水处理化学必备知识---水垢（干货）
锅炉用水因地处区域不同。水的硬度也有差异。当水中硫酸盐及氯化物含量较高时，在锅炉内会随着水不断地蒸发，使它们超出其饱和浓度极限而沉淀出来、并在锅筒内、水冷壁内附着沉积，逐渐形成坚硬、难溶于水的水垢。
水垢的主要危害表现为:
(1)水垢为不良导体，它的导热系数是钢材的1/5，水垢会影响受热面导热能力。因受热而热阻增大而造成燃料浪费，热效率降低。
(2)因水垢导热性能极差，燃料燃烧产生的热量不能很好地通过金属表面传递给水，导致金属受热面温度升高而过热，金属结构强度降低，引起锅筒和水冷壁表而变形、鼓包，管内壁断面减小，这会导致水循环不良甚至无法过水而引起水冷壁管烧穿事故，严重者可引起爆管。
(3)当人们采用化学除垢或机械除垢时，又会造成对金属内壁的腐蚀或伤害而减少锅炉的使用寿命。
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一、水垢的成因
工业锅炉以及家庭用的烧水壶，使用一段时间后在金属表面就会结成水垢，这是由于水中溶有一定数量的钙镁盐类，如碳酸氢盐、碳酸盐、硫酸盐、氯化物、硅酸盐、磷酸盐等同的还含有泥沙和有机物等。这些盐类在受热过程中发生物理和化学变化而形成水垢。水中含有的碳酸氢钙在水温升高过程中会分解生成难溶的碳酸钙：
Ca(HCO3)2==△==CaCO3+C02↑+H20
碳酸氢镁也会分解生成碳酸镁，它在水中不稳定会转化成溶解度更小的氢氧化镁沉淀，因此水垢中还含有少量氢氧化镁。
在碱性条件下，碳酸氢钙会发生如下反应生成碳酸钙：
Ca(HCO3)2+20H1-====CaCO3+2H2O+CO2-3
此时，如水中含有较多的氯化钙时也会发生如下的生成碳酸钙的沉淀：
CaCl2+C02-3====CaCO3↓+2C1-
当水中溶有过量的磷酸盐时，氯化钙也会转化成溶解度很小的磷酸钙。
2P03-4+3CaCl2--Ca3(PO4)2↓+6Cl-
通常水垢的主要成分是碳酸钙和磷酸钙。
水中还溶解有一定数量的硫酸钙；硅酸钙等其他无机盐类，随着水的蒸发，它们在水中浓度加大，当其浓度超过溶解度之后也会生成沉淀，并沉积在传热表面上。
在工业锅炉中金属表面的铁锈和铜锈等锈垢也会转化成水垢的成分。
由于水垢大都由无机盐组成，故称为无机垢，而且这些水垢结晶致密，比较坚硬，所以又称为硬垢。实际水垢的成分相当复杂而且成分随着水质情况的不同而变化，所以对不同地
区的水垢应作具体分析。通常根据水垢的主要成分将它分为碳酸盐水垢；硫酸盐水垢，磷酸盐水垢，硅酸盐水垢和锈垢几、大类。
表3—4是用X—射线法测得的各种坚硬水垢的组成。
表3-4 X—射线反射法测得水垢成分
名 称 | 组 成 | 名 称 | 组 成 | |
绿辉石 方钠石 无水石谊 方解石、石灰石 水镁石 赤铁矿 | Na2O·Fe2O3·4SiO2 Na2O·Al2O3·4SiO2·2H2O CaSO4 CaCO3 Mg(OH)2 Fe2O3 | 羟磷灰柱石 磁铁矿 石英 蛇纹石 芒硝 硅灰岩 | Ca10(OH)2(PO4)6 Fe3O4 SiO2 3MgO·2SiO2·2H2O Na2SO4 CaSiO3 | |
二、水垢成分的定性分析方法
1．碳酸盐水垢
碳酸盐水垢通常呈白片状，断面呈颗粒状。如果把白水垢放在热水中无溶解、崩解现象，而置于3%(1：10)盐酸溶液中，在室温下即迅速溶解，而且有大量气泡产生，则是碳酸盐水垢，反应式为：
CaCO3+2HCI====CaCl2+H20+C02↑
当碳酸盐水垢中混有金属腐蚀产物如铁锈时，外观可能呈红褐或粉红。含铁量低于10%时呈粉红，含铁量达20%并含有Fe304(黑)时呈红褐。含有铁锈的水垢用盐酸处理后溶液会变成浅黄。
2．磷酸盐水垢
磷酸盐水垢外观呈灰白，硬质的磷酸盐水垢为松散结构。在锅炉中形成的磷酸盐水。垢难免混有铁的氧化物，使水垢由灰白转为灰红，红褐或黑褐。如果将磷酸盐放到3％质量分。数的盐酸溶液中，其溶解速度较碳酸盐水垢慢得多，而且元气泡或气泡很少。如加大盐酸含量和升高温度，则此水垢溶解速度会加快，如在质量分数为6％的盐酸中，加热到50
℃以上磷酸盐水垢能很快溶解。如果水垢中含有锈垢等腐蚀产物，得到的溶液常带有淡黄绿。磷酸钙溶于盐酸的反应式为：
Ca3(PO4)2+4HCl====Ca(H2P04)2+2CaCl2
3．硫酸盐水垢
硫酸盐水垢是黄白坚硬密实的固体，常不单独形成水垢，而是混在碳酸盐水垢中。如果在水垢中加入盐酸，水垢并不完全溶解，所剩残渣为白，则很可能是硫酸盐水垢。如果将此残渣放到1％氯化钡水溶液中，残渣溶解而原来澄清的氯化钡溶液变浑，则证明是硫酸盐水垢。其反应式为：
BaCl2+CaSO4====BaSO4+CaCl水垢怎么去除2
4．硅酸盐水垢
硅酸盐水垢也是灰白坚硬固体，常不单独形成水垢，而是混在碳酸盐水垢申，因此在水垢中加入盐酸，水垢并不全部溶解，所剩残渣为白有可能是硅酸盐水垢，如果白残渣能溶于3％溶液中，则是硅酸盐水垢其反应式为：
Si02+6FH====H2SiF6+2H2O
5．锈垢
铁锈水垢呈黑褐或红褐，其密度较大约为一般水垢密度的一倍以上，达4.59/cm3。铁锈水垢中常含有一定量铜。含铜量高时可以看到铜的金属光泽。
铁锈水垢在热的6％盐酸中缓慢溶解，所得溶液呈黄绿。取出少量溶液力口入10%氨水中会生成氢氧化铁的棕沉淀：
Fe202+6HCl====2FeCl3+3H20
FeCl+3NH3·H20====Fe(OH)3↓+3NH4C1
如果锈垢中含有铜，则把溶解于盐酸后所得溶液加入过量氨水时，溶液会呈现铜氨络离子特有的蓝：
三、水垢的特性及其危害
人们最关心的水垢特性是它的低导热系数，在工业生产中导热系数的减小直接影响到锅炉的效率，甚至严重危及锅炉的安全运行或锅炉的寿命。对于冷却水系统，也直接影响到传热效率和冷却水用量。水垢的导热系数比金属低得多，水垢的热阻是钢铁的50—100倍，是黄铜的100～200倍，是铝、铜的300～400倍。
水垢的导热系数随其成分和结构的变化而在较大范围内波动。水垢中SiO。含量越高，导热系数下降也越大。同种水垢的导热系数在200~C以下基本是一个常数；不随温度而变化。
表3—5列有各种水垢的外观特征和导热系数。
表3-5 水垢的特性
水垢类型 | 外观特性 | 导热系数/[W(m·k)] | 水垢类型 | 外观特性 | 导热系数/[W(m·k)] | |
含有油质水垢 硅酸盐水垢 (含SiO220%～或更多) 无定形碳酸盐水垢 (CaCO3·MgCO3) 碳酸盐水垢 [(CaCO3+MgCO3) >50%]时 | 坚硬 坚硬 软 无定形粉末状 变成坚硬状态 | 0.12 0.058～0.23 0.23～1.2 0.58～5.8 | 石谊状水垢 （含CaSO4≥50%） 混合物水垢 (CaSO4,CaCO3,MgCO3, CaSiO3,Fe2O3, FeO4,MgSo4等) | 坚硬 坚硬 | 0.58～2.3 0.81 | |
在锅炉受热内部和冷却水热交换系统内部积存水垢都是有害的，其危害性主要表现在以下几方面。
(1)增加热损失和燃料消耗 通常工业锅炉每结lmm厚水垢，热效率要降低5％。中国工业锅炉和采暖锅炉的年燃煤量占煤炭总用量垢，发电锅炉的燃煤量占煤炭总用量毵i以工业锅炉和，采暖锅炉平均结垢厚度方lmm，发电锅炉与腐蚀产物平均厚度为0.5mm计算，则将造成45Mt/a的燃料损失，而如果做好防垢清洗工作每年至少可节约45亿元的燃煤费用。
(2)降低受热面的金属强度 钢材的机械强度随温度升高而降低，因此各种钢材都有斗定的最高允许使用温度，如碳钢的最高允许使用温瘦为490*C。清洁的锅炉管壁传热中，钢铁弓I起金属的温度升高为6℃/mm，而水垢引起的金属温度升高可达：6585℃/mm。因此当锅炉受热而内表面结有导热性差的水垢时，为保持锅炉水有同样温度，水冷壁管将必须加热到更高的温度，易造成钢材的局部过热、变形、龟裂甚至爆炸。
(3)锅炉的利用率降低 由于水垢造成产气率下降，需要定期清除水垢，势必造成停产而给生产带来损失。
(4)缩短锅炉使用寿命 水垢生成导致热交换管工作温度升高，使锅炉管水侧的氧化加剧必然缩短锅炉使用寿命。
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