专利名称：：一种工业纳米水及其用途的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种工业蒸汽锅炉使用的水，尤其涉及一种因水的物理性质被改变而达到锅炉节能减排的带有纳米尺度下人工新合成物质的工业纳米水。
背景技术：
：目前，在锅炉给水系统中，水垢传热系数仅为金属几十分之一，大大地削弱了锅炉传热，使热效率大幅度地降低；水垢还能引起垢下腐蚀；结垢是一个常见而耗资的问题，全球每年用于街的清洗和结垢引起的热损失的消耗方面的资金达百亿美元。公知的锅炉水处理技术是通过离子树脂交换法将水中的硬度盐离子即阳离子(如Ca2+、Mg2+、Na+等)置换清除，以生产出合格的软化水，再将水中的阴离子(如C032—、so42—、cr等)除掉，以生产出合格的除盐水；还通过膜过滤工艺来生产出无硬度低电导率的工业纯水。因此，传统的锅炉化学水处理工艺生产的软化水、除盐水或工业纯水都是为了将进入锅炉前的水质中的杂质离子(阴、阳离子)去除，以达到国家规定的锅炉给水水质标准(如工业锅炉水质《GB/T1576-2007标准》)。但是，实际上水中杂质离子通过化学水处理工艺(阴床、阳床及混床等)是不可能完全清除干净，如软化水、除盐水中还允许硬度《0.03mmol/L，高压锅炉用水还存在Na+、Si02和微量的电导率。在高温蒸发浓縮的条件下，那些剩余硬度、残存阴离子令溶解固形物(TotalDissolvedSolids，TDS)含量不断升高，不但降低了锅水的浓縮倍数而耗能，并且给锅炉带来结垢与腐蚀的隐患，影响蒸汽品质。为了解决传统的锅炉化学水处理工艺问题，产生了锅内化学加药法来调整锅水指标(如pH值)，采用排污法来控制锅水指标(如TDS值，总碱度等)，结垢严重时还需停炉采用酸洗或碱煮工艺来清洗锅炉。由此带来了一系列的副作用，如化学药剂易产生锅内汽-水共腾现象，影响蒸汽质量，并随锅水排放污染环境及增加能耗；化学清洗工艺控制不当易使锅管出现氢腐蚀的裂纹，锅筒因酸性腐蚀造成金属苛性化，减少锅炉的使用寿命，还因停炉操作而耗工、耗时、耗能。因此，如何保证锅炉给水的水质指标和如何解决蒸发浓缩后锅水的水质指标稳定，是锅炉水处理行业乃至锅炉行业十分关注的问题。自然界中的液态水总是以由单个水分子(氢一氧键角104度58分，结构尺度0.2nm)组成水分子团簇的形式存在。而水分子团簇的大小则随不同地域的温度、水质而有别，通常天然水的水分子团簇由(H20)n(n=1315)组成。通过数十年的努力，科学界发现通过外加能量的方法(磁场法、电场法、辐射法、声波法、顺磁共振法、核磁共振法及加热法)，可以将水分子团簇结构中氢键断开或令氢键夹角变异而获得水分子数目变小的水分子团簇。通过实践发现团簇小的水的物化性质(溶解力、渗透力、蒸发速率等均有增强)明显有别于大水分子团簇的水的物化性质。水分子团簇变小后氢键作用力减弱，使得水分子容易从液体中逸出，蒸发速率明显加快。根据水分子的氢键强度及自由能的大小计算，一种环状六水分子团簇(H20)n(n=6)具有最稳定的结构特征。实践表明水分子团簇过小(H20)n(n=23)的水质不利于在工业锅炉中应用，因为水分子团簇过小自然分离出过多的单水分子，带来的单线态氧和溶解氧易产生过量的臭氧03，对锅炉金属易造成氧腐蚀，如果出现氢原子为单一的裸露质子，对锅炉金属易造成氢腐蚀的裂纹。所以，控制裂变后水分子团簇大小成了技术的关键。另一方面，自然界的水(江河水、地下水等天然水)中的杂质离子(各种阴离子与阳离子)多数以单个离子的形式溶解于水中，并嵌在水分子团簇的架构之中以自由态的形式存在。各种离子均能以配位体的形式参与形成水中配合物的竞争。结成配合物的离子具有双重性质，第一，它们仍然是属于溶于水中的溶质，计算在溶解度内；第二由于它们已经是整个配合物的一个部份，已不再是自由离子，它们不再象那些仍然未结成配合物的离子，具有可以自由地参加有关反应的性质。当不同温度下与杂质离子结合的水分子团簇(结构水)的分子数目发生变化时，水中的阴离子和阳离子的物化性质也随之发生变化。如水中未配位的自由钙离子约97%，已配位的不自由钙离子约3%,在高温浓縮条件下(加热法可改变水分子团簇的大小，即团簇架构分散重组)，自由钙离子都会与阴离子(CO/.及S042—等)因电位相异而相吸，当Ca2+与C032—的浓度乘积》Ksp值时结合成碳酸钙(CaC03)水垢，分子结构为方解石单晶型，另3%已配位的不自由钙离子只会长晶成碳酸合钙(CaC03Q)水渣，其分子结构为文石+方解石双晶型。在相同温度下，外加能量的方法能改变水分子团簇结构的变化，令团簇架构分散变小，自由态的阴离子和阳离子从分散的团簇架构中逸出，参与形成水中配合物的竞争。不同的外加能量的方法使这些自由离子具有不同的结构排列重组的倾向。采用单一能量法(磁场法、电场法等)使自由离子在能量场极性的吸引下，按极性(阴、阳)分开，排列有序，不参与形成水中配合物的组成；采用复合能量法(顺磁共振场的能量协同效应)使自由离子在水分子团簇分裂的共振运动中出现单个阴离子与单个阳离子配对结合，以配位离子对为结合体的方式参与形成了水中配合物。如水中钙离子在复合能量的作用下最有利于形成不自由的六水钙配位离子Ca(H20)62+,同时释放出630KJ/mol能量。六水钙配位离子的直径为0.516nm，这与笼式结构(水中形成十二面体结构的气体水合物(20个水分子组成的十二面体)中一个孔穴的直径(0.52nm)具有很好的适应性，导致形成巨大的介稳定配位离子(不自由离子)，这种不自由水合钙离子在水分子共振碰撞运动过程中与碳酸根离子(CO,)、硫酸根离子(S042—)配位成不自由的离子对(碳酸合钙CaCO,、硫酸合钙CaSCV等)。配位离子对是一种溶于水中的配合物，一种纳米尺度下的晶核(人工合成的新物质)，在锅炉高温浓缩条件下，晶核具有如下特征'1、97%的晶核不再是自由离子，不能再参与有关反应(如受热后离子的电位相吸)，只能从液体中析出，长晶成具有单分散性的双晶型水渣。2、晶核间不具亲和力的作用。故不易附着在金属表面紧密积聚，而形成无粘性的粉末状水渣沉淀锅底，在排污时清除，具有明显的阻垢效果。3、晶核是在共振力的作用下形成，故配位后晶核的能级较单分散的自由离子能级高，水渗透力、溶解力增强。可使锅内已结的水垢疏松、断裂脱落，所以在锅炉运行中能自然除垢，无需投药或酸洗。实践证明水在外力的共振作用下能引起水分子内发生共振运动，水分子结构排列的变化令水分子团簇架构分裂，团簇分散变小。在锅炉高温浓縮条件下有如下特征1、水的某些物理性质发生改变，如蒸发速率的提高，沸点、表面张力的降低，在锅炉汽一水系统相同条件下因锅管内流速增快、压强降低而提高传热效率达到节能效果。2、激活了水分子团簇内杂质离子的配位形式。剩余硬度或残存的各种阴、阳离子被配位成一些新形态的水合物质——配位离子对，它是一种水合物，一种晶核(如碳酸合钙CaCO,、硫酸合钙CaSO/等)，在高温条件下晶核易于从水中析出，结晶成单分散性的水渣。所以水中的溶解固形物含量降低，提高了锅内水质纯度。不但能减少排污量，并能减少因此而造成的热量流失，因减少热量排走而节能，同时还提高蒸汽的品质。3、CaCO^水渣的生成必然减少水垢CaC03的出现，水渣在受热面上龟裂自脱落成细微的沉淀物，不但有效阻止了水垢的结块，而且能将原生水垢自然清除(确保向锅外排垢)，因此，这种水质明显地产生了阻垢除垢的节能效果。
发明内容本发明的目的，就是提供一种可用于锅炉的工业纳米水，其结垢少无腐蚀，可生产高品质蒸汽，且能提升蒸发速率、降低能耗，减少锅水排放。为实现上述发明目的，本发明的工业纳米水，其特征是该水的水结构组成同时包括小水分子团簇(H20)n(n=48)和阴离子和阳离子，且阴离子和阳离子以阴阳配位的形式结成离子对晶核，离子对晶核的尺度大于或等于0.5nm，小于或等于15nm;配位离子对晶核占阴离子和阳离子总量的67%97%;所述的离子对晶核加热后的结晶体为晶型呈双晶型的水渣，其中文石晶体占45%-65%，其余为方解石晶体。所述的水分子团簇大小可采用检测水中170核磁共振半高宽幅(NMR)值来评价，nO—NMR值变小则表示水分子团簇变小，所述的离子对晶核尺度也变小。所述的双晶型可通过X射线法检测，所述的文石晶体占45%-65%，也可通过X射线法检测。上述工业用纳米水的用途是作为锅炉蒸汽用水。工业纳米水注入锅炉中可解决锅水在蒸发浓縮过程中产生的水质超标问题，以及剩余硬度结垢与腐蚀问题。另这种工业纳米水能提升蒸发速率、降低能耗，即能使锅炉达到节约能源与减少锅水排放之目的。本发明的水包含两种物质在纳米尺度下变化的概念水分子团簇变化及阴离子和阳离子在水分子团簇结构中存在形式的变化。有益效果本发明的工业纳米水，经检测水的表面张力降低大于或等于5*l(r3N.m—1，水中的离子对晶核的能量提高，穿透力增强，用于锅炉中，经实践证明在高温条件下工业纳米水不但升压快且蒸发得更快，直接节约能源，还迈水中的阴离子和阳离子的结构变化使水具有自身阻垢、除垢的功能，减少高温锅水的排放而节约能源。下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。图1是方解石单晶型CaC03水垢的金相图；图2是文石+方解石双晶型CaCO,水渣的金相图3是未经处理的水在锅内高温下形成水垢CaC03晶型经X射线衍射测试为单一晶型方解石的图谱；图4是本发明的水在锅内高温下形成水渣使CaC03晶型转变为文石+方解石(双晶型)的图谱；图5是应用实施例2用户对二台相同其中一台应用本发明的锅炉运行二个月内的pH值对比曲线图，pH值在化学水处理与活水器处理之间的比较(ComparisonofPHBetweenChemicalandACTIVIATreatment);图6是应用实施例2的氯根浓度对比曲线图，氯化物在化学水处理与活水器处理之间的比较(ComparisonofChlorideBetweenChemicalandACTIVIATreatment);图7是应用实施例2的溶解固形物对比曲线图，溶解固形物在化学水处理与活水器处理之间的比较(ComparisonofTotalDissolvedSolid(TDS)BetweenChemicalTreatment);图8是应用实施例2的总碱度对比曲线图，苛性碱度在化学水处理与活水器处理之间的比较(ComparisonCausticAlkalinityBetweenChemicalandACTIVIATreatment);图9是应用实施例2的硫酸根浓度对比曲线图，亚硫酸盐在化学水处理与活水器处理之间的比较(ComparisonofSulphiteBetweenChemicalandACTIVIATreatment);图10是应用实施例2的磷酸根浓度对比曲线图，磷酸盐在化学水处理与活水器处理之间的比较(ComparisonofPhosphateBetweenChemicalandACTIVIATreatment)。具体实施方式实施例将符合锅炉水处理水质标准即水质硬度《0.03mmol/L的软化水、除盐水或工业纯水流经具有能量协同效应的顺磁共振场系统即可获得本发明的工业纳米水。顺磁共振场系统的作用机理是采用永久磁场射线、自发式电子流、粒子流、光子流共激发RF-BCC纳米材料；同时激发源能量也直接作用于水杂离子(原子序数在25以下的物质)产生"能量"的协同效应。因此，顺磁共振场具有复合"能量"协同效应的共振作用引发水分子内"共振"运动，影响氢键网络的重排机理，实现水分子团簇结构的改变，正是共振现象(共振力)才可能克服活化势垒，产生核电荷从亚稳态一~^稳态跃迁的运动形态，从而在离子水合过程(近程水合)中激活了另一种具有化学性质的配位形式(结合力)，健位变异的阴离子与Ca2+、Mg^等水合离子配位成"不自由"的离子对。所获得的水的水结构组成同时包括小水分子团簇(H20)n(n=48)和阴离子和阳离子，且阴离子和阳离子以阴阳配位的形式结成离子对晶核，离子对晶核的尺度大于或等于0.5咖，小于或等于15nm;配位离子对晶核占水中杂质离子总量的67%97%;所述的离子对晶核加热后的结晶体为晶型呈双晶型的水渣，其中文石晶体占45%-65%，其余为方解石晶体。水分子团簇大小可采用检测水中170核磁共振半高宽幅(NMR)值来评价，170一NMR值比起原来的软化水、除盐水或工业纯水变小，则表示水分子团簇变小，离子对晶核尺度也变小。双晶型可通过X射线法检测，所述的文石晶体占45%-65%，也可通过X射线法检测。处理后的水有如下变化-1、水中nO核磁共振半高宽幅度变窄(宽幅减少6%-12%)。170核磁共振半高宽幅的大小是目前国际上评价水分子团簇大小的检测方法之一。2、在加热10(TC的条件下，水的蒸发速率提高4.6%，沸点降低0.4"。3、在加热IO(TC的条件下，水中CaC03G晶核析出结晶为水渣，水渣呈微细疏松状，在受热面上的水渣厚度少于0.5mm时自然脱落(原水硬度小于1.0mmol/L)。本发明的水具有如下作用1、通过改变水质的物理特性(如蒸发速率、沸点、表面张力、渗透力等)来提高锅炉传热效率而达到节能效益;2、它不是水质在进入锅炉前的提纯，而是进入锅炉后在高温条件下得到提纯，拟解决蒸发浓縮后锅水的溶解固形物含量不断升高的问题，提高锅水浓縮倍数；3、它令锅水中剩余硬度与残存阴离子配位析出，产生如碳酸合钙(CaCO,)水渣，阻止了水垢如碳酸钙(CaC03)的出现并具有除垢(原生水垢)的节能效果。本发明的水的性能指标1、常温条件下，水中170核磁共振半高宽幅变窄(宽幅减少6%12%)。2、在加热条件下水中析出的CaC03VK渣经X射线分析表明，其晶型是双晶型(文石+方解石)结构，有别于CaC03水垢晶型(方解石)结构。(见附图)。3、常温下，工业纳米水产生微量臭氧(03)含量《0.015mg/L。4、在1个大气压且加热100。C条件下，工业纳米水的蒸发速率提高》1.5%;沸点降低》1.3%。5、工业纳米水在》400'C条件下循环流动时引起锅炉锅水管内压强下降，下降率3%13%。6、工业纳米水在》400°C条件下循环流动时能自然清除锅炉过水管及蒸汽管内的积垢，且除垢率》60%/8周52周。7、工业纳米水在120《°C《400的条件下令工业锅炉的锅内水质中67%97%的杂质离子(阴、阳离子)呈现水渣，且水渣疏松、无粘性，在受热面积聚厚度《0.5mm/年，可自然在排污中或高速水流下清除。本发明的水的应用指标-1、工业纳米水在低压锅炉中的水质指标(注表中软化水及除盐水数据是根据工业锅炉水质《GB/T1576-2007标准》制定)<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>2、工业纳米水在中压工业锅炉中的水质指标(注表中软化水及除盐水数据是根<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>本发明的水的应用1、适用于高压锅炉汽一水循环系统使用。由于水质的蒸发速率的提高，沸点及表面张力的降低等物理特性的变化，在锅炉汽一水循环系统相同条件下因锅管内流速增快、压强降低(锅炉给水泵出口压力降低)而提高锅炉热效率达到节能效果。2、适用于中、低压锅炉的水处理系统使用，在传统锅炉水处理工艺的基础上更进一步提升锅炉给水的品质。由于水中的剩余硬度和残存的各种阴离子配位后生成的晶核在高温条件下易于从锅水中析出，结晶成单分散性的水渣，所以水中的溶解固形物含量降低，提高水质在锅内的纯度，不但减少蒸发浓縮后锅水的排放，并减少热量排走而节能，同时还提高蒸汽的品质。应用实施例12006年9月本发明在山西省侯马市侯马电厂晋田公司1#锅炉试用，该锅炉是采用循环硫化床燃烧技术的高压参数(9.8Mpa、540°C)设计，与50MW等级汽轮发电机组相匹配的220t/h循环流化床(CFB)锅炉，处理器设备位于汽机侧的给水系统上，在高压加热器前除氧器后，运行中介质工作参数压力为0.550.56Mpa，温度为160'C左右，水质为除盐水经膜处理后的工业纯水。设备在试用期间运行平稳无杂音、无振动、进出水压差稳定(过流管损0.010.014Mpa);容易控制锅水的pH值，安装前每班加药(NaOH)2小时来控制pH值，安装后其加药量减少50%70%。由于锅水的电导率、Na+离子含量分别降低27X、25%，导致锅水连排水量减少80%90%(见表l)。220T/h锅炉使用工业纳米水前后运行二个月内的平均数据(表1)<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>经山西省电科院检测证明，设备运行2个月后，锅炉给水泵出口压力平均降低l.OMpa,锅炉效率比安装前提高约3%,发电机组每度电煤耗节省1012克/度，取其锅炉壁管由西安热工院检测该水管未发现有氢腐蚀现象，管内垢层比安装前减少。(见表2)管样内壁垢量测试结果(表2)<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>应用实施例22005年10月本发明应用在马来西亚吉隆坡肉联厂1#4吨锅炉上，根据用户对二台相同(一台应用，另」台未应用)锅炉运行二个月过程中的锅水(工业软化水《0.03mmol/L硬度)指标监测发现，在锅炉操作相同条件下，其中锅水的溶解固形物含量比未应用的降低50%，数据表明，如控制溶解固形物含量一致才排污，则锅水排放量减少50%以上(即锅水浓縮倍数提高100%)。各数据见图5至10，曲线中A线表示未应用本发明的锅炉运行水质数据；B线表示应用了本发明的锅炉运行水质数据。权利要求1、一种工业纳米水，其特征是该水的水结构组成同时包括小水分子团簇(H2O)n(n＝4～8)和阴离子和阳离子，且阴离子和阳离子以阴阳配位的形式结成离子对晶核，离子对晶核的尺度大于或等于0.5nm，小于或等于15nm；离子对晶核占水中杂质离子总量的67％～97％；所述的离子对晶核加热后的结晶体为晶型呈双晶型的水渣，其中文石晶体占45％-65％，其余为方解石晶体。2、根据权利要求1所述的工业纳米水，其特征是所述的小水分子团簇(H20)n(n=6)，所述的阴离子和阳离子离子对晶核的尺度大于或等于0.8咖，小于或等于12nm;配位离子对晶核占水中杂质离子总量的85%90%。3、如权利要求1或2所述的工业纳米水的用途为工业蒸汽锅炉用水。4、如权利要求1或2所述的工业纳米水的用途为电厂高压蒸汽锅炉汽——水循环系统用水。全文摘要一种工业纳米水，该水的水结构组成同时包括小水分子团簇(H<sub>2</sub>O)n(n＝4～8)和阴离子和阳离子，且阴离子和阳离子以阴阳配位的形式结成离子对晶核，离子对晶核的尺度大于或等于0.5nm，小于或等于15nm；配位离子对晶核占水中杂质离子总量的67％～97％；所述的离子对晶核加热后的结晶体为晶型呈双晶型的水渣，其中文石晶体占45％-65％，其余为方解石晶体。工业纳米水注入锅炉中可解决锅水在蒸发浓缩过程中产生的水质超标问题，以及剩余硬度结垢与腐蚀问题，且能提升蒸发速率、降低能耗，即能使锅炉达到节约能源与减少锅水排放之目的。文档编号C01B5/00GK101284648SQ20071003111公开日2008年10月15日申请日期2007年10月29日优先权日2007年10月29日发明者梁晓呜,梁玉婷申请人:广州市中南泵业有限公司