锅炉给水除氧技术的应用

Posted 2023-01-13 应用

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在锅炉给水处理工艺过程中，除氧是一个非常关键的一个环节。氧是给水系统和锅炉的主要腐蚀性物质，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和部件，，腐蚀产物氧化铁会进入锅内，沉积或附着在锅炉管壁和受热面上，形成难容而传热不良的铁垢，而且腐蚀会造成管道内壁出现点坑，阻力系数增大。管道腐蚀严重时，甚至会发生管道爆炸事故。国家规定蒸发量大于等于2吨每小时的蒸汽锅炉和水温大于等于95℃的热水锅炉都必需除氧。多年来众多锅炉给水处理工作者一直都在探求既高效又经济的除氧方法。
本文介绍锅炉给水几种主要除氧的主要方法，并结合近几年在这些方法基础上作的调整和改进，对这几种方法作分析和总结，供锅炉给水处理工作者参考。
1 除氧途径的分析
1.1 物理方法
根据亨利定律可知，任何气体同时存在于水面上，则气体的溶解度与其自己的分压力成正比，而且气体的溶解度仅与其本身的分压力有关。在一定压力下，随着水温升高，水蒸汽的分压力增大，而空气和氧气的分压力越来越小。在 100℃时，氧气的分压力降低到零，水中的溶解氧也降低到零。当水面上压力小于大气压力时，氧气的溶解度在较低水温时也可达到零。这样，随着水温的升高，减小其中氧的溶解度，就可使水中氧气逸出。另外，水面上空间氧气分子被排出，或转变成其它气体，从而氧的分压力为零，水中氧气就不断地逸出。采用物理方法除氧，是利用物理的方法将水中的氧气析出，常用的有热力除氧法、真空除氧法和解析除氧法等。
1.2 化学方法
采用化学方法除氧，主要是利用化学反应来除去水中含有的氧气，使水中的溶解氧在进入锅炉前就转变成稳定的金属或其它药剂的化合物，从而将其消除，常用的有药剂除氧法和钢屑除氧法等。
1.3 电化学方法
锅炉给水除氧，除可以采用化学方法和物理方法之外，还可以采用电化学方法。电化学除氧，是应用电化学保护的原理，使一种易氧化的金属发生电化学腐蚀，让水中的氧被消耗掉而去除。此法与上述除氧方法比较，设备简单，操作使用方便，运行费用低，可广泛应用于低压锅炉及热水锅炉的给水除氧。但是电化学除氧法目前虽然尚无成熟的经验，但根据试制使用的情况看，其经济实用性比较明显。
2 除氧方法的比较和分析
2.1 热力除氧
热力除氧一般有大气式热力除氧和喷射式热力除氧。其原理是将锅炉给水加热至沸点，使氧的溶解度减小，水中氧不断逸出，再将水面上产生的氧气连同水蒸汽一道排除，还能除掉水中各种气体(包括游离态CO2，N2)，如用铵钠离子交换法处理过的水，加热后3也能除去。除氧后的水不会增加含盐量，也不会增加其他气体溶解量，操作控制相对容易，而且运行稳定，可靠，是目前应用最多的一种除氧方法。
为了保证热力除氧器具有可靠的效果，在设计和运行中应满足足下列条件：a .增加水与蒸汽的接触面积，水流分配要均匀。b .保证氧气在水中的溶解压力与水面上它的分压力之间有压力差。c.保证使水被加热到除氧器工作压力下的沸腾温度，一般采用 104℃。
热力除氧技术是一种普遍采用的成熟技术，但在实际应用中还存在着一些问题：首先经热力除氧以后的软水水温较高，容易达到锅炉给水泵的汽化温度，致使给水在输送过程中容易被汽化；而且当热负荷变动频繁，管理跟不上，除氧水温 <104℃时，使除氧效果不好。其次，这种除氧方法要求设备高位布置，增加了基建投资，设计、安装、操作都不方便。，为了达到给水泵中软化水汽化的目的，这种除氧方法一般要求除氧器高位配置，在使用过程中会产生很大的噪音和震动，带来不便。第三，使得锅炉房自耗汽量增大，减少了有效外供汽。第四，对与小型快装锅炉和要求低温除氧的场合，热力除氧有一定的局限性，对于纯热水锅炉房也不能采用。
对于采取热力除氧的锅炉，在装新锅炉时，将大气热力除气器装在地面，而将除氧后的高温软化水输送管道经过软水箱，使其与软水箱中的水进行热交换，而后流至锅炉给水泵，经省煤器进入锅炉。这样改进首先可以减少锅炉房的振动和噪音，改善了锅炉房的工作环境，还降低了锅炉房的工程造价。其次，通过在软水箱中的热交换，软水箱中的水温提高了，热量没有浪费，同时也相当于除氧器进水温度，除氧器将进水加热到饱和温度的时间也缩短了，有利于达到预期的除氧效果。
2.2 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很高。另外还增加了换热设备和循环水箱。
真空除氧能利用低品位余热，可用射流加热器加热软化水；又能分级及低位安装，除氧可靠，运行稳定，操作简单，适用范围广。我国节能工作大力开展以来，工业锅炉房用此法除氧日渐增多。
2.3 化学除氧
(1)钢屑除氧，水经过钢屑过滤器，钢屑被氧化，而水中的溶解氧被除去。有独立式和附设式两种。此法水温要求大于 70%，以 80～ 9 0℃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，水中含氧量越大，要求流速降低，因为钢屑除氧自应用以来改进和提高不大，除氧效果也不太可靠，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。
(2)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使锅炉的主要腐蚀性物质，所以要求迅速将氧从给水中去除，一般使用亚硫酸钠作为除氧剂，2Na2SO3+O2→ 2Na2SO4，通常要求加药量比理论值大。温度愈高，反应时间愈短，除氧效果愈好。当炉水pH=6时，效果最好，若pH增加则除氧效果下降。加入铜、钴、锰、锡等作催化剂，可提高除氧效果。
该方法由于亚硫酸钠价廉故而投资低，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式。
(3)联氨 (肼 )除氧，目前此法多用作热力除氧后的辅助措施，以达到彻底清除水中的残留氧，而不增加炉水的含盐量。当压力大于6.3Mpa时，亚硫酸钠主要分解成腐蚀性很强的二氧化硫和硫化氢，因此对高压锅炉，多采用联氨，联氨与氧反应生成氮和水，有利于阻碍腐蚀的进一步发展。因联氨有毒，容易挥发，不能用于饮用水锅炉和生活用水锅炉除氧。许多锅炉厂正限制或不再使用。
2.4 解析除氧
解析除氧时近年来兴起的一种比较先进的技术，其工作原理解是将不含氧的气体与要除氧的给水强烈混合接触，使融解在水中的氧解析至气体中去，如此循环而使给水达到脱氧的目的。
解吸除氧有以下特点：1.待除氧水不需要预热处理，因此不增加锅炉房自耗汽；2.解吸除氧设备占地少，金属耗量小，从而减少基建投资；3.除氧效果好。在正常情况下，除氧后的残余含氧量可降到0.05mg/L；4.解吸除氧的缺点是装置调整复杂，管道系统及除氧水箱应密封。
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。解吸除氧设备小，制造容易，耗钢材，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。其缺点是只能除去水中氧气而不能除去其他不凝气体，水中二氧化碳含量有所增加；水箱水面不能密封，有时使除氧后的水与空气接触从而影响除氧效果。
早在20世纪60年代，国内外许多锅炉房曾广泛地采用了此种技术，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。到20世纪90年代，研制出了一种集中设置电加热反应器的第二代解吸除氧器，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吸除氧器，克服了原来的不足和缺点，将加热炉与反应器分开，加热炉加热从解吸除氧器出来的气体，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吸出来，保证了运行的可靠性和除氧效果。且体积和耗电量都比原来设备小。采用新型解吸式系统，省去了除氧水箱，解决了原先水箱的密封问题。多家锅炉房运行证明，解吸除氧器操作简单，投资低，运行可靠，效果较好。但同时存在着影响除氧因素较多，只能除氧气，不能除其它气体的问题。
3.5 树脂除氧
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 )，树脂失效后可用肼还原，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肼，不能做生活饮用水。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。由电子工业部十二研究所研制的Y-12型氧化还原树脂除氧器系列专利产品，在清华大学、北京第三机床厂热水锅炉中应用，获得给水残余氧 0.06～0.02 mg/L的优良除氧效果。目前已在小型热水锅炉中推广使用。
使用该法除氧产生的蒸汽和热水，均不允许与饮用水和食物接触，且投资和占地均较大，一般不宜在工业锅炉上推广应用。
4 后语
锅炉给水除氧方式多种多样，要想高效经济、稳定安全运行，必须结合炉型和实际情况，根据锅炉的热力参数、水质、吨位、负荷变化、经济条件等情况综合考虑，因地制宜选用。
对于给水除氧技术，要时刻关注新技术、新材料、新成果，勇于探索和改进创新，寻求除氧效果好，运行可靠，管理简单，且所需投资少的方法。