锅炉给水除氧方法的选择与应用

　2012年8月内蒙古科技与经济A ugust2012　第15期总第265期Inner M o ngo lia Science T echnolo gy&Economy N o.15T o tal N o.265

浅析锅炉给水除氧方法的选择与应用

郭文建

(神华集团准格尔能源有限责任公司黑岱沟实业公司,内蒙古薛家湾　150122)

摘　要:介绍了几种常用的锅炉给水除氧方法,如热力除氧、真空除氧、树脂除氧、解析除氧等。并指出其各自不同的适用范围,为锅炉给水除氧方法的选择提供建设性意见。同时,简述了解析除氧技术的特点及应用,对今后做好锅炉除氧工作具有实用价值。

关键词:锅炉;给水;除氧

中图分类号:T K223.5 文献标识码:A 文章编号:1007—6921(2012)15—0089—02

溶解氧是给水系统和锅炉的主要腐蚀物质,给水中的氧应当迅速得到清除,否则它会腐蚀锅炉的给水系统的部件。腐蚀物——氧化铁会进入锅炉内,沉积或附着在锅炉管壁和受热面上,形成难溶传热不良的铁垢,而且腐蚀会造成管道内壁出现点坑,造成阻力系数增大。管道腐蚀严重时,甚至会发生管道爆炸事故。国家规定:蒸发量≥2t/h的蒸汽锅炉和水温≥95℃的热水锅炉都必须除氧。

1　常用除氧方法的比较和分析

1.1　热力除氧

热力除氧是根据气体溶解定律(也就是亨利定律)的原理达到除氧目的。由于任何气体在水中的溶解度都与该气体在气水界面上的分压力成正比。在开盖式的除氧器中,只要将水加热至沸点时水界面上的水蒸气压力便可和外界压力相等,而使氧气的分压力趋向于零,氧气就从水中析出。

由于受一些局部条件的限制,不少使用者不能保证热力除氧正常运行。要使水在稍高于大气压力的除氧器中沸腾除氧,还必须使水温达到105℃。通常: 煤矿锅炉的工作气压在0.4M Pa～0.6M Pa左右,蒸汽温度低,难以将水温加热到105℃。因此,就限制了其正常使用; 沸腾的水易造成排烟温度升高,不利于节能和锅炉的安全运行; 热力除氧器对温度、压力以及除氧器的水位要求较高。所以,该方法除氧应用范围受到局限。

1.2　真空除氧

这是一种中温除氧技术,一般在30℃～60℃温度下进行。可实现水面低温状态下除氧(在60℃或常温),对热力锅炉和负荷波动大而热力除氧效果不佳的蒸汽锅炉,均可用真空除氧而获得满意除氧效果。相对于热力除氧技术来说,它的加热条件有所改善,锅炉房自耗汽量减少,但热力除氧的大部分缺点仍存在,并且真空除氧的高位布置,对运行管理喷射泵、加压泵等关键设备的要求比热力除氧更高。低位布置也需要一定的高度差,而且对喷射泵、加压泵等关键设备的运行管理要求也更高。另外,还增加了换热设备和循环水箱。

1.3　海绵铁除氧

海绵铁除氧器是一种除氧装置,含有氧气的水进入除氧器,穿过海绵铁滤料层,这种特制的海绵铁滤料具有巨大的比表面积,可使水中的溶解氧与铁发生彻底的氧化反应,从而把水中的氧去除掉。

常温过滤式除氧属化学除氧,采用专门生产的活性海绵铁(直接还原铁)来去除水中溶解氧,海绵铁主要成分是铁,其疏松多孔的内部结构提供的比表面积是普通铁屑的5万～10万倍,可使水中的氧与铁发生迅速彻底的氧化反应,使溶解氧稳定在0.05m g/L以下,其反应式为:

2Fe2++2H2O+O22F e(OH)2

4Fe(OH)2+2H2O+O24F e(OH)3

反应产物Fe(OH)2、F e(OH)3为不易溶于水的絮状沉淀,当随着水流经其余的海绵铁颗粒时被拦截下来,只要用一定强度的反洗水流就可以冲洗干净(大约5m in)。海绵铁的消耗量很低,根据处理水量与水质的不同,一般3～6个月补充一次即可。

经过除氧后的水中增加了少量的铁离子,一般为0.2mg/L～0.5m g/L,对于热水锅炉来说仍符合国家规定的水质标准,但蒸汽锅炉给水对于Fe2+有严格要求,可以加装除铁装置,去除水中的Fe2+。因不经软化的水易使除氧剂表面发生钝化,使其氧化减慢,从而影响除氧效果,故应先软化再除氧。除氧剂使用一段时间后,应进行反洗。

此法水温要求>70℃,80℃～90℃温度效果最好。温度20℃～30℃除氧效果最差。使用钢屑要求压紧,越紧越好。水中含氧量大时,要求流速降低。因为钢屑除氧自应用以来改进和提高不大,除氧效果不大可靠,一般用在对给水品质要求不高的小型锅炉房,或者作为热力网补给水,以及高压锅炉热力除氧后的补充除氧,一般仅作辅助措施。

1.4　亚硫酸钠除氧

这是一种炉内加药除氧法。因为在给水系统中氧是锅炉的主要腐蚀性物质,所以要求迅速将氧从给水中去除时,一般使用亚硫酸钠作为除氧剂,通常要求加药量比理论值大。温度越高,反应时间越短,除氧效果越好。当炉水pH值等于6时,效果最好;若pH值增加则除氧效果下降。加入铜、钴、锰、锡等做催化剂,可提高除氧效果。该方法由于亚硫酸钠廉价故而投资低、安全,操作也较为简单。但此法加药量不易控制,除氧效果不可靠,无法保证达标。另外,还会增加锅炉水含盐量,导致排污量增大、热量浪费,是不经济的。因此,该方法一般用在小型锅炉房和一些对水质要求较高的热力系统中作为辅助除氧方法。

1.5　树脂除氧

树脂除氧的基本原理是当水通过树脂层后,把水的溶解氧由零价还原成负二价,形成氧化物(氧化铜),树脂失效后可用氨还原,Cu2+被树脂上的交换基因吸收。使用中应注意出水中含有微量氨,不能做

收稿日期:2012-04-23

生活饮用水。除氧水箱应与空气隔绝,同时要设两个除氧罐,才能保证连续供应脱氧水。设备投资比较大,运行成本高。应用范围:适合热水锅炉及小型蒸汽锅炉的补给水除氧。

1.6　解析除氧法

解析除氧法的基本原理是将不含氧的气体与要除氧的给水强烈混合接触,使溶解在水中的氧解析至气体中去,如此循环而使水达到脱氧的目的。

现在的解析除氧方法一般采用新型解析除氧器,用加热器代替了原来的锅炉烟气加热,并采用活性炭加催化剂作为还原剂,从而大大减少设备占地面积,在解析内部增加隔板控制水流,并加小孔和孔管,使水中的含氧气体充分逸出,达到很好的除氧效果。解析除氧设备小,制造容易,耗钢材少,投资低,操作方便,运行可靠,不用化学药品,减少了环境污染,可在低温下除氧,除氧效果好。目前,国内在热水锅炉和单层布置的工业锅炉内已广泛应用。

根据上述6种常用的除氧方法,可结合实际条件,为保证锅炉的安全、经济运行,采取合适的除氧措施。在通常的压力和温度条件下,不适合选择要求高的除氧方法,如热力除氧器、真空除氧器。除此之外,树脂除氧、海绵铁除氧、亚硫酸钠除氧和解析除氧器,运行过程中方法相对简单,而且工作可靠,只是注意其毒性影响,比较适宜选择,尤其是解析除氧法。

2　解析除氧技术的原理及应用

2.1　解析除氧法的原理

解析除氧是基于亨利定律,将无氧的气体与含氧水强烈混合,使溶解在水中的氧析出至无氧气体中去,而使给水达到水质要求。含氧气体在加热反应器内反应成无氧的惰性气体循环使用。根据亨利定律,混合气体中的某一组分在液体中的溶解度C和该气体在气液分界面上的平衡分压P成正比,即C=

K×P

亨利定律Henry's law,物理化学的基本定律之一,是英国的W・亨利在1803年研究气体在液体中的溶解度规律时发现的,可表述为:“在一定温度下,某种气体在溶液中的浓度与液面上该气体的平衡压力成正比”。这一定律对于稀溶液中挥发性溶质也同样有用。

实验表明,只有当气体在液体中的溶解度不很高时该定律才是正确的,此时的气体实际上是稀溶液中的挥发性溶质,气体压力则是溶质的蒸气压。所以亨利定律还可表述为:在一定温度下,稀薄溶液中溶质的蒸气分压与溶液浓度成正比。

一般来说,气体在溶剂中的溶解度很小,所形成的溶液属于稀溶液范围。气体B在溶剂A中溶液的组成无论是由B的摩尔分数x B,质量摩尔浓度bB,浓度cB等表示时,均与气体溶质B的压力近似成正比。用公式表示时亨利定律可以有多种形式。如: PB=Kx,B・x B

PB=Kb,B・bB

PB=Kc,B・cB

式中P B是稀薄溶液中溶质的蒸气分压;x B是溶质的物质的量分数;k为亨利常数,其值与温度、压力以及溶质和溶剂的本性有关。由于亨利定律中溶液组成标度的不同,亨利系数的单位不同,一定温度下同一溶质在同一溶剂中的数值也不一样。上式中的xB、bB(质量摩尔浓度)或cB(物质的量浓度)等表示时k值将随之变化。Kx,Kb,Kc的单位分别为Pa,P a・mo l-1・kg,Pa・mol-1・m3。

只有溶质在气相中和液相中的分子状态相同时,亨利定律才能适用。若溶质分子在溶液中有离解、缔合等,则上式中的x B(或mB、cB等)应是指与气相中分子状态相同的那一部分的含量;在总压力不大时,若多种气体同时溶于同一个液体中,亨利定律可分别适用于其中的任一种气体;一般来说,溶液越稀,亨利定律愈准确,在x B为0时溶质能严格服从定律。

解析除氧有以下特点: 待除氧水不需要预热处理,因此不增加锅炉房自耗汽; 解析除氧设备占地少,金属耗量小,从而减少基建投资; 除氧效果好。在正常情况下,除氧后的残余含氧量可降到0.05m g/L; 早期的解析除氧的缺点是装置调整复杂,管道系统及除氧水箱应密封。

2.2　解析除氧技术的应用

早在20世纪60年代,国内外许多锅炉房曾广泛的采用了此种技术,但由于当时的反应器是设置在烟道里,不能适应热负荷的变化。因此,该技术的使用一度受到限制。至20世纪90年代,研制出了几种设置电加热反应器的第二代解析除氧器,使这项技术又有了长足的发展。特别是清华大学和机电部设计研究院等单位研制的新型解析除氧器,克服了原来的不足和缺点,将加热炉与反应器分开,加热炉加热从解析除氧器出来的气体,加热后的气体经反应器时脱氧,使待脱氧水中的含氧气体能充分解析出来,保证了运行可靠性和除氧效果。且体积和耗电量都比原来设备小。采用新型解析式系统,省去了除氧水箱,解决了原有水箱的密封问题。

经多家锅炉房运行证明,解析除氧器操作简单,投资低,运行可靠,效果好。但同时存在着影响除氧因素较多,只能除氧气,不能除其他气体的问题。另外,解析除氧设备对安装空间高度要求为6.5m以上。

3　解析除氧工艺流程

待处理的水由除氧泵[12]输送至引射器[5],水以一定流速通过引射器[5],形成一定的负压,将无氧气体吸入。水与无氧气体在混合管中充分混合,然后进入解析器[11],水中溶解的氧在解析系统中扩散到无氧气体中。带氧气体自解析器顶部进入气水分离器[6],经气水分离器脱水后进入换热器升温至60℃～80℃左右,进入加热器[1],然后进入反应器[2],与反应器中的还原剂反应后重新成为无氧气体,再进入下一个循环,从而达到连续工作的除氧目的,工作流程见图1

。

图1　L T C系列解析除氧设备工作流程

注:1.加热器;2.反应器;3.换热器;4.补水泵;5.引射器;6.汽水分离器;7.软水箱;8.回水管;9.取样口;10.混合管;11.解吸器;12.除氧泵(下转第92页)