專利名稱：：一種工業(yè)納米水及其用途的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種工業(yè)蒸汽鍋爐使用的水，尤其涉及一種因水的物理性質被改變而達到鍋爐節(jié)能減排的帶有納米尺度下人工新合成物質的工業(yè)納米水。
背景技術：
：目前，在鍋爐給水系統(tǒng)中，水垢傳熱系數(shù)僅為金屬幾十分之一，大大地削弱了鍋爐傳熱，使熱效率大幅度地降低；水垢還能引起垢下腐蝕；結垢是一個常見而耗資的問題，全球每年用于街的清洗和結垢引起的熱損失的消耗方面的資金達百億美元。公知的鍋爐水處理技術是通過離子樹脂交換法將水中的硬度鹽離子即陽離子(如Ca2+、Mg2+、Na+等)置換清除，以生產出合格的軟化水，再將水中的陰離子(如C032—、so42—、cr等)除掉，以生產出合格的除鹽水；還通過膜過濾工藝來生產出無硬度低電導率的工業(yè)純水。因此，傳統(tǒng)的鍋爐化學水處理工藝生產的軟化水、除鹽水或工業(yè)純水都是為了將進入鍋爐前的水質中的雜質離子(陰、陽離子)去除，以達到國家規(guī)定的鍋爐給水水質標準(如工業(yè)鍋爐水質《GB/T1576-2007標準》)。但是，實際上水中雜質離子通過化學水處理工藝(陰床、陽床及混床等)是不可能完全清除干凈，如軟化水、除鹽水中還允許硬度《0.03mmol/L，高壓鍋爐用水還存在Na+、Si02和微量的電導率。在高溫蒸發(fā)濃縮的條件下，那些剩余硬度、殘存陰離子令溶解固形物(TotalDissolvedSolids，TDS)含量不斷升高，不但降低了鍋水的濃縮倍數(shù)而耗能，并且給鍋爐帶來結垢與腐蝕的隱患，影響蒸汽品質。為了解決傳統(tǒng)的鍋爐化學水處理工藝問題，產生了鍋內化學加藥法來調整鍋水指標(如pH值)，采用排污法來控制鍋水指標(如TDS值，總堿度等)，結垢嚴重時還需停爐采用酸洗或堿煮工藝來清洗鍋爐。由此帶來了一系列的副作用，如化學藥劑易產生鍋內汽-水共騰現(xiàn)象，影響蒸汽質量，并隨鍋水排放污染環(huán)境及增加能耗；化學清洗工藝控制不當易使鍋管出現(xiàn)氫腐蝕的裂紋，鍋筒因酸性腐蝕造成金屬苛性化，減少鍋爐的使用壽命，還因停爐操作而耗工、耗時、耗能。因此，如何保證鍋爐給水的水質指標和如何解決蒸發(fā)濃縮后鍋水的水質指標穩(wěn)定，是鍋爐水處理行業(yè)乃至鍋爐行業(yè)十分關注的問題。自然界中的液態(tài)水總是以由單個水分子(氫一氧鍵角104度58分，結構尺度0.2nm)組成水分子團簇的形式存在。而水分子團簇的大小則隨不同地域的溫度、水質而有別，通常天然水的水分子團簇由(H20)n(n=1315)組成。通過數(shù)十年的努力，科學界發(fā)現(xiàn)通過外加能量的方法(磁場法、電場法、輻射法、聲波法、順磁共振法、核磁共振法及加熱法)，可以將水分子團簇結構中氫鍵斷開或令氫鍵夾角變異而獲得水分子數(shù)目變小的水分子團簇。通過實踐發(fā)現(xiàn)團簇小的水的物化性質(溶解力、滲透力、蒸發(fā)速率等均有增強)明顯有別于大水分子團簇的水的物化性質。水分子團簇變小后氫鍵作用力減弱，使得水分子容易從液體中逸出，蒸發(fā)速率明顯加快。根據(jù)水分子的氫鍵強度及自由能的大小計算，一種環(huán)狀六水分子團簇(H20)n(n=6)具有最穩(wěn)定的結構特征。實踐表明水分子團簇過小(H20)n(n=23)的水質不利于在工業(yè)鍋爐中應用，因為水分子團簇過小自然分離出過多的單水分子，帶來的單線態(tài)氧和溶解氧易產生過量的臭氧03，對鍋爐金屬易造成氧腐蝕，如果出現(xiàn)氫原子為單一的裸露質子，對鍋爐金屬易造成氫腐蝕的裂紋。所以，控制裂變后水分子團簇大小成了技術的關鍵。另一方面，自然界的水(江河水、地下水等天然水)中的雜質離子(各種陰離子與陽離子)多數(shù)以單個離子的形式溶解于水中，并嵌在水分子團簇的架構之中以自由態(tài)的形式存在。各種離子均能以配位體的形式參與形成水中配合物的競爭。結成配合物的離子具有雙重性質，第一，它們仍然是屬于溶于水中的溶質，計算在溶解度內；第二由于它們已經是整個配合物的一個部份，已不再是自由離子，它們不再象那些仍然未結成配合物的離子，具有可以自由地參加有關反應的性質。當不同溫度下與雜質離子結合的水分子團簇(結構水)的分子數(shù)目發(fā)生變化時，水中的陰離子和陽離子的物化性質也隨之發(fā)生變化。如水中未配位的自由鈣離子約97%，已配位的不自由鈣離子約3%,在高溫濃縮條件下(加熱法可改變水分子團簇的大小，即團簇架構分散重組)，自由鈣離子都會與陰離子(CO/.及S042—等)因電位相異而相吸，當Ca2+與C032—的濃度乘積》Ksp值時結合成碳酸鈣(CaC03)水垢，分子結構為方解石單晶型，另3%已配位的不自由鈣離子只會長晶成碳酸合鈣(CaC03Q)水渣，其分子結構為文石+方解石雙晶型。在相同溫度下，外加能量的方法能改變水分子團簇結構的變化，令團簇架構分散變小，自由態(tài)的陰離子和陽離子從分散的團簇架構中逸出，參與形成水中配合物的競爭。不同的外加能量的方法使這些自由離子具有不同的結構排列重組的傾向。采用單一能量法(磁場法、電場法等)使自由離子在能量場極性的吸引下，按極性(陰、陽)分開，排列有序，不參與形成水中配合物的組成；采用復合能量法(順磁共振場的能量協(xié)同效應)使自由離子在水分子團簇分裂的共振運動中出現(xiàn)單個陰離子與單個陽離子配對結合，以配位離子對為結合體的方式參與形成了水中配合物。如水中鈣離子在復合能量的作用下最有利于形成不自由的六水鈣配位離子Ca(H20)62+,同時釋放出630KJ/mol能量。六水鈣配位離子的直徑為0.516nm，這與籠式結構(水中形成十二面體結構的氣體水合物(20個水分子組成的十二面體)中一個孔穴的直徑(0.52nm)具有很好的適應性，導致形成巨大的介穩(wěn)定配位離子(不自由離子)，這種不自由水合鈣離子在水分子共振碰撞運動過程中與碳酸根離子(CO,)、硫酸根離子(S042—)配位成不自由的離子對(碳酸合鈣CaCO,、硫酸合鈣CaSCV等)。配位離子對是一種溶于水中的配合物，一種納米尺度下的晶核(人工合成的新物質)，在鍋爐高溫濃縮條件下，晶核具有如下特征'1、97%的晶核不再是自由離子，不能再參與有關反應(如受熱后離子的電位相吸)，只能從液體中析出，長晶成具有單分散性的雙晶型水渣。2、晶核間不具親和力的作用。故不易附著在金屬表面緊密積聚，而形成無粘性的粉末狀水渣沉淀鍋底，在排污時清除，具有明顯的阻垢效果。3、晶核是在共振力的作用下形成，故配位后晶核的能級較單分散的自由離子能級高，水滲透力、溶解力增強?？墒瑰亙纫呀Y的水垢疏松、斷裂脫落，所以在鍋爐運行中能自然除垢，無需投藥或酸洗。實踐證明水在外力的共振作用下能引起水分子內發(fā)生共振運動，水分子結構排列的變化令水分子團簇架構分裂，團簇分散變小。在鍋爐高溫濃縮條件下有如下特征1、水的某些物理性質發(fā)生改變，如蒸發(fā)速率的提高，沸點、表面張力的降低，在鍋爐汽一水系統(tǒng)相同條件下因鍋管內流速增快、壓強降低而提高傳熱效率達到節(jié)能效果。2、激活了水分子團簇內雜質離子的配位形式。剩余硬度或殘存的各種陰、陽離子被配位成一些新形態(tài)的水合物質——配位離子對，它是一種水合物，一種晶核(如碳酸合鈣CaCO,、硫酸合鈣CaSO/等)，在高溫條件下晶核易于從水中析出，結晶成單分散性的水渣。所以水中的溶解固形物含量降低，提高了鍋內水質純度。不但能減少排污量，并能減少因此而造成的熱量流失，因減少熱量排走而節(jié)能，同時還提高蒸汽的品質。3、CaCO^水渣的生成必然減少水垢CaC03的出現(xiàn)，水渣在受熱面上龜裂自脫落成細微的沉淀物，不但有效阻止了水垢的結塊，而且能將原生水垢自然清除(確保向鍋外排垢)，因此，這種水質明顯地產生了阻垢除垢的節(jié)能效果。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的，就是提供一種可用于鍋爐的工業(yè)納米水，其結垢少無腐蝕，可生產高品質蒸汽，且能提升蒸發(fā)速率、降低能耗，減少鍋水排放。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的工業(yè)納米水，其特征是該水的水結構組成同時包括小水分子團簇(H20)n(n=48)和陰離子和陽離子，且陰離子和陽離子以陰陽配位的形式結成離子對晶核，離子對晶核的尺度大于或等于0.5nm，小于或等于15nm;配位離子對晶核占陰離子和陽離子總量的67%97%;所述的離子對晶核加熱后的結晶體為晶型呈雙晶型的水渣，其中文石晶體占45%-65%，其余為方解石晶體。所述的水分子團簇大小可采用檢測水中170核磁共振半高寬幅(NMR)值來評價，nO—NMR值變小則表示水分子團簇變小，所述的離子對晶核尺度也變小。所述的雙晶型可通過X射線法檢測，所述的文石晶體占45%-65%，也可通過X射線法檢測。上述工業(yè)用納米水的用途是作為鍋爐蒸汽用水。工業(yè)納米水注入鍋爐中可解決鍋水在蒸發(fā)濃縮過程中產生的水質超標問題，以及剩余硬度結垢與腐蝕問題。另這種工業(yè)納米水能提升蒸發(fā)速率、降低能耗，即能使鍋爐達到節(jié)約能源與減少鍋水排放之目的。本發(fā)明的水包含兩種物質在納米尺度下變化的概念水分子團簇變化及陰離子和陽離子在水分子團簇結構中存在形式的變化。有益效果本發(fā)明的工業(yè)納米水，經檢測水的表面張力降低大于或等于5*l(r3N.m—1，水中的離子對晶核的能量提高，穿透力增強，用于鍋爐中，經實踐證明在高溫條件下工業(yè)納米水不但升壓快且蒸發(fā)得更快，直接節(jié)約能源，還邁水中的陰離子和陽離子的結構變化使水具有自身阻垢、除垢的功能，減少高溫鍋水的排放而節(jié)約能源。下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。圖1是方解石單晶型CaC03水垢的金相圖；圖2是文石+方解石雙晶型CaCO,水渣的金相圖3是未經處理的水在鍋內高溫下形成水垢CaC03晶型經X射線衍射測試為單一晶型方解石的圖譜；圖4是本發(fā)明的水在鍋內高溫下形成水渣使CaC03晶型轉變?yōu)槲氖?方解石(雙晶型)的圖譜；圖5是應用實施例2用戶對二臺相同其中一臺應用本發(fā)明的鍋爐運行二個月內的pH值對比曲線圖，pH值在化學水處理與活水器處理之間的比較(ComparisonofPHBetweenChemicalandACTIVIATreatment);圖6是應用實施例2的氯根濃度對比曲線圖，氯化物在化學水處理與活水器處理之間的比較(ComparisonofChlorideBetweenChemicalandACTIVIATreatment);圖7是應用實施例2的溶解固形物對比曲線圖，溶解固形物在化學水處理與活水器處理之間的比較(ComparisonofTotalDissolvedSolid(TDS)BetweenChemicalTreatment);圖8是應用實施例2的總堿度對比曲線圖，苛性堿度在化學水處理與活水器處理之間的比較(ComparisonCausticAlkalinityBetweenChemicalandACTIVIATreatment);圖9是應用實施例2的硫酸根濃度對比曲線圖，亞硫酸鹽在化學水處理與活水器處理之間的比較(ComparisonofSulphiteBetweenChemicalandACTIVIATreatment);圖10是應用實施例2的磷酸根濃度對比曲線圖，磷酸鹽在化學水處理與活水器處理之間的比較(ComparisonofPhosphateBetweenChemicalandACTIVIATreatment)。具體實施方式實施例將符合鍋爐水處理水質標準即水質硬度《0.03mmol/L的軟化水、除鹽水或工業(yè)純水流經具有能量協(xié)同效應的順磁共振場系統(tǒng)即可獲得本發(fā)明的工業(yè)納米水。順磁共振場系統(tǒng)的作用機理是采用永久磁場射線、自發(fā)式電子流、粒子流、光子流共激發(fā)RF-BCC納米材料；同時激發(fā)源能量也直接作用于水雜離子(原子序數(shù)在25以下的物質)產生"能量"的協(xié)同效應。因此，順磁共振場具有復合"能量"協(xié)同效應的共振作用引發(fā)水分子內"共振"運動，影響氫鍵網(wǎng)絡的重排機理，實現(xiàn)水分子團簇結構的改變，正是共振現(xiàn)象(共振力)才可能克服活化勢壘，產生核電荷從亞穩(wěn)態(tài)一~^穩(wěn)態(tài)躍遷的運動形態(tài)，從而在離子水合過程(近程水合)中激活了另一種具有化學性質的配位形式(結合力)，健位變異的陰離子與Ca2+、Mg^等水合離子配位成"不自由"的離子對。所獲得的水的水結構組成同時包括小水分子團簇(H20)n(n=48)和陰離子和陽離子，且陰離子和陽離子以陰陽配位的形式結成離子對晶核，離子對晶核的尺度大于或等于0.5咖，小于或等于15nm;配位離子對晶核占水中雜質離子總量的67%97%;所述的離子對晶核加熱后的結晶體為晶型呈雙晶型的水渣，其中文石晶體占45%-65%，其余為方解石晶體。水分子團簇大小可采用檢測水中170核磁共振半高寬幅(NMR)值來評價，170一NMR值比起原來的軟化水、除鹽水或工業(yè)純水變小，則表示水分子團簇變小，離子對晶核尺度也變小。雙晶型可通過X射線法檢測，所述的文石晶體占45%-65%，也可通過X射線法檢測。處理后的水有如下變化-1、水中nO核磁共振半高寬幅度變窄(寬幅減少6%-12%)。170核磁共振半高寬幅的大小是目前國際上評價水分子團簇大小的檢測方法之一。2、在加熱10(TC的條件下，水的蒸發(fā)速率提高4.6%，沸點降低0.4"。3、在加熱IO(TC的條件下，水中CaC03G晶核析出結晶為水渣，水渣呈微細疏松狀，在受熱面上的水渣厚度少于0.5mm時自然脫落(原水硬度小于1.0mmol/L)。本發(fā)明的水具有如下作用1、通過改變水質的物理特性(如蒸發(fā)速率、沸點、表面張力、滲透力等)來提高鍋爐傳熱效率而達到節(jié)能效益;2、它不是水質在進入鍋爐前的提純，而是進入鍋爐后在高溫條件下得到提純，擬解決蒸發(fā)濃縮后鍋水的溶解固形物含量不斷升高的問題，提高鍋水濃縮倍數(shù)；3、它令鍋水中剩余硬度與殘存陰離子配位析出，產生如碳酸合鈣(CaCO,)水渣，阻止了水垢如碳酸鈣(CaC03)的出現(xiàn)并具有除垢(原生水垢)的節(jié)能效果。本發(fā)明的水的性能指標1、常溫條件下，水中170核磁共振半高寬幅變窄(寬幅減少6%12%)。2、在加熱條件下水中析出的CaC03VK渣經X射線分析表明，其晶型是雙晶型(文石+方解石)結構，有別于CaC03水垢晶型(方解石)結構。(見附圖)。3、常溫下，工業(yè)納米水產生微量臭氧(03)含量《0.015mg/L。4、在1個大氣壓且加熱100。C條件下，工業(yè)納米水的蒸發(fā)速率提高》1.5%;沸點降低》1.3%。5、工業(yè)納米水在》400'C條件下循環(huán)流動時引起鍋爐鍋水管內壓強下降，下降率3%13%。6、工業(yè)納米水在》400°C條件下循環(huán)流動時能自然清除鍋爐過水管及蒸汽管內的積垢，且除垢率》60%/8周52周。7、工業(yè)納米水在120《°C《400的條件下令工業(yè)鍋爐的鍋內水質中67%97%的雜質離子(陰、陽離子)呈現(xiàn)水渣，且水渣疏松、無粘性，在受熱面積聚厚度《0.5mm/年，可自然在排污中或高速水流下清除。本發(fā)明的水的應用指標-1、工業(yè)納米水在低壓鍋爐中的水質指標(注表中軟化水及除鹽水數(shù)據(jù)是根據(jù)工業(yè)鍋爐水質《GB/T1576-2007標準》制定)<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>2、工業(yè)納米水在中壓工業(yè)鍋爐中的水質指標(注表中軟化水及除鹽水數(shù)據(jù)是根<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>本發(fā)明的水的應用1、適用于高壓鍋爐汽一水循環(huán)系統(tǒng)使用。由于水質的蒸發(fā)速率的提高，沸點及表面張力的降低等物理特性的變化，在鍋爐汽一水循環(huán)系統(tǒng)相同條件下因鍋管內流速增快、壓強降低(鍋爐給水泵出口壓力降低)而提高鍋爐熱效率達到節(jié)能效果。2、適用于中、低壓鍋爐的水處理系統(tǒng)使用，在傳統(tǒng)鍋爐水處理工藝的基礎上更進一步提升鍋爐給水的品質。由于水中的剩余硬度和殘存的各種陰離子配位后生成的晶核在高溫條件下易于從鍋水中析出，結晶成單分散性的水渣，所以水中的溶解固形物含量降低，提高水質在鍋內的純度，不但減少蒸發(fā)濃縮后鍋水的排放，并減少熱量排走而節(jié)能，同時還提高蒸汽的品質。應用實施例12006年9月本發(fā)明在山西省侯馬市侯馬電廠晉田公司1#鍋爐試用，該鍋爐是采用循環(huán)硫化床燃燒技術的高壓參數(shù)(9.8Mpa、540°C)設計，與50MW等級汽輪發(fā)電機組相匹配的220t/h循環(huán)流化床(CFB)鍋爐，處理器設備位于汽機側的給水系統(tǒng)上，在高壓加熱器前除氧器后，運行中介質工作參數(shù)壓力為0.550.56Mpa，溫度為160'C左右，水質為除鹽水經膜處理后的工業(yè)純水。設備在試用期間運行平穩(wěn)無雜音、無振動、進出水壓差穩(wěn)定(過流管損0.010.014Mpa);容易控制鍋水的pH值，安裝前每班加藥(NaOH)2小時來控制pH值，安裝后其加藥量減少50%70%。由于鍋水的電導率、Na+離子含量分別降低27X、25%，導致鍋水連排水量減少80%90%(見表l)。220T/h鍋爐使用工業(yè)納米水前后運行二個月內的平均數(shù)據(jù)(表1)<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>經山西省電科院檢測證明，設備運行2個月后，鍋爐給水泵出口壓力平均降低l.OMpa,鍋爐效率比安裝前提高約3%,發(fā)電機組每度電煤耗節(jié)省1012克/度，取其鍋爐壁管由西安熱工院檢測該水管未發(fā)現(xiàn)有氫腐蝕現(xiàn)象，管內垢層比安裝前減少。(見表2)管樣內壁垢量測試結果(表2)<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>應用實施例22005年10月本發(fā)明應用在馬來西亞吉隆坡肉聯(lián)廠1#4噸鍋爐上，根據(jù)用戶對二臺相同(一臺應用，另」臺未應用)鍋爐運行二個月過程中的鍋水(工業(yè)軟化水《0.03mmol/L硬度)指標監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在鍋爐操作相同條件下，其中鍋水的溶解固形物含量比未應用的降低50%，數(shù)據(jù)表明，如控制溶解固形物含量一致才排污，則鍋水排放量減少50%以上(即鍋水濃縮倍數(shù)提高100%)。各數(shù)據(jù)見圖5至10，曲線中A線表示未應用本發(fā)明的鍋爐運行水質數(shù)據(jù)；B線表示應用了本發(fā)明的鍋爐運行水質數(shù)據(jù)。權利要求1、一種工業(yè)納米水，其特征是該水的水結構組成同時包括小水分子團簇(H2O)n(n＝4～8)和陰離子和陽離子，且陰離子和陽離子以陰陽配位的形式結成離子對晶核，離子對晶核的尺度大于或等于0.5nm，小于或等于15nm；離子對晶核占水中雜質離子總量的67％～97％；所述的離子對晶核加熱后的結晶體為晶型呈雙晶型的水渣，其中文石晶體占45％-65％，其余為方解石晶體。2、根據(jù)權利要求1所述的工業(yè)納米水，其特征是所述的小水分子團簇(H20)n(n=6)，所述的陰離子和陽離子離子對晶核的尺度大于或等于0.8咖，小于或等于12nm;配位離子對晶核占水中雜質離子總量的85%90%。3、如權利要求1或2所述的工業(yè)納米水的用途為工業(yè)蒸汽鍋爐用水。4、如權利要求1或2所述的工業(yè)納米水的用途為電廠高壓蒸汽鍋爐汽——水循環(huán)系統(tǒng)用水。全文摘要一種工業(yè)納米水，該水的水結構組成同時包括小水分子團簇(H₂O)n(n＝4～8)和陰離子和陽離子，且陰離子和陽離子以陰陽配位的形式結成離子對晶核，離子對晶核的尺度大于或等于0.5nm，小于或等于15nm；配位離子對晶核占水中雜質離子總量的67％～97％；所述的離子對晶核加熱后的結晶體為晶型呈雙晶型的水渣，其中文石晶體占45％-65％，其余為方解石晶體。工業(yè)納米水注入鍋爐中可解決鍋水在蒸發(fā)濃縮過程中產生的水質超標問題，以及剩余硬度結垢與腐蝕問題，且能提升蒸發(fā)速率、降低能耗，即能使鍋爐達到節(jié)約能源與減少鍋水排放之目的。文檔編號C01B5/00GK101284648SQ20071003111公開日2008年10月15日申請日期2007年10月29日優(yōu)先權日2007年10月29日發(fā)明者梁曉嗚,梁玉婷申請人:廣州市中南泵業(yè)有限公司