工業鍋爐給水除氧途徑分析與技術應用

在鍋爐給水處理工藝過程中，除氧是一個非常關鍵的一個環節。氧是給水系統和鍋爐的主要腐蝕性物質，給水中的氧應當迅速得到清除，否則它會腐蝕鍋爐的給水系統和部件，，腐蝕產物氧化鐵會進入鍋內，沉積或附著在鍋爐管壁和受熱面上，形成難容而傳熱不良的鐵垢，而且腐蝕會造成管道內壁出現點坑，阻力系數增大。管道腐蝕嚴重時，甚至會發生管道爆炸事故。國家規定蒸發量大于等于2噸每小時的蒸汽鍋爐和水溫大于等于95℃的熱水鍋爐都必需除氧。多年來眾多鍋爐給水處理工作者一直都在探求既高效又經濟的除氧方法。本文介紹鍋爐給水幾種主要除氧的主要方法，并結合近幾年在這些方法基礎上作的調整和改進，對這幾種方法作分析和總結，供鍋爐給水處理工作者參考。
　　1 除氧途徑的分析
　　1.1 物理方法　　 根據亨利定律可知，任何氣體同時存在于水面上，則氣體的溶解度與其自己的分壓力成正比，而且氣體的溶解度僅與其本身的分壓力有關。在一定壓力下，隨著水溫升高，水蒸汽的分壓力增大，而空氣和氧氣的分壓力越來越小。在 100℃時，氧氣的分壓力降低到零，水中的溶解氧也降低到零。當水面上壓力小于大氣壓力時，氧氣的溶解度在較低水溫時也可達到零。這樣，隨著水溫的升高，減小其中氧的溶解度，就可使水中氧氣逸出。另外，水面上空間氧氣分子被排出，或轉變成其它氣體，從而氧的分壓力為零，水中氧氣就不斷地逸出。采用物理方法除氧，是利用物理的方法將水中的氧氣析出，常用的有熱力除氧法、真空除氧法和解析除氧法等。
　　1.2 化學方法　　采用化學方法除氧 ，主要是利用化學反應來除去水中含有的氧氣， 使水中的溶解氧在進入鍋爐前就轉變成穩定的金屬或其它藥劑的化合物，從而將其消除，常用的有藥劑除氧法和鋼屑除氧法等。
　　1.3 電化學方法　　鍋爐給水除氧 ，除可以采用化學方法和物理方法之外，還可以采用電化學方法。電化學除氧，是應用電化學保護的原理，使一種易氧化的金屬發生電化學腐蝕，讓水中的氧被消耗掉而去除。此法與上述除氧方法比較，設備簡單，操作使用方便，運行費用低，可廣泛應用于低壓鍋爐及熱水鍋爐的給水除氧。但是電化學除氧法目前雖然尚無成熟的經驗，但根據試制使用的情況看，其經濟實用性比較明顯。
　　2 除氧方法的比較和分析
　　2.1 熱力除氧　　 熱力除氧一般有大氣式熱力除氧和噴射式熱力除氧。其原理是將鍋爐給水加熱至沸點，使氧的溶解度減小，水中氧不斷逸出，再將水面上產生的氧氣連同水蒸汽一道排除，還能除掉水中各種氣體（包括游離態CO2，N2），如用銨鈉離子交換法處理過的水，加熱后3也能除去。除氧后的水不會增加含鹽量，也不會增加其他氣體溶解量， 操作控制相對容易，而且運行穩定，可靠，是目前應用最多的一種除氧方法。 　　 為了保證熱力除氧器具有可靠的效果，在設計和運行中應滿足足下列條件 :a .增加水與蒸汽的接觸面積，水流分配要均勻。b .保證氧氣在水中的溶解壓力與水面上它的分壓力之間有壓力差。c.保證使水被加熱到除氧器工作壓力下的沸騰溫度，一般采用 104℃。 　　 熱力除氧技術是一種普遍采用的成熟技術，但在實際應用中還存在著一些問題 : 首先經熱力除氧以后的軟水水溫較高，容易達到鍋爐給水泵的汽化溫度，致使給水在輸送過程中容易被汽化；而且當熱負荷變動頻繁，管理跟不上，除氧水溫 <104℃時，使除氧效果不好。其次，這種除氧方法要求設備高位布置，增加了基建投資，設計、安裝、操作都不方便。，為了達到給水泵中軟化水汽化的目的，這種除氧方法一般要求除氧器高位配置，在使用過程中會產生很大的噪音和震動，帶來不便。第三，使得鍋爐房自耗汽量增大，減少了有效外供汽。第四，對與小型快裝鍋爐和要求低溫除氧的場合，熱力除氧有一定的局限性，對于純熱水鍋爐房也不能采用。 　　 對于采取熱力除氧的鍋爐，在裝新鍋爐時，將大氣熱力除氣器裝在地面，而將除氧后的高溫軟化水輸送管道經過軟水箱，使其與軟水箱中的水進行熱交換，而后流至鍋爐給水泵，經省煤器進入鍋爐。這樣改進首先可以減少鍋爐房的振動和噪音，改善了鍋爐房的工作環境，還降低了鍋爐房的工程造價。其次，通過在軟水箱中的熱交換，軟水箱中的水溫提高了，熱量沒有浪費，同時也相當于除氧器進水溫度，除氧器將進水加熱到飽和溫度的時間也縮短了，有利于達到預期的除氧效果。
　　2.2 真空除氧　　這是一種中溫除氧技術 ，一般在 30℃～ 60℃溫度下進行。可實現水面低溫狀態下除氧 (在 60℃或常溫 )，對熱力鍋爐和負荷波動大而熱力除氧效果不佳的蒸汽鍋爐，均可用真空除氧而獲得滿意除氧效果。相對于熱力除氧技術來說，它的加熱條件有所改善，鍋爐房自耗汽量減少，但熱力除氧的大部分缺點仍存在，并且真空除氧的高位布置，對運行管理噴射泵、加壓泵等關鍵設備的要求比熱力除氧更高。低位布置也需要一定的高度差，而且對噴射泵、加壓泵等關鍵設備的運行管理要求也很高。另外還增加了換熱設備和循環水箱。　 真空除氧能利用低品位余熱，可用射流加熱器加熱軟化水 ；又能分級及低位安裝，除氧可靠，運行穩定，操作簡單，適用范圍廣。我國節能工作大力開展以來，工業鍋爐房用此法除氧日漸增多。
　　2.3 化學除氧 　　( 1)鋼屑除氧，水經過鋼屑過濾器，鋼屑被氧化，而水中的溶解氧被除去。有獨立式和附設式兩種。此法水溫要求大于 70%，以 80～ 9 0℃溫度效果最好。溫度 20～ 30℃除氧效果最差。使用鋼屑要求壓緊，越緊越好，水中含氧量越大，要求流速降低，因為鋼屑除氧自應用以來改進和提高不大，除氧效果也不太可靠，一般用在對給水品質要求不高的小型鍋爐房，或者作為熱力網補給水，以及高壓鍋爐熱力除氧后的補充除氧，一般僅作輔助措施。 　　( 2)亞硫酸鈉除氧， 這是一種爐內加藥除氧法。因為在給水系統中氧使鍋爐的主要腐蝕性物質，所以要求迅速將氧從給水中去除，一般使用亞硫酸鈉作為除氧劑，2Na2SO3+O2→ 2Na2SO4，通常要求加藥量比理論值大。溫度愈高，反應時間愈短，除氧效果愈好。當爐水pH=6時，效果最好，若pH增加則除氧效果下降。加入銅、鈷、錳、錫等作催化劑，可提高除氧效果。該方法由于亞硫酸鈉價廉故而投資低，安全，操作也較為簡單。但此法加藥量不易控制，除氧效果不可靠，無法保證達標。另外還會增加鍋爐水含鹽量，導致排污量增大、熱量浪費，是不經濟的。因此該方法一般用在小型鍋爐房和一些對水質要求較高的熱力系統中作為輔助除氧方式。 　　( 3)聯氨 (肼 )除氧，目前此法多用作熱力除氧后的輔助措施，以達到徹底清除水中的殘留氧，而不增加爐水的含鹽量。當壓力大于6.3Mpa時，亞硫酸鈉主要分解成腐蝕性很強的二氧化硫和硫化氫，因此對高壓鍋爐，多采用聯氨，聯氨與氧反應生成氮和水，有利于阻礙腐蝕的進一步發展。因聯氨有毒，容易揮發，不能用于飲用水鍋爐和生活用水鍋爐除氧。許多鍋爐廠正限制或不再使用。
　　2.4 解析除氧　　解析除氧時近年來興起的一種比較先進的技術，其工作原理解是將不含氧的氣體與要除氧的給水強烈混合接觸 ， 使融解在水中的氧解析至氣體中去，如此循環而使給水達到脫氧的目的。 　　解吸除氧有以下特點：1.待除氧水不需要預熱處理，因此不增加鍋爐房自耗汽；2.解吸除氧設備占地少，金屬耗量小，從而減少基建投資；3.除氧效果好。在正常情況下，除氧后的殘余含氧量可降到0.05mg/L；4.解吸除氧的缺點是裝置調整復雜，管道系統及除氧水箱應密封。 現在的解析除氧方法一般采用新型解析除氧器，用加熱器代替了原來的鍋爐煙氣加熱，并采用活性炭加催化劑作為還原劑，從而大大減少設備占地面積，在解析內部增加隔板控制水流，并加小孔和孔管，使水中的含氧氣體充分逸出，達到很好的除氧效果。解吸除氧設備小，制造容易，耗鋼材，投資低，操作方便，運行可靠，不用化學藥品， 減少了環境污染，可在低溫下除氧，除氧效果好。目前國內在熱水鍋爐和單層布置的工業鍋爐內已廣泛應用。其缺點是只能除去水中氧氣而不能除去其他不凝氣體，水中二氧化碳含量有所增加；水箱水面不能密封，有時使除氧后的水與空氣接觸從而影響除氧效果。 　　 早在20世紀60年代，國內外許多鍋爐房曾廣泛地采用了此種技術，但由于當時的反應器是設置在煙道里，不能適應熱負荷的變化。因此，該技術的使用一度受到限制。到20世紀90年代，研制出了一種集中設置電加熱反應器的第二代解吸除氧器，使這項技術又有了長足的發展。特別是清華大學和機電部設計研究院等單位研制的新型解吸除氧器，克服了原來的不足和缺點，將加熱爐與反應器分開，加熱爐加熱從解吸除氧器出來的氣體，加熱后的氣體經反應器時脫氧，使待脫氧水中的含氧氣體能充分解吸出來，保證了運行的可靠性和除氧效果。且體積和耗電量都比原來設備小。采用新型解吸式系統，省去了除氧水箱，解決了原先水箱的密封問題。多家鍋爐房運行證明，解吸除氧器操作簡單，投資低，運行可靠，效果較好。但同時存在著影響除氧因素較多，只能除氧氣，不能除其它氣體的問題。
　　2.5 樹脂除氧　　當水通過樹脂層后 ，把水的溶解氧由零價還原成負二價，形成氧化物 (氧化銅 )，樹脂失效后可用肼還原，Cu2+ 被樹脂上的交換基因吸收。使用中應注意出水中含有微量肼，不能做生活飲用水。除氧水箱應與空氣隔絕，同時要設兩個除氧罐，才能保證連續供應脫氧水。由電子工業部十二研究所研制的Y-12型氧化還原樹脂除氧器系列專利產品，在清華大學、北京第三機床廠熱水鍋爐中應用，獲得給水殘余氧 0.06～0.02 mg/L的優良除氧效果。目前已在小型熱水鍋爐中推廣使用。 　　使用該法除氧產生的蒸汽和熱水，均不允許與飲用水和食物接觸，且投資和占地均較大，一般不宜在工業鍋爐上推廣應用。
　　3后語　　鍋爐給水除氧方式多種多樣，要想高效經濟、穩定安全運行，必須結合爐型和實際情況 ，根據鍋爐的熱力參數、水質、噸位、負荷變化、經濟條件等情況綜合考慮，因地制宜選用。　　對于給水除氧技術，要時刻關注新技術、新材料、新成果 ，勇于探索和改進創新，尋求除氧效果好，運行可靠，管理簡單，且所需投資少的方法 。