广泛。反渗透膜大体可分为非荷电膜和荷电膜两类,其分离机理各不相同非荷电膜是指膜的固定电荷密度小到可以忽略不计的膜,乙酸纤维素膜和芳香聚酞胺膜等大部分反渗透膜属于这一类[8]。
2.2 化学法
在锅炉水的处理中，化学法的应用十分普遍。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, 改变沉渣的结构型式,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、纯碱和含有单宁的有机物质。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[9]。李晓飞等人[10]使用ＥＷＰＴ－６３５２锅炉水处理剂对锅炉水进行了处理，获得了良好的效果。该处理剂是一种由有机聚合物、高效分散剂和助剂等组成的多功能无磷锅炉内处理剂。姚长滨[11]等使用腐植酸钠对锅炉水进行处理，实验结果可以看出:腐植酸钠作为复配水处理药剂,其效果优于磷酸三钠,尤其是在处理YDMg2+/YDCa2+>0.5的高硬度水时更显出其优越性,与有机稳定剂的效果相近。
在化学法中，还有一种常见的方法即是使用钠离子交换剂。钠离子交换机（NaR）对水的软化机理主要是：
NaR+Ca2+→2Na++CaR2 (5)
NaR+Mg2+→2Na++MgR2 (6)
R表示离子交换剂中的复合阴离子根, 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Ca2+和Mg2+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, 特别是大型锅炉一般采用离子交换法。
3 结论与展望
本文对锅炉水垢的形成原因及机理进行了分析，水中高浓度的钙、镁离子是水垢形成的主要原因。对锅炉水的软化主要应针对这两类离子。目前的软化方法主要分为物理法和化学法两大类，其中尤以物理法中的膜分离技术和化学法中的离子交换剂使用最为常见。锅炉水的处理对节能降耗具有重要意义，因此在工业生产中，应对锅炉水的软化给予足够的重视，以降低企业生产成本，达到更高的经济和环境效应。
参考文献
[1] 张明. 工业锅炉水处理对锅炉能效的影响[J]. 科技传播, 2010, (15): 17.
[2] 姚艾. 锅炉水处理不良引发的危害分析[J]. 兰州大学学报(自然科学版), 2008, (S1): 148-150.
[3] 杨庆华, 何建波, 马昕. 电磁水处理[J]. 浙江工业大学学报, 1999, (03): 55-59.
[4] Kern DQ, Seaton R E. British Chem Engng[J]. 1959, (4): 258-262.
[5] 王睿, 丁洁, 沈自求. 换热设备的结垢机理研究现状[J]. 化工进展, 1999, (03): 31-35+32.
[6] 王新祥. 换热设备结垢机理的研究进展[J]. 现代化工, 2002, (04): 22-25.
[7] 解利昕, 李凭力, 王世昌. 海水淡化技术现状及各种淡化方法评述[J]. 化工进展, 2003, (10): 1081-1084.
[8] 冯松. 反渗透技术在昆明卷烟厂锅炉水处理中应用设想研究[硕士]. 昆明理工大学, 2008.
[9] 李娜. 硬水软化在供热锅炉水处理中的应用[J]. 考试周刊, 2008, (29): 163-164.
[10] 李晓飞, 龙梅, 叶明章, et al. EWPT-6352锅炉水处理剂在炼油厂锅炉系统中的应用[J]. 石油炼制与化工, 2012, (06): 84-87.
[11] 姚长滨, 李伟男, 梁新排. 腐殖酸钠在锅炉水处理中的应用[J]. 菏泽学院学报, 2007, (2): 75-77.