一、水垢的成因   
   工業(yè)鍋爐以及家庭用的燒水壺，使用一段時(shí)間后在金屬表面就會(huì)結(jié)成水垢，這是由于水中溶有一定數(shù)量的鈣鎂鹽類，如碳酸氫鹽、碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物、硅酸鹽、磷酸鹽等同的還含有泥沙和有機(jī)物等。這些鹽類在受熱過程中發(fā)生物理和化學(xué)變化而形成水垢。水中含有的碳酸氫鈣在水溫升高過程中會(huì)分解生成難溶的碳酸鈣：    
           Ca(HCO₃)₂==^△==CaCO₃+C0₂↑+H₂0

    碳酸氫鎂也會(huì)分解生成碳酸鎂，它在水中不穩(wěn)定會(huì)轉(zhuǎn)化成溶解度更小的氫氧化鎂沉淀，因此水垢中還含有少量氫氧化鎂。    
    在堿性條件下，碳酸氫鈣會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)生成碳酸鈣：   
      Ca(HCO₃)₂+20H^1-====CaCO₃+2H₂O+CO^2-₃  
   此時(shí)，如水中含有較多的氯化鈣時(shí)也會(huì)發(fā)生如下的生成碳酸鈣的沉淀：
      CaCl₂+C0^2-₃====CaCO₃↓+2C1^-
   當(dāng)水中溶有過量的磷酸鹽時(shí)，氯化鈣也會(huì)轉(zhuǎn)化成溶解度很小的磷酸鈣。   
      2P0^3-₄+3CaCl₂--Ca₃(PO₄)₂↓+6Cl^-
    通常水垢的主要成分是碳酸鈣和磷酸鈣。
    水中還溶解有一定數(shù)量的硫酸鈣；硅酸鈣等其他無(wú)機(jī)鹽類，隨著水的蒸發(fā)，它們?cè)谒袧舛燃哟?，?dāng)其濃度超過溶解度之后也會(huì)生成沉淀，并沉積在傳熱表面上。    
    在工業(yè)鍋爐中金屬表面的鐵銹和銅銹等銹垢也會(huì)轉(zhuǎn)化成水垢的成分。
    由于水垢大都由無(wú)機(jī)鹽組成，故稱為無(wú)機(jī)垢，而且這些水垢結(jié)晶致密，比較堅(jiān)硬，所以又稱為硬垢。實(shí)際水垢的成分相當(dāng)復(fù)雜而且成分隨著水質(zhì)情況的不同而變化，所以對(duì)不同地區(qū)的水垢應(yīng)作具體分析。通常根據(jù)水垢的主要成分將它分為碳酸鹽水垢；硫酸鹽水垢，磷酸鹽水垢，硅酸鹽水垢和銹垢幾、大類。    
    表3—4是用X—射線法測(cè)得的各種堅(jiān)硬水垢的組成。  
    表3-4  X—射線反射法測(cè)得水垢成分

    二、水垢成分的定性分析方法
    1．碳酸鹽水垢
    碳酸鹽水垢通常呈白色片狀，斷面呈顆粒狀。如果把白色水垢放在熱水中無(wú)溶解、崩解現(xiàn)象，而置于3%(1：10)鹽酸溶液中，在室溫下即迅速溶解，而且有大量氣泡產(chǎn)生，則是碳酸鹽水垢，反應(yīng)式為：    
    CaCO₃+2HCI====CaCl₂+H₂0+C0₂↑
    當(dāng)碳酸鹽水垢中混有金屬腐蝕產(chǎn)物如鐵銹時(shí)，外觀可能呈紅褐色或粉紅色。含鐵量低于10%時(shí)呈粉紅色，含鐵量達(dá)20%并含有Fe₃0₄(黑色)時(shí)呈紅褐色。含有鐵銹的水垢用鹽酸處理后溶液會(huì)變成淺黃色。

    2．磷酸鹽水垢 
    磷酸鹽水垢外觀呈灰白色，硬質(zhì)的磷酸鹽水垢為松散結(jié)構(gòu)。在鍋爐中形成的磷酸鹽水。垢難免混有鐵的氧化物，使水垢由灰白轉(zhuǎn)為灰紅，紅褐或黑褐色。如果將磷酸鹽放到3％質(zhì)量分。數(shù)的鹽酸溶液中，其溶解速度較碳酸鹽水垢慢得多，而且元?dú)馀莼驓馀莺苌?。如加大鹽酸含量和升高溫度，則此水垢溶解速度會(huì)加快，如在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6％的鹽酸中，加熱到50℃以上磷酸鹽水垢能很快溶解。如果水垢中含有銹垢等腐蝕產(chǎn)物，得到的溶液常帶有淡黃綠色。磷酸鈣溶于鹽酸的反應(yīng)式為：  
    Ca₃(PO₄)₂+4HCl====Ca(H₂P0₄)₂+2CaCl₂    
    3．硫酸鹽水垢   
    硫酸鹽水垢是黃白色堅(jiān)硬密實(shí)的固體，常不單獨(dú)形成水垢，而是混在碳酸鹽水垢中。如果在水垢中加入鹽酸，水垢并不完全溶解，所剩殘?jiān)鼮榘咨?，則很可能是硫酸鹽水垢。如果將此殘?jiān)诺?％氯化鋇水溶液中，殘?jiān)芙舛瓉?lái)澄清的氯化鋇溶液變渾，則證明是硫酸鹽水垢。其反應(yīng)式為： 
    BaCl₂+CaSO₄====BaSO₄+CaCl₂
     4．硅酸鹽水垢   
    硅酸鹽水垢也是灰白色堅(jiān)硬固體，常不單獨(dú)形成水垢，而是混在碳酸鹽水垢申，因此在水垢中加入鹽酸，水垢并不全部溶解，所剩殘?jiān)鼮榘咨锌赡苁枪杷猁}水垢，如果白色殘?jiān)苋苡?％氫氟酸溶液中，則是硅酸鹽水垢其反應(yīng)式為：    
       Si0₂+6FH====H₂SiF₆+2H₂O    
    5．銹垢    
    鐵銹水垢呈黑褐色或紅褐色，其密度較大約為一般水垢密度的一倍以上，達(dá)4.59/cm³。鐵銹水垢中常含有一定量銅。含銅量高時(shí)可以看到銅的金屬光澤。
    鐵銹水垢在熱的6％鹽酸中緩慢溶解，所得溶液呈黃綠色。取出少量溶液力口入10%氨水中會(huì)生成氫氧化鐵的棕色沉淀：    
    Fe202+6HCl====2FeCl3+3H20
    FeCl+3NH₃·H₂0====Fe(OH)₃↓+3NH₄C1    
    如果銹垢中含有銅，則把溶解于鹽酸后所得溶液加入過量氨水時(shí)，溶液會(huì)呈現(xiàn)銅氨絡(luò)離子特有的藍(lán)色：        
    三、水垢的特性及其危害   

  人們最關(guān)心的水垢特性是它的低導(dǎo)熱系數(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)中導(dǎo)熱系數(shù)的減小直接影響到鍋爐的效率，甚至嚴(yán)重危及鍋爐的安全運(yùn)行或鍋爐的壽命。對(duì)于冷卻水系統(tǒng)，也直接影響到傳熱效率和冷卻水用量。水垢的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬低得多，水垢的熱阻是鋼鐵的50—100倍，是黃銅的100～200倍，是鋁、銅的300～400倍。
    水垢的導(dǎo)熱系數(shù)隨其成分和結(jié)構(gòu)的變化而在較大范圍內(nèi)波動(dòng)。水垢中SiO。含量越高，導(dǎo)熱系數(shù)下降也越大。同種水垢的導(dǎo)熱系數(shù)在200~C以下基本是一個(gè)常數(shù)；不隨溫度而變化。
    表3—5列有各種水垢的外觀特征和導(dǎo)熱系數(shù)。  
    表3-5　水垢的特性   

   在鍋爐受熱內(nèi)部和冷卻水熱交換系統(tǒng)內(nèi)部積存水垢都是有害的，其危害性主要表現(xiàn)在以下幾方面。 
    (1)增加熱損失和燃料消耗  通常工業(yè)鍋爐每結(jié)lmm厚水垢，熱效率要降低5％。中國(guó)工業(yè)鍋爐和采暖鍋爐的年燃煤量占煤炭總用量垢，發(fā)電鍋爐的燃煤量占煤炭總用量毿i以工業(yè)鍋爐和，采暖鍋爐平均結(jié)垢厚度方lmm，發(fā)電鍋爐與腐蝕產(chǎn)物平均厚度為0.5mm計(jì)算，則將造成45Mt/a的燃料損失，而如果做好防垢清洗工作每年至少可節(jié)約45億元的燃煤費(fèi)用。
    (2)降低受熱面的金屬?gòu)?qiáng)度  鋼材的機(jī)械強(qiáng)度隨溫度升高而降低，因此各種鋼材都有斗定的最高允許使用溫度，如碳鋼的最高允許使用溫瘦為490*C。清潔的鍋爐管壁傳熱中，鋼鐵弓I起金屬的溫度升高為6℃/mm，而水垢引起的金屬溫度升高可達(dá)：6585℃/mm。因此當(dāng)鍋爐受熱而內(nèi)表面結(jié)有導(dǎo)熱性差的水垢時(shí)，為保持鍋爐水有同樣溫度，水冷壁管將必須加熱到更高的溫度，易造成鋼材的局部過熱、變形、龜裂甚至爆炸。   
    (3)鍋爐的利用率降低  由于水垢造成產(chǎn)氣率下降，需要定期清除水垢，勢(shì)必造成停產(chǎn)而給生產(chǎn)帶來(lái)?yè)p失。 
    (4)縮短鍋爐使用壽命  水垢生成導(dǎo)致熱交換管工作溫度升高，使鍋爐管水側(cè)的氧化加劇必然縮短鍋爐使用壽命。    
    (5)增加燃煤對(duì)大氣污染  由于水垢使鍋爐傳熱效率下降，不僅使熱損失增加，而且將排放出更多煙塵、二氧化硫及其他有害物質(zhì)，加重對(duì)大氣的污染。    
    (6)降低熱交換系統(tǒng)效率，增加冷卻水用量  由于水垢的生成，傳熱效率下降，為保證設(shè)計(jì)要求的冷卻效率，必然要加大冷卻水耗用量。
    (7)增加管內(nèi)水流阻力有時(shí)甚至堵塞管線  水垢在管內(nèi)沉積，減少了水流的截面積，增大了水流阻力，增加了動(dòng)力消耗，降低各種工業(yè)設(shè)備的生產(chǎn)能力。    
    四、防止水垢生成的方法   
    由于最常見的水垢是碳酸鹽水垢，而它的形成與水中含有的碳酸氫鹽含量有直接關(guān)系，因此為防止在鍋爐中形成碳酸鹽水垢必須在水進(jìn)入鍋爐之前對(duì)水進(jìn)行處理，降低水的暫時(shí)硬度(即碳酸氫鈣、鎂的含量)。一般把含有鈣、鎂離子較多的水稱為硬水。而把碳酸氫鈣，碳酸氫鎂含量稱為暫時(shí)硬度，把硫酸鈣、硫酸鎂、氯化鈣、氯化鎂的含量稱為永久硬度。
    通常采用以下方法消除水的硬度。    
    1．硫酸中和法    
    在水中加入適量硫酸，使水中碳酸氫鹽轉(zhuǎn)變成硫酸鹽，把水中的暫時(shí)硬度轉(zhuǎn)變成永久硬度，從而防止碳酸鈣垢生成；而水中硫酸鈣含量低于1000mg兒時(shí)，它也不會(huì)形成水垢。但由于加入硫酸會(huì)腐蝕設(shè)備，通常只在小容量情況下使用。反應(yīng)式為：
    Ca(HCO3)2+H2SO4====CaSO4+2H2O+2C02↑
    2．石灰沉淀法
    這是—種古老的化學(xué)軟化水方法，石灰價(jià)廉，能夠降低水的堿度和硬度，而且有部分除硅的作用。加入．石灰可以消除水的暫時(shí)硬度。
    Ca(HC03)２+Ca(OH)2＝＝＝＝2CaCO３↓+2H20    
    Mg(HCO3)2+2Ca(OH)2====2CaCO3+d-Mg(OH)2+↓十2H2O
    3．離子交換樹脂軟化水    
    當(dāng)水通過裝有鈉型強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換樹脂時(shí)，鈣鎂離子將被樹脂中的鈉離子置換下來(lái)，使水成為不含鈣鎂離子的軟化水。對(duì)于含鈣鎂離子較多，硬度較大的水可采取多級(jí)串聯(lián)方式經(jīng)過多次離子交換，使水叫鈣鎂離子濃度降低到0.015mmol/L以下。也可以把離子交換樹脂處理與電滲析器或反滲透器聯(lián)用去除鈣鎂離子達(dá)到軟化水目的。    
    4．加阻垢劑(水質(zhì)穩(wěn)定劑)的方法
    對(duì)碳酸鈣等微溶鹽的結(jié)晶沉淀過程研究表明，當(dāng)溶液中微溶鹽的濃度超過其溶解度時(shí)并不立即結(jié)晶，而是存在一個(gè)過飽和濃度的介穩(wěn)區(qū)域，此時(shí)溶液中雖然有微溶鹽的微晶核形成，但晶核并未長(zhǎng)大，在介穩(wěn)區(qū)域并不會(huì)形成水垢。因此通過加入阻垢劑的方法擴(kuò)大介穩(wěn)區(qū)域就可以達(dá)到防止水垢生成的目的。阻垢劑的作用是吸附于晶核，阻礙微晶核的進(jìn)一步長(zhǎng)大或使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形變得疏松膨脹不易聚沉。目前使用較廣的無(wú)機(jī)阻垢劑是磷酸三鈉和六偏磷酸鈉，它們可以使進(jìn)入鍋爐的少量硬度鹽形成水合磷灰石，暫時(shí)失去附壁成垢能力。使用的有機(jī)阻垢劑是膦酸鹽和低摩爾質(zhì)量的聚羧酸。其中聚羧酸型阻垢劑典型代表是水解聚馬來(lái)酸酐(HPMA)，它有使微溶鹽晶核的晶格變形的作用。膦酸鹽的典型代表是乙工胺四亞甲基膦酸(EDTMP)和次氨基三亞甲基膦酸(ATMP)，它們有吸附在微溶鹽晶核表面阻止晶體生長(zhǎng)的作用。兩種有機(jī)阻垢劑可以復(fù)配使用。無(wú)機(jī)阻垢劑和有機(jī)阻垢劑配合使用可以減低用量達(dá)到較好效果。
    五、溶解去除水垢的方法    
    對(duì)在鍋爐上已形成的水垢通常用化學(xué)試劑加以清除，不同類型的水垢需用不同的試劑。
    1．碳酸鹽垢    
    碳酸鹽垢易溶于強(qiáng)酸中并冒出二氧化碳?xì)馀?，其溶解反?yīng)方程式為：
    CaCO3+2H+====Ca2++H20+C02↑
    Mg(OH)2+2H+====Mg2++2H2O
    只要生成的鈣鎂鹽有較大溶解度的酸都可以用來(lái)溶解碳酸鹽垢，通常使用最多的是鹽酸，因?yàn)镚aGl：、MgCl：、溶解度大而且鹽酸價(jià)格便宜。    
    由于CaSO+溶解度較小，在洗較厚的碳酸鹽垢時(shí)，不宜用硫酸。
    對(duì)于結(jié)有碳酸鹽垢的不銹鋼基底材料，為防止對(duì)不銹鋼的腐蝕不宜用鹽酸，而常用幣腎酸；
    在要求不停車清洗碳酸鹽垢時(shí)可用EDTA螯合劑與Ca2+組成高度穩(wěn)定的可溶性絡(luò)合物使水垢逐漸溶解去除。    
    2．磷酸鹽水垢    
    強(qiáng)酸可把磷酸鹽轉(zhuǎn)化成可溶性的磷酸二氫鹽。因此可用強(qiáng)酸溶解磷酸鹽水垢，轉(zhuǎn)化溶解
  反應(yīng)為：    
    Ca3(P04)2+4HCl====Ca(H2PO4)2+2CaCl2   
    Ca3(P04)2+4HNO3====Ca(H2PO4)2+2Ca(NO3)2  
    由于硫酸鈣溶解度較低，在水垢較厚時(shí)，不宜使用硫酸來(lái)溶解磷酸鹽水垢。
    3．硫酸鹽水垢
    硫酸鈣不能用加強(qiáng)酸的方法使之溶解，而是應(yīng)用燒堿處理，其機(jī)理為：
    CaSO4+2NaOH====Ca(OH)2+Na2S04    
  氫氧化鈉對(duì)硫酸鈣垢不僅有溶解作用也有剝蝕作用，一般工業(yè)上用20％NaOH對(duì)硫酸鈣垢進(jìn)行浸泡處理。如某煉油廠鍋爐內(nèi)硫酸鈣結(jié)垢嚴(yán)重，管道內(nèi)有40％空間被堵死，垢的平均厚度達(dá)15mm，用20％NaOH常溫浸泡六天，約70％的垢被去除，再用20％NaOH’常溫浸泡三天，全部垢都被清除。
    對(duì)于碳酸鈣和硫酸鈣混合垢，單獨(dú)用酸或堿處理，效果都不好，而用酸堿交替處理效果較好。如用10％HCl先處理去除碳酸鈣后，用清水洗凈，再用20% NaOH處理硫酸鈣垢，效果較好。 
    4．硅酸鹽垢   
    如果水中二氧化硅含量過高，加上水的硬度較大時(shí)，SiO2-3易與水中Ca2+、Mg2+離子形成傳熱系數(shù)很低的硅酸鈣、硅酸鎂水垢，在酸性條件下也會(huì)形成膠狀的硅酸水垢：
       Mg2++SiO2-3====MgSi03
    SiO2-3+2H+====H2SiO3＝Si02·2H2O    
  硅酸鹽垢一旦生成就不能用一般酸洗方法清洗+而要用酸堿交替的方法先使MgSiO3。轉(zhuǎn)化為H2SiO3，再使H2SiO3，轉(zhuǎn)化為易溶于水的Na2Si03去除   
    H2SiO3+2NaOH====Na2SiO3+2H20    
盡管如此，清洗效率仍然很低。在硅酸鹽垢中含有Al”、Fe3+等金屬離子，清洗就更困難。
    用氫氟酸清洗效果較好，但其毒性較大而且容易造成設(shè)備的點(diǎn)蝕晶間腐蝕。
    為了避免硅酸鹽垢的生成，要把鍋爐冷卻水中SiO2含量限制在150～170mg/kg，但當(dāng)鎂的含量大于40mg/kg并與極高含量的鈣共存時(shí)仍會(huì)生成硅酸鎂水垢。
    為去除硅酸鹽水垢常采用熱濃堿煮或氫氟酸洗的方法。其反應(yīng)式如下：                           
    Si02+2NaOH==△==Na2SiO3+H20
    SiO2+4HF====SiF4+2H20    
    CaSiO3+6HF====CaSiF6+3H20
    MgSiO3+6HF====MgSiF6+3H20