工业锅炉给水除氧节能减排经济分析
工业锅炉给水除氧节能减排经济分析
霍银坤
*第十二研究所工程师 100016
常州新区南极新技术开发有限公司总 213032
摘要
从物理化学原理分析除溶解氧的*途径，从能量守恒定律和物质不灭定律分析目前国内除溶氧能耗，列表说明热力除氧, 真空除氧, 解吸除氧，海绵铁除氧等传统除氧器与氧化还原树脂除氧器除氧原理，特点，能源消耗和排放。并列表比较采用不同型号氧化还原树脂除氧器替代传统除氧器节能减排经济效益
关键词：工业锅炉 节能减排 除氧器 除溶氧 锅炉水处理 氧化还原树脂除氧器 树脂除氧器
工业上使用天然水，自来水，软化水, 脱盐水作锅炉给水，设备冷却水，油田注水, 溶解氧腐蚀问题比较突出. 由于腐蚀是一个缓慢的过程, 因而, 有些企业对除氧不重视. 另一方面, 由于缺少很好的除氧技术, 我国50%的工业用水未配置除氧器, 致使工业设备，锅炉，采油设备平均寿命缩短1/3, 给企业和国家造成巨大的经济损失.
国内使用的传统除氧技术有热力除氧, 解吸除氧, 海绵铁除氧（过滤除氧）, 真空除氧,加药除氧等. 这些除氧技术都有一定局限性, 有的耗能高, 有的除氧后水中带进对工业设备，锅炉，采油设备有害的杂质,如海绵铁除氧生成铁胶体,冲洗铁胶体水耗大,铁胶体生成铁垢影响传热, 解吸除氧把溶氧转化成溶解二氧化碳造成对锅炉的二次腐蚀，加药除氧污染水质，增加水中含盐量，增加锅炉排污量，加快设备腐蚀等, 使得传统的除溶解氧方法很难在工业上普遍推广.
除氧技术基于化学原理和物理化学原理, 上, 发达国家工业用水除氧,除了一些特殊场合保留热力除氧 和真空除氧（如海水除氧）外, 化学除氧技术采用氧化还原树脂除氧, 物理化学除氧技术采用膜分离除氧.[1]。
化学除氧是把游离氧分子转变成金属氧化物或非金属氧化物. 氧与金属元素反应 生成金属氧化物, 如水中溶解氧与海绵铁反应, 生成氢氧化亚铁和氢氧化铁. 溶解氧与非金属元素反应生成非金属氧化物, 如与碳元素反应生二氧化碳, 与低价硫化物反应生成高价硫化物（如溶解氧与亚硫酸钠反应生成硫酸钠）, 溶氧与元素氢反应生成水. 这些化学元素中的是氢, 氧化产物是水, 为此，世界各国研究氧化还原树脂除氧[2]. 各种氧化还原树脂不同之处在于氢的来源. 一种是在水中加入氢, 使水中溶解氧与水中溶解氢在氧化还原树脂表面反应生成水, 这种氧化还原树脂有国产的宇神09型氧化还原树脂, 美国Rhom and Haas公司产品ER-206, 德国Bayer公司产品Lewatic-oc1045, 这类树脂含有钯原子, 氧化还原反应在钯原子表面进行. 另一类树脂是氧化还原树脂功能团释放原子氢与水中溶解氧反应生成水, 这种氧化还原树脂有国产宇神06型和宇神06A型氧化还原树脂, 第三类氧化还原树脂是美国雅鲁大学H.G.Cassidy[3]教授合成的, 与溶解氧反应的氢原子由有机官能团提供. 例如由对苯二酚的酚羟基提供. 氧化还原树脂除氧技术的关键就是合成一种适合工业上应用的氧化还原树脂,能提供大量的廉价活性氢.
物理化学除氧原理是根据亨理定律（henrys law）
Cn=KPn 在达到平衡条许下, 水中溶解氧含量Cn与水上方氧气的摩尔分压Pn成正比, 如果水上方氧气的摩尔分压Pn=0, 溶解氧就向水上方无氧气体中扩散, 如果设法使水上方气体中氧气摩尔分压始终保持为零, 扩散 达到平衡, 水中溶解氧含量就为零, 即成无氧水.
无氧气体为蒸气就是热力除氧, 无氧气体为氮气和二氧化碳混合气体就是解吸除氧, 如果把水上方空气抽尽, 仅留下水蒸汽 就是真空除氧. 物理化学除氧技术关键就是创造快速达到平衡的技术. 下面从henrys 定律和Fick扩散定律分析热力除氧, 解吸除氧, 真空除氧存在的问题.
根据Fick*扩散定律dm/dt=-DAdc/dx
式中:dm/dx, 表示水中溶解氧扩散到无氧气体中速度
D, 表示氧的扩散系数;
A, 表示水与无氧气体接触的面积;
dc/dx, 表示氧的浓度梯度;
负号表示氧从高浓度向低浓度扩散;
由Fick*扩散定律可知, 要提高除氧速度dm/dt,必须增加接触面积A, 要把水变成水小珠, 要充分雾化, 这就增加热力除氧, 真空除氧, 解吸除氧动力消耗. 增加氧的浓度梯度dc/dx, 也可加快除氧速度, 这就必须迅速除去进入无氧气体中的氧,使无氧气体中氧浓度尽量低， 在热力除氧器运行中需要保证含氧蒸汽有一定排放量（5%-10%）,才能确保除氧器输出水中残余氧浓度达标。蒸汽排放增加了热量损失和水损失. 解吸除氧器运行分二步进行，*步解吸过程，把溶解氧充分解吸出来进入气相，第二步氧化还原反应，解吸出来进入气相（氮气和二氧化碳混合气体）中的氧需迅速被碳还原生成二氧化碳，为加快解吸过程，除氧泵要有足够大的功率，为加快氧化还原反应速度，应增加碳与氧接触面积和提高反应温度。改进后的解吸除氧器用碳分子筛替代木炭，与碳比，碳分子筛由于具有很大的比表面, 能提高与氧反应的速度, 但碳分子筛价格高, 增加了脱氧成本，为进一步提高与氧反应的速度，碳与氧反器的温度必须大于300℃（用木炭的反应器温度必须高于600℃）. 这样解吸除氧器电炉功率要足够的大, 解吸和氧化二步导致解吸除氧电耗居高不下. 在真空除氧中首先要把水喷淋成小水珠雾化因此喷淋泵要有足够大功率，其次，保持一定真空度, 真空泵需要有足够大的排气量, 迅速排出水中释放出的氧, 负压水变成正压水又需加压泵输出脱氧水， 因而, 真空除氧器电耗2度/t以上, 电耗难以进一步降低.
通过以上分析, 利用物理化学原理的传统除氧技术,能耗高，排放量大, 上发达国家己采用膜分离除氧技术. 如美国Celgard 膜除氧技术[3]是一种*.
高新除氧技术与传统除氧技术每吨水除氧成本、能耗、水耗、物耗、废水废汽排放及节能减排特点等列于表1. 采用氧化还原树脂除氧技术替代传统除氧技术节能节排经济分析列于表2.
表1, 各种除氧技术节能减排性能
| 除氧方法 | 除氧原理 | 能源消耗/t水 | 排放 | 材料消耗（每吨水） | 除氧 成本 元/t | 特点 | 用 途 | |
| 氧 化 还 原 树 脂 除 氧 技术 [2] [4] [5] [6] | 06A型 | R→SO3CuN2H4+O2→R→SO3Cu+2H2O+N2 R→SO3Cu+ N2H4→ R→SO3Cu N2H4 | 电5w | 0 | 16.7克80%联氨 8克CuSO3?5H2O | 0.49 | 残余氧含量≤1µg/L；耐核辐照剂量2000万拉德;工作温度-40～90℃ | 软化水、脱盐水、纯水除氧、反应堆、核电站水除氧。 |
| 06B型 | N2H4 + O2→2H2O+N2 | 电9W | 0 | 消耗80%联氨18克 | 0.42 | 节能、节水、*；残余氧含量≤10µg/L；除氧水温0～80℃ | 海水，自来水、软化水、脱盐水除氧，用于工业锅炉、电厂、油田蒸汽驱油除氧，油田注水除氧 | |
| 06C型 | 氧化态树脂+混合还原剂→还原态树脂 还原态树脂+O2→氧化态树脂 | 电5w | 水10kg | 混合再生剂150克 | 0.34 | 再生剂绿色环保；除氧温度15～80℃，残余氧含量≤50µg/L，设备价低 | 自来水、软化水、脱盐水、纯水除氧；用于工业锅炉给水除氧。 | |
| 08型 | 氧化态树脂+Na2SO3→还原态树脂还原态树脂+O2→氧化态树脂 | 电5w | 水10kg | Na2SO3200～250克 | 0.25 | 同06C | 同上 | |
| 09型 | H2+O2→2H2O | 电 90w | 0 | H2 1.2克 | 0.16 | 绿色环保、节能、节水、*，残余氧含量≤10µg/L，除氧温度0～80℃ | 适合于天然水、自来水、软化水、脱盐水、纯水、超纯水除氧、核电站回路水除氧。 | |
| 10型 | 树脂-膜真空除氧 | 电 75W | 水1kg | 混合再生剂20克 | 0.44 | 节能、节水、绿色环保；设备价廉,残氧≤10µg/L； | 油田蒸汽驱油锅炉除氧、电子工业纯水除氧。 | |
| 传统除氧技术 [7] [8] | 热力除氧 | 根据亨利定律，水在蒸汽中喷淋，连续排放含氧蒸汽，同时补充无氧蒸汽 | 煤11kg. | 水10kg 蒸汽10kg | 10kg无氧水; | 8.41 | 105℃无氧水进省煤器比常温无氧水进省煤器排烟温度高出60℃热损失9.8kg煤; | 工业锅炉给水除氧 |
| 真空除氧 | 根据亨利定律，水在真空中喷淋，释放出溶氧 | 电2kw | | | 1.20 | 水温加热到60℃以上降低锅炉出力7.5%残余氧0.05mg/L | 海水除氧、工业锅炉给水除氧 | |
| 解吸除氧 | 根据亨利定律，水经除氧泵喷射，把水中氧释放出来（解吸） C+O2→CO2 | 电2kw | | 3.75克碳分子筛 | 1.28 | 除氧不防腐。氧腐蚀转变为CO2与O2联合腐蚀[9] | 油田注水除氧 | |
| 海绵铁除氧 | 2Fe+O2+2H2O→ 2 Fe（OH）2 | 煤7kg; | 水135kg | NaCl200克 Na2SO34克 海绵铁56克 | 6.59 | 水垢含铁8%，锅炉热阻增4倍。锅炉燃料增加5%多耗煤7kg; 残余氧≤0.1mg/L； | 化工工艺水除氧 | |
表2采用树脂除氧器替代传统除氧器年节能效益（每年运行330天计）
| 宇神牌氧化还原 树脂除氧器 | 替代热力除氧 （除氧成本 8.41元/t） | 替代真空除 氧（除氧成本 1.20元/t） | 替代解吸除氧 （除氧成本 1.28元/t | 替代海绵铁除氧 （除氧成本 6.59元/t） | ||||||
| 型 号 | 除氧 成本 元/T | 价格 元/T 出力 | 节能效益 元/T出力 | 技改 资金 回收 周期 （月） | 节能 效益 元/ 出力t | 技改 资金 回收 周期 （月） | 节能 效益 元/ 出力t | 技改 资金 回收 周期 月 | 节能 效益 元/ 出力t | 技改 资金 回收 周期 月 |
| 06A | 面议 | 8000 | 62568 | 1.5 | 5544 | 17 | 5623 | 17 | 48312 | 2 |
| 06B | 面议 | 8000 | 63360 | 2.0 | 6336 | 19 | 6415 | 19 | 48866 | 2.5 |
| 06C | 面议 | 4000 | 63756 | 1.0 | 6732 | 7 | 6811 | 7 | 49500 | 1 |
| 08 | 面议 | 3000 | 61538 | 1.0 | 4435 | 8 | 5069 | 6 | 47124 | 1 |
| 09A | 面议 | 8000 | 64469 | 2.0 | 7775 | 15 | 7524 | 16 | 50212 | 2.5 |
| 09B | 面议 | 13000 | 65182 | 3.0 | 8158 | 24 | 8237 | 23 | 50926 | 4 |
| 10 | 面议 | 7000 | 62964 | 1.0 | 5940 | 10 | 6019 | 10 | 48708 | 1.5 |
从表1和表2节能减排分析,宇神牌06A型,06B型,06C型,08型，09A型,09B型和10型树脂除氧器替代传统热力除氧器,真空除氧器,海绵铁除氧器,解吸除氧器一个月到二年节能减排效益可回收技改投资. 尤其是替代热力除氧器和海绵铁除氧器4个月节能减排效益即可回收全部技改投资, 采用宇神10型除氧器替代传统除氧器10个月内可收回投资.
参考文献
1， Fred Wiesler. Membrana,IWC-05-79 Boiler Feed Water Degasification using Membrance contactor-New Methods for optimized performance;
2， 霍银坤, 水的树脂除氧, 通用离子交换技术手册第二十章 , 科学文献出版社2000年;
3， Cassidy H Y. Oxydation-reduction Polymer Interscience Publishers1966;
4， 霍银坤, 氧化还原树脂除氧器 热力发电1998（4）60-62;
5， 霍银坤 第三届中国膜科学与技术报告会论文集p407~409 ” 膜科学与技术” 编辑部 中国膜工业协会;
6， 中国特种设备安全 2005（4） 35~38;
7，王芳，锅炉水处理，中国建筑出版社，1993.10；
8，姚继贤，许兴炜等，工业锅炉水处理及水质分析，劳动人事出版社1987.10；
9,HarveyJ.Humphrey,”The Microwave cooling problem” Raytheon Company,Walthom,Massachusetts.
The microwave journal”march 1966 103~108
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