鍋爐給水除氧技術(shù)的應(yīng)用探討

薛 瑞

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

鍋爐給水中含有一定的氧和二氧化碳等氣體，在過濾運(yùn)行的過程中，溫度、壓力等環(huán)境因素會(huì)使鍋爐本身的金屬構(gòu)件發(fā)生電化學(xué)腐蝕，而且腐蝕速度較快，如果不能及時(shí)采取處理措施，容易對鍋爐的運(yùn)行安全和使用壽命造成嚴(yán)重影響，甚至可能會(huì)引發(fā)重大安全事故，給生產(chǎn)和人身安全帶來嚴(yán)重?fù)p害［1－2］。因此，鍋爐給水除氧是避免鍋爐設(shè)備遭受腐蝕、保證鍋爐設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要措施。

1 常用鍋爐給水除氧技術(shù)

鍋爐給水除氧技術(shù)的種類較多，根據(jù)除氧原理具體可以分為三大類：物理除氧、化學(xué)除氧和電化學(xué)除氧［3］。

1.1 物理除氧

根據(jù)亨利定律可以知道，當(dāng)多種氣體同時(shí)存在于水面上時(shí)，不同氣體的溶解度與其本身的分壓力成正比，而且氣體的溶解度僅僅受到本身的壓力影響。在一定壓力條件下，隨著水溫的不斷升高，水蒸氣的分壓力也會(huì)隨之增加，而氧氣的分壓力會(huì)越來越小。在理論情況下，當(dāng)水溫上升至100℃時(shí)，氧氣的分壓力會(huì)降低到零，水中的溶解氧也會(huì)降低到零。當(dāng)水面上壓力小于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，氧氣的溶解度在水溫較低的情況下也可能達(dá)到零。在這種情況下，隨著水溫的不斷升高，水中氧的溶解度會(huì)不斷降低，從而使氧的分壓力降低到零，水中的氧氣會(huì)不斷逸出，達(dá)到除氧的目的。利用物理技術(shù)進(jìn)行除氧，是通過物理方法將水中的氧分子析出。目前，常用的物理除氧方法包括熱力除氧、真空除氧及解析除氧3種。

1.2 化學(xué)除氧

采用化學(xué)方法除氧，主要是通過化學(xué)藥劑與水中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來除去水中的氧氣，使水中所溶解的氧分子在進(jìn)入鍋爐前轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的金屬化合物或者其他的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而將其從水中消除。目前，常用的化學(xué)除氧方法包括藥劑除氧法和鋼屑除氧法。

1.3 電化學(xué)除氧

鍋爐給水除氧，除了采用物理方法和化學(xué)方法之外，還可以采用電化學(xué)方法。利用電化學(xué)方法除氧，主要是應(yīng)用電化學(xué)保護(hù)的原理，在水中加入易氧化金屬，與水中氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，從而除去水中的氧氣。電化學(xué)除氧比物理除氧和化學(xué)除氧更加簡單，操作更加方便，同時(shí)運(yùn)行成本低，可以廣泛應(yīng)用到低壓鍋爐及熱水鍋爐的給水除氧工作中。

2 電化學(xué)除氧的工作原理

從電解原理可以知道，將2種不同的金屬與直流電源進(jìn)行連接并放置到一種電解質(zhì)中，使其負(fù)極與被保護(hù)的金屬材料相連接，正極與準(zhǔn)備讓其發(fā)生腐蝕的金屬連接，這樣就能夠使被保護(hù)的金屬材料形成陰極，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。同時(shí)，讓發(fā)生腐蝕的金屬材料形成陽極，不斷被腐蝕。電化學(xué)除氧就是利用這種原理實(shí)現(xiàn)的。將金屬材料制造的除氧器與直流電源接通，讓除氧器的外殼與電源的陰極相連接，陽極與放置在除氧器中的鋁板連接，當(dāng)水流通過除氧器時(shí)，水中的氧氣就會(huì)與鋁板發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，從而消耗掉水中的氧氣，工作原理如式（1）～（5）。

當(dāng)直流電接通后，陽極鋁板將發(fā)生如（1）式反應(yīng)：

陰極的變化如（2）式：

在水中產(chǎn)生式（3）電化學(xué)反應(yīng)：

在上面的反應(yīng)過程中，還會(huì)發(fā)生氧的去極化作用并產(chǎn)生氫氣，其具體反應(yīng)為式（4）：

同樣也產(chǎn)生氫氧化合作用，如式（5）：

通常情況下，除氧器會(huì)選用鋁作為陽極材料，因?yàn)樵摬牧匣瘜W(xué)活性較強(qiáng)，與水中氧氣發(fā)生反應(yīng)的條件要求較低，氧化反應(yīng)極易發(fā)生。同時(shí)，鋁材成本較低，又是兩性金屬，在鍋爐給水中的電位及腐蝕速度十分穩(wěn)定，其與氧氣發(fā)生反應(yīng)后所產(chǎn)生的Al（OH）3屬于不安定膠溶體，容易沉淀到水中與水分離，從而被排出，實(shí)現(xiàn)較好的除氧效果。此外，Al（OH）3屬于對人體無害的物質(zhì)，可有效地保證除氧過程中的安全性，避免對環(huán)境造成危害。長期實(shí)踐證明，利用鋁進(jìn)行鍋爐給水除氧，能夠使鍋爐給水中的含氧量降低到0.1mg／L左右，達(dá)到 GB1576－850《低壓鍋爐水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，且除氧之后的鍋爐系統(tǒng)未發(fā)生任何不良情況。

3 電化學(xué)除氧影響因素分析

根據(jù)除氧條件以及所用材料的不同，電化學(xué)除氧效果會(huì)存在一定的差異，主要包括給水的流速、溫度、電流大小等因素。其中，給水的流速及水溫會(huì)對除氧效果產(chǎn)生較大的影響。

3.1 給水溫度的影響

鍋爐給水中的含氧量會(huì)受到水溫的影響，水溫越高，水中的含氧量越低。因此，電化學(xué)除氧的效果會(huì)隨著給水溫度的不斷提升而提高，溫度越高，水中氧分子的活性越高，其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速度越快，除氧效果越好。通常情況下，電化學(xué)除氧時(shí)要求給水溫度在40℃以上。水溫在70℃左右時(shí)，能夠獲得最好的除氧效果。

3.2 給水流速的影響

鍋爐給水的除氧效果會(huì)受到給水流速的影響，當(dāng)給水流速較小時(shí)，除氧效果較好；反之，則除氧效果較差。因此，在利用電化學(xué)方法進(jìn)行除氧的過程中，通常需要對給水流速進(jìn)行控制?？刂平o水流速在12m／h～13m／h，可有效地保證除氧效果。

3.3 電流大小的影響

電流大小既能對金屬的活性產(chǎn)生影響，也會(huì)影響電化學(xué)除氧器的除氧效果。當(dāng)電流增大時(shí)，金屬活性會(huì)增強(qiáng)，除氧效果也會(huì)明顯提高。但是，當(dāng)電流增大到一定限值時(shí)，除氧效果反而會(huì)變差。實(shí)驗(yàn)表明，電流密度控制在2mA／cm2～2.5mA／cm2時(shí)，能夠取得較好的除氧效果。在采用電化學(xué)方法除氧的過程中，每噸給水大約需要消耗電能0.2kWh。

4 電化學(xué)除氧存在問題與解決途徑

目前，電化學(xué)方法除氧并未得到廣泛的應(yīng)用，因此，在應(yīng)用的過程中還需要注意很多問題。

4.1 金屬氧化物

在利用電化學(xué)方法除氧的過程中，水中的氧氣會(huì)與金屬材料發(fā)生氧化反應(yīng)生成金屬氧化物，如果長時(shí)間不進(jìn)行清理，金屬氧化物就會(huì)在金屬板表面形成松軟多孔的化合物。這些化合物有可能堵塞金屬板的通水孔，使通水孔阻力增加，降低除氧效果。針對這種情況，應(yīng)該在除氧器設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)增加除氧器的容積，以便為金屬氧化物提供足夠的沉淀空間。另外，還可以在除氧器外殼上設(shè)置適量的清洗孔，便于在需要時(shí)清理金屬板表面附著的化合物。在利用電化學(xué)方法除氧的過程中，還應(yīng)定期對除氧器內(nèi)部進(jìn)行清理，保持除氧器內(nèi)部清潔，進(jìn)而保證電化學(xué)除氧效果。

4.2 水溫的控制

當(dāng)鍋爐給水溫度低于40℃時(shí)，采用電化學(xué)方法進(jìn)行鍋爐給水除氧的效率較低，難以達(dá)到《低壓鍋爐水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。在通常情況下，要求給水溫度在70℃左右。為了提高鍋爐給水溫度，可以先通過鍋爐尾部的省煤加熱器對給水進(jìn)行加熱，并對加熱溫度進(jìn)行控制，提高電化學(xué)除氧效果，然后再使給水流入鍋爐。對于沒有省煤加熱器的鍋爐，可以通過設(shè)置換熱器對給水進(jìn)行加熱，然后再進(jìn)行除氧。

4.3 除氧器的設(shè)計(jì)

目前，電化學(xué)除氧器的設(shè)計(jì)還不夠完善。在進(jìn)行電化學(xué)除氧器的設(shè)計(jì)時(shí)，可以參照以下取值：當(dāng)設(shè)計(jì)水溫為70℃時(shí)，水的比電阻通常取值1 000Ω·cm；給水流速取值為12m～16m；電流密度取值2mA／cm2～2.5mA／cm2。根據(jù)上述條件進(jìn)行除氧器的設(shè)計(jì)，能夠有效地保證70℃水溫時(shí)的除氧效果。

5 結(jié)論

目前，電化學(xué)除氧技術(shù)還不夠完善，仍然需要不斷改進(jìn)。相對于物理除氧和化學(xué)除氧，電化學(xué)除氧技術(shù)具有操作簡便、運(yùn)行成本低、在正常條件下除氧效果較好等特點(diǎn)，而且無污染，能夠有效地保證鍋爐給水除氧的環(huán)保性。相信，隨著電化學(xué)除氧技術(shù)的不斷完善，定會(huì)在社會(huì)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

［1］陳家祥.鋼鐵冶金學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

［2］陳劍鈞.小型工業(yè)鍋爐給水除氧的實(shí)用工藝探討［J］.工業(yè)用水與廢水，2007，38（4）：80－83.

［3］陳麗芬.淺談鍋爐給水除氧的幾種辦法［J］.民營科技，2011（9）：11－13.