對熱水鍋爐給水除氧方式的探討

1、前言
     為保證鍋爐安全運行，對鍋爐給水進行有效的除氧是非常重要的。在國家標準《工業鍋爐水質》（GB1576—2001）中，對鍋爐水質提出了嚴格要求，要求蒸發量大于2t/h的蒸汽鍋爐和額定功率≥4.2MW的熱水鍋爐，都必須除氧。在鍋爐房設置適用的除氧設施，除去鍋爐給水中的溶解氧，是保護熱力系統設備經濟運行的必不可少的手段。

2、鍋爐氧腐蝕簡介

氧腐蝕是影響鍋爐安全運行和使用壽命的關鍵問題之一。特別是隨著熱水鍋爐的發展，腐蝕問題更為突出，引起人們極大的關注。溶解在水中的氧是造成鍋爐腐蝕的重要因素。試驗證實，腐蝕速度與溶液中氧的濃度成正比【1】，圖1所示為鋼在常溫水中靜置48h的腐蝕量。從圖1中可以看出，隨含氧濃度的增加，使腐蝕速度隨之加快。氧腐蝕的特征是呈潰瘍狀，最易發生在鍋爐上鍋筒、下降管和省煤器中。

氧是很活潑的氣體，它能跟絕大多數金屬直接化合，當其與金屬化合后，往往形成沉淀或穩定的化合物，這些氧化物不再與金屬化合，起腐蝕作用的是水中的溶解氧。防止鍋爐氧腐蝕最有效的方法就是加強鍋爐給水的除氧，使給水中的含氧量達到水質標準【2】的要求。

3、除氧的原理與途徑
     根據氣體溶解定律：任何氣體在水中的溶解度與此氣體在氣水界面上的分壓力和水溫有關【3】。根據氧的特性，水中除氧可從以下幾個方面著手：

(1)使水加熱，減小氧的溶解度，水中氧氣就可以逸出;

(2)使水面上空的氧分子都排除，或轉變成其他氣體。既然水面上沒有氧分子存在，氧的分壓力就為零，水中氧的溶解度為零，水中氧氣不斷逸出；

(3)使水中的溶解氧在進入鍋爐之前就轉變為與金屬或其他藥劑的化合物而消耗干凈。、

鍋爐給水常用的除氧方法有：熱力除氧、真空除氧、解吸除氧、鋼屑及加藥除氧、海綿鐵常溫過濾式除氧等。

4、各類除氧方式的分析

4.1熱力除氧

熱力除氧原理是將水加熱至相應壓力下的飽和溫度（一般達到沸點），蒸汽分壓力接近水面上的全壓力，溶解于水中氧的分壓力接近于零，使氧析出，再將水面上產生的氧氣排除，從而保證給水含氧量達到水質標準的要求。

熱力除氧有以下特點：

（1） 不僅能除O2，還能除CO2及其他氣體；

（2）除氧水中不增加含鹽量，也不增加其它氣體的溶解量；

熱力除氧按壓力大小可分為壓力式和大氣式兩種。鍋爐給水常采用大氣式熱力除氧器，圖2是熱力除氧的系統圖。除氧器內保持比大氣壓力稍高的壓力（一般為0.02～0.025MPa表壓力，此壓力下飽和溫度為104～105℃），以便于排出逸出的氣體。在實際運行中，常因熱負荷頻繁變動及管理操作水平等原因，而使鍋爐給水實際的除氧效果受較大影響。另外，熱力除氧還必須有蒸汽供應。

4.2真空除氧

真空式除氧是在低于大氣壓力（真空度600~700mmHg）下進行除氧的，屬于低溫除氧。常用的真空除氧系統有蒸汽噴射和水噴射兩種，由于給水溫度要求低，用熱水加熱即可，因此可用于熱水鍋爐系統。

真空除氧效果好壞的關鍵是保證真空度，由于熱負荷的波動，同時系統的氣密性難以保證，故在供熱系統除氧中應用不廣泛。

4.3解吸除氧

解析除氧是基于亨利定律，氧在水中的溶解度與水所接觸的氣體中的氧的分壓力成正比，而氣體中氧的分壓力又與氣體中氧的含量成正比，因此將要除氧的給水與已脫氧的氣體強烈混合，則溶解于水中的氧大量擴散到氣體中，從而達到除氧的目的。圖3為解吸除氧的系統圖。

解吸除氧有以下特點：

（1）不需加熱，可常溫下除氧，節約能源;

（2）根據資料核算，其初步投資約為熱力除氧的2/3；真空除氧的2/5。運行費用比熱力除氧、真空除氧、亞硫酸鈉除氧，氧化還原樹脂都低的多;

（3）除噴射器布置要求一定高度外，其余均為低位布置，占地較少。
解吸除氧也存在一些不利因數：

（1）只能除氧，不能除其他氣體，除氧后水中CO2有所增高，PH值降低0.2～0.3；

（2）要消耗一定的電力；

（3）產品質量及催化脫氧劑差異很大，造成使用效果不一致；

（4）系統的氣密性要求難以保證。

解析除氧技術一直在不斷發展，最近對脫氧做了改進后，又稱新型解析除氧，這種方法屬于常溫低位除氧，但設備最高點也要達到6m左右，還要有加熱器、除氧水泵、溫控器等，系統較為復雜。

4.4化學除氧

4.4.1化學藥劑除氧

化學除氧也是一種常用的除氧措施，常用的除氧反應劑有亞硫酸鈉、聯氨等。

(1)亞硫酸鈉除氧

投加亞硫酸鈉是中小鍋爐常用的一種除氧方式。它是一種較強的還原劑，與水中氧反應生成硫酸鈉，從而除去水中的氧，反應式：2Na2SO3＋O2→2Na2SO4，亞硫酸鈉的加入量一般要過量。按理論計算，除去1mg/l的氧需要8mg/l的亞硫酸鈉，但實際上要加入20mg/l工業亞硫酸鈉(Na2SO4。7H2O)。
亞硫酸鈉除氧基建投資小，運行操作簡單，但是除氧效果不可靠，增加鍋爐水的含鹽量，需加大排污，造成熱量和水量的損失，也增大了鍋爐產生CaS O4水垢的可能性。亞硫酸鈉除氧只能用于壓力較低的中小鍋爐。

(2)聯氨除氧

聯氨又稱肼，在常溫下是無色液體，易溶于水與乙醇。聯氨是極為有效的除氧劑，與水中氧氣反應生成水與氮氣，不增加水中的含鹽量，反應式：N2H4＋O2→2H2O＋N2，目前主要用于熱力除氧后的輔助措施，以徹底消除水中殘留的氧。但聯氨在低溫時與溶解氧反應速度較慢，且易燃易爆，對人體可能有致癌作用。故聯氨常用在中、高壓鍋爐。

4.4.2樹脂除氧

樹脂除氧屬于化學除氧的范疇。除氧樹脂按其原理的不同，可分為：氧化還原型樹脂；載體型樹脂；觸媒型樹脂三類。樹脂除氧效果很好，但運行流速慢，使設備體積龐大，增加設備投資。樹脂價格較貴，設備初投資較大,因此應用較少。

4.5電化學除氧

電化學除氧就是利用電化學保護的原理，人為的在除氧器中使用一種金屬(常用鋁)，當水流過除氧器時同金屬發生電化學腐蝕，水中氧即被消耗，從而達到除氧的效果。
電化學除氧設備簡單，操作方便，運行費用低，運行條件正常時含氧量可降至0.1mg/l。電化學除氧效率與待除氧水中含氧量大小無關，與流速、水溫、電流大小有關。水溫最好在70℃左右，不得低于40℃。電化學除氧目前尚無成熟經驗，鍋爐運行過程中會出現片狀沉淀物，除氧器本身易生腐蝕。

4.6鋼屑除氧

鋼屑除氧就是使水經過鋼屑除氧器，鋼屑被氧化，而將水中的溶解氧除去，反應式為：3Fe＋2O2→Fe3O4。鋼屑的材料可以用0～6號碳素鋼，鋼屑厚度一般用0.5～1mm，長度為8～12mm，要采用切削下不久的鋼屑。在裝入前，應先用2%~3%的堿溶液洗去附著在鋼屑表面的油污，再用熱水沖去堿溶液，然后用2%~3%的硫酸溶液處理20～30min，再用熱水沖洗，使鋼屑表面容易與氧起作用，鋼屑裝入除氧器后要壓緊。圖4為鋼屑除氧器原理圖。

鋼屑除氧器除氧效果與下列因素有關

（1）水溫：這是主要因素，水溫越高反應速度越快，并不易帶出鐵銹。一般要求水溫≥70℃。
（2）水與鋼屑的接觸時間：所需時間與水溫關系見表-1：

表-1

水溫(℃)	80	60	40	20
所需時間(min)	3	8	15	>25

鋼屑除氧器裝置簡單，投資小，操作也比較方便。但水溫過低或氫氧根堿度過大，鋼屑表面鈍化，都會使除氧效果降低，同時更換鋼屑勞動強度也較大。有的鍋爐房將鋼屑除氧與加入反應劑除氧聯合使用，效果較好。

4.7海綿鐵常溫過濾除氧

海綿鐵常溫過濾式除氧是近年來開發出新的除氧工藝技術。海綿鐵的主要成份是鐵素體，其粒徑約1.5毫米，平均比重約為1.5左右，鐵素體表現疏松、多孔且外表極不規則，表面積大，與水介質接觸充分，極易與其中的溶解氧發生反應，其反應機理為：2Fe＋2H2O＋O2→2Fe(OH)2 ，2Fe(OH)2＋H2O＋0.5O2→2Fe(OH)3
。

反應最終生成物Fe(OH)3呈絮狀，分子附著力小，用具有一定強度的水反沖洗，極易從海綿鐵中排除。運行中，殘留的二價鐵離子，可在其熱力系統循環中，與二次滲入的氧氣先發生反應，從而保護鍋爐本體免遭腐蝕。殘留的氫氧根離子，可相對提高循環水堿度 ，一定程度的改善熱水鍋爐循環水堿度偏低的狀況。

海綿鐵常溫過濾式除氧裝置一般采用微電腦程序控制，實現了除氧、反洗運行的自動化，其主要特點是：、

（1）常溫除氧，無需加熱；

（2）除氧效果穩定。除氧水含氧量穩定在0.05mg/l以下，達到中低壓鍋爐的水質標準；

（3）投資省。設備整體組裝小，占地面積小，高度低，不需專用廠房；

（4）對負荷變化適應性好；

（5）出水無毒。除氧劑無毒且不需要除油、活化。

5、各種除氧方式的比較

幾種除氧方式的性能比較見表-2。

除氧方式的性能對比                表-2

除氧方式		工作溫度(℃)	運行成本 元/噸	投資	出水含氧量（mg/l）
大氣式熱力除氧		104~105	較高	大	≤0.05
真空除氧		40～60	較高	較大	≤0.05
化學除氧	鋼屑	≥70	較低	小	≤0.1
	加藥	≥30	高	小	≤0.1
解吸除氧		8～70	較高	較大	≤0.1
電化學		≥70	較低	較小	≤0.1
海綿鐵		5～40	低	小	≤0.05

6、最佳除氧方式的選擇

通過對供熱鍋爐給水各種除氧方式的工作原理與除氧效果的分析及對我市各供熱鍋爐房除氧設備及運行情況的調查，我們對熱水鍋爐給水的除氧方式有了更加全面清楚的認識。在選擇熱水鍋爐給水除氧方式時，應充分考慮每種除氧方式各自的特點，根據供熱系統的不同情況加以選擇：

1、電化學除氧技術不成熟，目前不便應用；

2、熱力除氧是一種比較成熟的技術，能達到比較理想的除氧效果，但難以應用于熱水鍋爐，而且運行管理調節比較困難，基建投資大，在有汽源的情況下可以考慮采用；

3、真空除氧屬于低溫除氧，同熱力除氧相比，加熱溫度有所降低。真空除氧的除氧效果較好，但基建投資大，系統復雜，運行費用較高，對運行管理要求高，特別是真空度難以保證；

4、解吸除氧若調整好，除氧效果是比較好的，投資也較小，運行費用比較低。但運行中調節比較困難，因而除氧效果不穩定；

5、加亞硫酸鈉除氧設備簡單、操作方便，投資低，除氧效果良好，但運行費用很高，且增加鍋爐水的含鹽量，不得不加大排污，造成熱量和水量的損失，在經濟與技術上看，此法不理想；

6、鋼屑除氧投資小，管理方便，運行費用低，但效果不穩定，一般要求水溫≥70℃，且更換鋼屑勞動強度大，通常采用加藥除氧作補充；

7、海綿鐵常溫過濾式除氧是新技術、新工藝，除氧效果比較好，投資、運行費用都比較低，管理方便，易于操作。隨著除氧器結構的改進與海綿鐵質量的提高，海綿鐵常溫過濾式除氧的除氧效果會繼續得到改善。

綜上所述，在熱力系統中，特別是對熱水鍋爐，除去鍋爐給水中的溶解氧，是保護熱力系統中所有設備不受腐蝕的基本方法，也是保證熱力設備安全經濟運行必不可少的手段。就熱水鍋爐來講，目前所采用的海綿鐵常溫過濾式除氧技術是適合熱水鍋爐供熱系統的，該除氧方式在未來的熱水鍋爐給水除氧系統中具有廣闊的應用前景。