除氧器工作原理

[摘要] 除氧器的作用是除去溶于水的含氧,避免锅炉、汽轮机组各系统的金属部件在高温下发生过度的氧化腐

蚀。电厂早期使用淋水盘式除氧器,它对进水温度和负荷要求苛刻,其除氧效果较差,淋水盘的小孔易堵塞。后使用

喷雾填料式除氧器,其除氧效果比淋水盘式除氧器好,但只能除去水中溶解氧的80 %～90 %。新研制的旋膜式除氧

器,进一步强化了传热、传动、传质过程,旋膜式结构保证了“三传”过程的顺利实施,除氧效果较好。

[关键词] 除氧器除氧效果传热传动传质

除氧器功能是:为降低锅炉水中的含氧量,使之达到要求,以保证锅炉、汽轮机组和整个系统的金属部件在高温下不发生过度的氧化腐蚀。国内电厂早期采用淋水盘式除氧器,它对进水温度和负荷要求苛刻,适应能力较差,且淋水盘的小孔易被堵塞。后来很多电厂改用喷雾填料式除氧器。这种除氧器的除氧效果也不理想,溶解氧的合格率一股在65 %左右。于是,后来又研制出泡沸式和旋膜式除氧器,其中,旋膜式除氧器的除氧效果远高于其他型式的除氧器。各类除氧器的除氧效率如表1所示。

1 热除氧原理和条件

目前使用的除氧器均采用热除氧法。除氧原理根据享利定律和道尔顿定律,即在定压下,将水加热至饱和状态。如果液面上气相中凝结气体的分压力小于其平衡压力,气体会在不平衡压差的作用下由水中离析出来。若及时排出不凝结气体,不断破坏其平衡,保持不平衡压差,气体

会不断从水中逸出直至液面上全压力等于水蒸汽压力时,其他气体的分压力趋于0 ,溶于水中的气体全部逸出而除去。因此,热除氧必须具备2 个条件: (1)快速将水加热到相应压力下饱和温度的传热条件; (2)使气体从水中迅速离析并排走的传动、传质条件,2个条件紧密相连。实践表明:条件(1)较易满足;条件(2)是彻底除氧的关键,也是更新除氧器考虑的主要因素。

2 喷雾式除氧器的除氧效果

2. 1 喷雾式除氧器的传热过程

我国目前使用最多的是喷雾式除氧器。在该除氧器中,喷嘴以雾的形式将水喷出,液相雾滴与加热蒸汽接触,因此汽、液相接触面积很大。蒸汽加热雾滴时,属高强度凝结换热,换热系数为1. 3 ×104～1. 5 × 104W/ (m2·℃) ,瞬间可将雾滴加热到饱和温度。此时雾滴中80 %～90 %的溶解气体被离析。

2. 2 喷雾式除氧器内动量与质量的传递

由于雾滴颗粒小、表面张力大,加之气体在雾滴内、外的不平衡压差变小,使雾滴中的剩余气体逸出受阻,不利于深度除氧。为此,所有喷雾式除氧器的下部都加了1层固体填料层、网栅或淋水盘等,使水再分散成极薄的水膜,减小了表面张力,完成深度除氧。但实际效果往往不理想,如珠江电厂4 ×300MW 机组的除氧器,溶解氧的合格率平均

在80 %左右,出水溶氧量波动较大,一般为12～78μg/ L ,长期运行对机组危害很大。在喷雾式除氧器中,由于所喷雾滴很小,表面张力大,只能完成初期除氧的任务。残存在雾滴中的少量气体,因不平衡压差很

小,虽然雾滴在除氧器的容积空间内不停地运动,但气体分子在雾滴中是相对静止的,只能靠分子扩散的方式渐渐逸出,传动、传质效果差,给深度除氧造成困难.据威尔克提出的非电介质在稀溶液中的扩散关系式,其扩散系数DAB与水温的关系如图1 所示。虽然DAB随T的升高而增大,但其绝对值很小,如空气在100 ℃的水中,其DAB为0. 7

×10 - 5cm2/ s。分子扩散通量如(1)式所示:J A = - DABd CAd r(1)

式中J A ———扩散摩尔通量,kmol/ (m2

·s) ;d CA/ d r ———摩尔浓度梯度;CA ———扩散组分的摩尔浓度。由于扩散系数DAB很小,雾滴中空气的浓度梯度d CA/ d r 很小,且越来越小,所以扩散通量小,即通过扩散逸出的气体越来越少。这是影响深度除氧的关键。因此,具有较好的传热效果并不是除净溶

氧的充分条件。

2. 3 喷雾式除氧器的深度除氧层

在喷雾除氧器下部往往加1 层固体填料、网栅或淋水盘作为给水深度除氧的区段,固体填料层可使比表面积(单位体积的表面积)达到

200 m2/ m3左右,有利于进一步除氧。喷雾除氧中的深度除氧层起强化传动、传质作用,被除氧的水流经不规则填料层时,处于紊流状态,液膜表面不断变换更新,使水中的部分气体分子有机会冲破液膜表面张力而逸出,使给水含氧量不超过7μg/ L ,满足超高压机组电厂的除氧

指标。

3 旋膜式除氧器的除氧效果

3. 1 旋膜式除氧器的传热过程

旋膜式除氧器由于结构的特点(见图2) ,除氧效果明显提高。其传热、传质方式与液柱式、雾化式和泡沸式不同。它是将射流、旋转膜和悬挂式泡沸3种传热、传质方式缩化为一体。射流、旋转膜和悬挂式泡沸3种传热、传质方式源于喷射、降膜和泡沸传热、传质方式。不同的是将喷射冷凝扩散管取消;仅利用喷嘴的射流改为飞行冷凝,它不仅具有很大吸热功能,而且有很大的解析能力。将自然降膜改造为强力降膜,增加液膜的更新度,造成液膜沿管壁强力旋转卷吸大量蒸汽,增

强传热、传质功能。将相向泡沸改为悬挂式泡沸,提高层中蒸汽流速高时泛点(飞溅) ,并能保持汽(气)体通道,将独立的3 种传热、传质装置缩化为一体,在1 个单元的部件内完成,具有很高的除氧效率。

3. 2 旋膜式除氧器传动、传热、传质的传递过程旋膜式除氧器的除氧效果、稳定性、负荷适应性都比喷雾式除氧器好,且除氧强度大,体积较小。理论分析和运行效果表明:热除氧过程实际上是传动、传热、传质(以下称“三传”) 3 种过程密切相关的传递过程。如保证了传热条件,传动就是影响传质的主要因素。旋膜除氧器比喷雾和淋水盘式除氧器效率高,主要是其增强了传动、传质的效果。若在旋膜管的中、下部钻有一定数量的切向小孔,部分蒸汽由此喷入,则效果更佳。它能扰动水膜的层流底层,使“三传”递过程进一步强化。从机理看,由于旋膜管能使水形成旋流膜,使流动提前进入紊流状态,水在压力作用下高速旋转向下流动,在垂直于水膜流动方向上面传热、传质主要靠旋涡扰动的混合作用,即紊流扩散。紊流核心的热量与质量传递都很快,越靠近壁面紊流度越小,邻近壁面则基本消失。此时,气体分子主