电厂化学基础知识

一、火力发电厂生产流程

燃料进入炉膛后燃烧，产生的热量将锅炉里水加热，锅炉内的水吸热而蒸发，最后变成具一定温度、压力的过热蒸汽，这种高温高压蒸汽经管道送往汽轮机，使汽轮机转子旋转，汽轮机转子带动发电机转子一同高速旋转，从而发出电来。 所以火力发电厂的生产过程主要就是一个能量转换过程，即燃料化学能---热能—机械能--电能。最终将电发送出去。

高温高压蒸汽在汽轮机内膨胀做功后，压力和温度降低，由排汽口排入凝汽器并被冷却水冷却，凝结成水，凝结水集中在凝汽器下部由凝结水泵打至低压加热器和除氧器，经除氧后由给水泵将其升压，再经高压加热器加热后送入锅炉，如此循环发电。

二、名词解释

由于水在热力发电厂中水汽循环系统中所经历的过程不同，水质有较大的差别。根据实际需要，我们常给予不同的名称。

1、原水：是指未经过任何处理的天然水（包括江河、湖、地下水，等等），它是热力发电厂中各种水的来源。

2、锅炉补给水：原水经过各种处理方法净化处理后，用来补充热力发电厂中汽水损失的水。

3、凝结水：在汽轮机中做功后的蒸汽经冷凝成的水。

4、疏水：各种蒸汽管道和用汽设备中的蒸汽冷凝水。

5、给水：送进锅炉中的水。

6、冷却水：用作冷却介质的水。

三、天然水中杂质的组成

水是地面上分布最广的物质，几乎占据着地球表面的四分之三。存在于地球表面的江河、湖泊和海洋的水称为地表水；存在于土壤和岩层中的水，称为地下水。天然水分为地下水和地表水。

天然水中杂质多种多样，但多种情况下，都是有一些元素组成的酸碱盐之类的化合物，只有少量单质和其它复杂化合物的形态

水中杂质分类按粒径大小可分为三类：悬浮物、胶体和溶解物质

1、悬浮物：是指颗粒直径在100nm~1μm以上的颗粒物质。

水发生浑浊现象都是由此类物质造成的。

2、胶体：是指颗粒直径大约在1—100nm之间的颗粒。

这些微粒的比较面积很大，具有明显的表面活性，因吸附多量离子而带电，由于同性相斥能在水中长期保持分散状态不会自然沉降，天然水中的矿物质胶体主要是铁、铝和硅的化合物，其次是水生动植物胶体腐烂和分解而成的有机胶体，它是使水体产生色、臭、味的主要原因之一。

3、溶解物质：是指颗粒直径小于1nm的微粒。

天然水中的溶解物质大都为离子和一些溶解气体。离子态物质阳离子主要是钙、镁、钠和钾；阴离子主要有碳酸氢根、硫酸根、氯根、及其它少量硅酸根、硝酸根。气体杂质主要是O2 、 CO2。

四、水质指标

水中有许多杂质这就需要有一些特定的指标表示水质的好坏。通常分为两类：一类是反映水中某种杂质含量的成分指标；例如，溶解氧、钙离子等等。另一类是为了技术上的需要而人为拟定的，反映水中某一方面特性的技术指标；例如：硬度、酸度等等。

五、地表水与地下水的特点

地下水：含盐量高、有机物少、水质清澈，浊度低

地表水：含盐量低、有机物含量高、水质浑浊，浊度高

六、水质不良对热力发电厂造成的危害

热力设备的结垢、浪费燃料、受热面损坏、降低机组效率、增加化学清洗次数、热力设备的腐蚀、过热器和汽轮机积盐

七、天然水中杂质处理方法

1.悬浮物、胶体

混凝、澄清、过滤去除；亦即电厂中的预处理系统，水的预处理是在水除盐处理之前，预先进行初步处理，以便在水的精处理时取得良好效果。

1.1.混凝处理

天然水中的悬浮物大小不一，静置时间很长仍有一部分微小的颗粒残留在水中。通常的单独过滤很难清除水中微小悬浮物更不能清除胶体，而必须依靠混凝后在过滤。混凝处理就是向水中投加一种名为混凝剂的化学药品，他会使水中细小微粒变成大颗粒而下沉，混凝剂与水中胶体带相反电荷，利用投加的混凝剂与水中原有的胶体发生吸附电中和作用使水中原有胶体长大沉降下来。

主要的处理设备是澄清池：常用的有水力加速澄清池、机械搅拌澄清池等。

1.2.过滤处理

天然水经过混凝处理后，虽然已经将其大部分悬浮物除掉，从外观上看也常常是清澈透明的，但在实际上水中免不了残留少量的悬浮颗粒所以还需进一步对悬浮物进行处理，否则，当进行离子交换处理时，会污染交换剂，妨碍运行。

2.盐 类：离子交换、反渗透、EDI。

亦即电厂中的除盐系统。补给水处理系统=预处理系统+除盐系统

2.1离子交换树脂除盐

为了除去水中的离子态杂质，现在采用的最普遍的方法是离子交换。这种方法可以将水中的离子态杂质清除的比较彻底，因而能制得很纯的水（纯水25℃时电导率为0.055µs/cm，混床出水可以达到0.06µs/cm）。所以，在热力发电厂中锅炉用水的制备工艺中，它是一个必要的步骤。离子交换处理，必须用一种称作离子交换剂的物质来进行。这种物质遇到水时，可以将其本身所具有的某种离子和水中同符号的离子相互交换。如H型离子交换剂遇到含有的Na+水时，就会发生下列反应R—H+ Na+→R—Na+H+ 反应结果，水中的Na+被吸着到交换剂上，交换剂变成Na型，而交换剂上原有的H+跑入水中，水中的Na+被除去了。转换成Na型的交换剂，可以用酸溶液通过的方法，使其变成H型离子交换剂，以便重复使用。

2.1.1离子交换树脂：用来进行离子交换的高分子化合物。

主要有两部分组成：一部分具有高分子结构形式称为离子交换剂骨架，另一部分是带有可交换离子的基团（活性基团），它们化合在高分子骨架上。所谓骨架是因为它具有庞大的空间结构，支持着整个化合物，就像动物的骨架支持着肌体一样。高分子化合物一般是由许多低分子化合物头尾相结合、连成一大串而成的，此化合过程称为聚合。根据引入的活性基团不同，可将树脂分为阴、阳离子交换树脂。

用普通聚合法制成的离子交换树脂都是由许多不规则的网状高分子构成的，类似凝胶，故称为凝胶型树脂。这种树脂的缺点是抗氧化性和机械性较差，易受有机物污染等。一般孔径为1—2nm，现在有大孔树脂，超凝胶树脂， 均粒树脂。

2.1.2离子交换树脂的性能

物理性能 外观、粒度、密度、含水率、溶胀性、耐磨性、溶解性、耐热性、抗冻性、耐辐射性、导电性

化学性能 离子交换反应的可逆性、 酸、碱性、 中和与水解、离子交换树脂的选择性、交换容量装有阳树脂的设备称为阳床。装有阴树脂的设备称为阴床。装有阴、阳树脂的设备称为混床。

以水中阳离子为Na+，阴离子为Cl-为例：

（阳树脂）R—H+ Na+→R—Na+H+

（阴树脂）R—OH+ Cl-→R—Cl+OH-

阳、阴树脂交换下来的H++ OH-→H2O

再生过程为上述过程的逆过程，再生出来的废酸、碱进入中和池排掉。

阳树脂失效时首先漏Na，阴树脂失效时首先漏硅，判断阳、阴床失效主要是以监督硅、钠为主，另外导电度作为一个判断指标能迅速反映出设备运行状况。

混床能将阴、阳床出水除盐进一步深化。

除盐设备的再生步骤一般分为：反洗、进再生液、置换、冲洗

2.2 反渗透脱盐技术

对透过的物质具有选择性的薄膜称为半透膜，一般将只能透过溶剂而不能透过溶质的薄膜称之为理想半透膜。当把相同体积的稀溶液（例如淡水）和浓溶液（例如盐水）分别置于半透膜的两侧时，稀溶液中的溶剂将自然穿过半透膜而自发地向浓溶液一侧流动，这一现象称为渗透，当渗透达到平衡时，浓溶液侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度，即形成一个压差，此压差即为渗透压。

反渗透是渗透的一种反向迁移运动，是一种在压力驱动下，借助于半透膜的选择截流作用将溶液中的溶质与溶剂分开的分离方法，它已广泛应用于各种液体的提纯与浓缩，其中最普遍的应用实例便是在水处理工艺中，用反渗透技术将原水中的无机离子、细菌、病毒、有机物及胶体等杂质去除，以获得高质量的纯净水。

2.2.1渗透压的大小取决于溶液的固有性质，即与浓溶液的种类、浓度和温度有关而与半透膜的性质无关。

2.2.2按膜材料的化学组成大致可分为：醋酸纤维膜、芳香聚酰胺膜和复合膜。

2.2.3反渗透名词解释

回收率—指膜系统中给水转化成为产水或透过液的百分率。膜系统的设计是基于预设的进水水质而定的，设置在浓水管道上的浓水阀可以调节并设定回收率。回收率常常希望最大化以便获得最大的产水量，但是应该以膜系统内不会因盐类等杂质的过饱和发生沉淀为它的极限值。

脱盐率—通过反渗透膜从系统进水中除去总可溶性的杂质浓度的百分率。

透盐率—脱盐率的相反值，它是进水中溶解性的杂质成分透过膜的百分率。

流量—流量是指进入膜元件的进水流率，常以每小时立方米数(m3/h)或每分钟加仑数表示(gpm)。浓水流量是指离开膜元件系统的未透过膜的那部分的“进水”流量。这部分浓水含有从原水水源带入的可溶性的组份，常以每小时立方米数(m3/h)或每分钟加仑数表示(gpm)。

通量—单位膜面积上透过液的流率，通常以每小时每平方米升数(L/m2h)或每天每平方英尺加仑数表示(gfd)。

浓 水—未透过膜的那部分溶液，如反渗透系统的浓缩水。

2.3电渗析脱盐技术

离子交换树脂制作成膜状，则有如下特性：阳离子交换膜（其不可移动的内层离子为负离子，由此阳膜中产生负电场，溶液中负离子受到排斥），只容许阳离子透过，阴离子交换膜只容许阴离子透过；将膜做成电解槽的隔膜，即在膜片两端加两个电极（阳膜靠近阴极，阴膜靠近阳极），则离子就会发生迁移（阴离子透过阴膜到阳极处，阳离子透过阳膜到阴极处），这就是电渗析。

假设电解质为食盐水溶液，则阳极室（氯离子得到电子变为氯气、OH根变为氧气）将变为酸性、阴极室（阴极反应氢离子失去电子变为氢气）将变为碱性。应注意阳极和阳极室附近膜的腐蚀问题

它的价格便宜，但脱盐率低。它广泛被用于海水与苦咸水淡化；制备纯水时的初级脱盐以及锅炉、动力设备给水的脱盐软化等。

2.4电除盐（EDI）

EDI(电渗析)除盐，是利用混合离子交换树脂吸附给水中的阴、阳离子，同时这些被吸附的离子又在直流电压的作用下，分别透过阴、阳离子交换膜而被去除的过程。这一过程中离子交换树脂是被电连续再生的，因此不需要使用酸和碱再生。EDI装置应用于反渗透系统之后，取代了传统的混合离子交换装置，能生产稳定的去离子水。

EDI工艺采用一种离子选择性膜和离子交换树脂夹在直流电压下两个电极之间，在两极间的直流电源电场从反渗透预处理过的水中去除离子。

离子选择性膜同离子交换树脂有着相同的工作原理和原材料，它们用于将某种特定的离子进行分离。如图4所示,阴离子选择性膜只允许阴离子透过而不能透过阳离子，阳离子选择性膜只允许阳离子透过而不能透过阴离子。通过在一个层状、框架式的组件中放置不同的阴离子选择性膜和阳离子选择性膜，就建立了并列交替的淡水室和浓水室。离子选择性膜被固定在一个惰性的聚合体框架上，框架内装填混合树脂就形成了淡水室，淡水室之间的层就形成了浓水室。

EDI模块的膜对放置在两个电极之间，这两个电极提供直流电场给模块。在直流电场的推动下，离子通过膜从淡水室被输送到浓水室。因此，当水通过淡水室流动时，逐步达到无离子状态，这股水流就是产水。

八、EDI系统组成

EDI系统主要由以下几个部分组成：

1．电源

2．EDI组件

3．控制柜

4．仪表

九、EDI模块的运行

EDI模块在运行时首先应注意以下几点：

(1)电压。

(2)电流强度。

(3)离子平衡和pH值。

十、EDI模块的维护

EDI系统的设计应最大限度地减少任何正常和持续的操作过程中模块所需的维护。但是EDI系统运行过程中，当不符合进水规范或者所加电压不够时，一定的维护还是必要的。

EDI模块的主要污染物是硬度沉淀、TOC有机物、颗粒和铁。

(1)硬度沉淀。如果EDI进水的中含有较多的溶质，就可能在浓水室中形成盐的沉淀(如结垢)，结果产水水质就会下降。如果进水硬度过大、溶解的CO2较多和较高的pH值，将会使沉淀速度大大增加。要去除这些碳酸盐，浓水室必须用酸性溶液进行清洗。

(2)TOC有机物污染。含有有机污染物的进水会污染阻塞离子交换树脂和离子选择性膜，形成的薄膜层严重影响离子迁移速率，从而影响产水水质。如果发生这种情况，淡水室就必须用有机物去除剂进行清洗。

(3)颗粒污染。粗的杂质颗粒在EDI进水时会造成进水水流部分阻塞，引起模块之间水流分配不均匀，从而导致模块性能降低。在EDI进水中，细小的颗粒会污染树脂和浓水室。如果EDI进水来自反渗透的产水箱而不是直接来自反渗透产水时，进入EDI模块之前特别需要一个非常微细的前置过滤器先将水过滤。在EDI模块安装之前，最好先用水将管道系统冲洗干净，以防颗粒杂质进人EDI模块。