樹脂膜分離除氧器替代傳統(tǒng)除氧器的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益(上)

樹脂膜分離除氧器替代傳統(tǒng)除氧器的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益（上）

摘要從物理化學(xué)原理分析除溶解氧的最佳途徑，從能量守恒定律和物質(zhì)不滅定律分析目前國內(nèi)水處理行業(yè)對鍋爐給水除氧的誤區(qū)，論述除溶氧的高新技術(shù):氧化還原樹脂除氧技術(shù)和膜分離除氧技術(shù),采用高新技術(shù)替代傳統(tǒng)的熱力除氧,真空除氧,解吸除氧,海綿鐵除氧,加藥除氧的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益分析,用樹脂除氧技術(shù)改造傳統(tǒng)除氧方法,一年時間產(chǎn)生的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益就可收回全部的技改投資.氧化還原樹脂膜分離除氧是今后工業(yè)鍋爐給水除氧發(fā)展的方向。一,概述目前我國工業(yè)鍋爐采用軟化水,脫鹽水作鍋爐給水,溶解氧腐蝕問題比較特出.由于腐蝕是一個緩慢的過程,因而,有些企業(yè)對除氧不重視.另一方面,由于缺少很好的除氧技術(shù),我國50%的工業(yè)鍋爐未配置除氧器,致使工業(yè)鍋爐平均壽命縮短1/3,給企業(yè)和國家造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失.

國內(nèi)使用的傳統(tǒng)除氧技術(shù)有熱力除氧,解吸除氧,海綿鐵除氧(過濾除氧),真空除氧,加藥除氧等.這些除氧技術(shù)都有一定局限性,有的耗能高,有的除氧后水中帶進(jìn)對鍋爐有害的雜質(zhì)造成對鍋爐的二次腐蝕,使得傳統(tǒng)的除氧方法很難在工業(yè)鍋爐上普遍推廣.

除氧技術(shù)基于化學(xué)原理和物理化學(xué)原理,國際上,發(fā)達(dá)國家工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水除氧,除了一些特殊場合保留熱力除氧(如電廠除氧)和真空除氧(如海水除氧)外,化學(xué)除氧技術(shù)采用氧化還原樹脂除氧,物理化學(xué)除氧技術(shù)采用膜分離除氧.。

化學(xué)除氧是把游離氧分子轉(zhuǎn)變成金屬氧化物或非金屬氧化物.氧與金屬元素反應(yīng)生成金屬氧化物,如水中溶解氧與海綿鐵反應(yīng),生成氫氧化亞鐵和氫氧化鐵.溶解氧與非金屬元素反應(yīng)生成非金屬氧化物,如與碳元素反應(yīng)生二氧化碳,與低價(jià)硫化物反應(yīng)生成高價(jià)硫化物(如溶解氧與亞硫酸鈉反應(yīng)生成硫酸鈉),溶氧與元素氫反應(yīng)生成水.這些化學(xué)元素中最理想的是氫,氧化產(chǎn)物是水,為此，世界各國研究氧化還原樹脂除氧.各種氧化還原樹脂不同之處在于氫的來源.一種是在水中加入氫,使水中溶解氧與水中溶解氫在氧化還原樹脂表面反應(yīng)生成水,這種氧化還原樹脂有國產(chǎn)的宇神09型氧化還原樹脂,美國RhomandHaas公司產(chǎn)品ER-206,德國Mobey公司產(chǎn)品Lewatic-oc1045,這類樹脂含有鈀原子,氧化還原反應(yīng)在鈀原子表面進(jìn)行.另一類樹脂是氧化還原樹脂功能團(tuán)釋放原子氫與水中溶解氧反應(yīng)生成水,這種氧化還原樹脂有國產(chǎn)宇神06型和宇神06A型氧化還原樹脂,第三類氧化還原樹脂是美國雅魯大學(xué)教授合成的,與溶解氧反應(yīng)的氫原子由有機(jī)官能團(tuán)提供.例如由對苯二酚的酚羥基提供.氧化還原樹脂除氧技術(shù)的關(guān)鍵就是合成一種適合工業(yè)上應(yīng)用的氧化還原樹脂,能提供大量的廉價(jià)活性氫.

物理化學(xué)除氧原理是根據(jù)亨理定律(henryslaw)

Cn=KPn在達(dá)到平衡條許下,水中溶解氧含量Cn與水上方氧氣的摩爾分壓Pn成正比,如果水上方氧氣的摩爾分壓Pn=0,溶解氧就向水上方無氧氣體中擴(kuò)散,如果設(shè)法使水上方氣體中氧氣摩爾分壓始終保持為零,擴(kuò)散達(dá)到平衡,水中溶解氧含量就為零,即成無氧水.無氧氣體為蒸氣就是熱力除氧,無氧氣體為氮?dú)夂投趸蓟旌蠚怏w就是解吸除氧,如果把水上方空氣抽盡,僅留下水蒸汽就是真空除氧.物理化學(xué)除氧技術(shù)關(guān)鍵就是創(chuàng)造快速達(dá)到平衡的技術(shù).下面從henrys定律和Fick擴(kuò)散定律分析熱力除氧,解吸除氧,真空除氧存在的問題.

根據(jù)Fick第一擴(kuò)散定律dm/dt=-DAdc/dx式中:dm/dx,表示水中溶解氧擴(kuò)散到無氧氣體中速度D,表示氧的擴(kuò)散系數(shù);A,表示水與無氧氣體接觸的面積;dc/dx,表示氧的濃度梯度;負(fù)號表示氧從高濃度向低濃度擴(kuò)散;

由Fick第一擴(kuò)散定律可知,要提高除氧速度dm/dt,必須增加接觸面積A,要把水變成水小珠,要充分霧化,這就增加熱力除氧,真空除氧,解吸除氧動力消耗.增加氧的濃度梯度dc/dx,也可加快除氧速度,這就必須迅速除去進(jìn)入無氧氣體中的氧,使無氧氣體中氧濃度盡量低，在熱力除氧器運(yùn)行中需要保證含氧蒸汽有一定排放量(5%-10%),才能確保除氧器輸出水中殘余氧濃度達(dá)標(biāo)。蒸汽排放增加了熱量損失和水損失.在解吸除氧器運(yùn)行中必須使解吸出來進(jìn)入氮?dú)夂投趸蓟旌蠚怏w中的氧迅速與碳反應(yīng)生成二氧化碳除去,為加快反應(yīng)只有增加反應(yīng)接觸面積和提高反應(yīng)溫度二種途徑，目前改進(jìn)后的解吸除氧器用碳分子篩替代木炭，與碳比，碳分子篩由于具有很大的比表面,能提高與氧反應(yīng)的速度,但碳分子篩價(jià)格高,增加了脫氧成本，但是，水中殘余氧含量仍不達(dá)標(biāo)，為進(jìn)一步提高與氧反應(yīng)的速度碳與氧反器的溫度必須大于300℃水中殘余氧含量才達(dá)標(biāo)(用木炭的反應(yīng)器溫度必須高于600℃).這樣解吸除氧器電爐功率要足夠的大,導(dǎo)致解吸除氧電耗居高不下.在真空除氧系統(tǒng)中要保持一定真空度,真空泵需要有足夠大的排氣量,迅速排出水中釋放出的氧,因而,真空除氧器電耗2度/t以上,難以進(jìn)一步降低.

通過以上分析,利用物理化學(xué)原理的傳統(tǒng)除氧技術(shù)能耗高,國際上發(fā)達(dá)國家己采用膜分離除氧技術(shù).如美國Celgard膜除氧技術(shù)是一種高新技術(shù).

二，氧化還原樹脂除氧器

(一)宇神牌06A型氧化還原樹脂除氧器

1、特點(diǎn)和用途

宇神牌06A型氧化還原樹脂除氧器特點(diǎn)是:A,殘余氧含量低，可達(dá)1μg/L以下;B,可低溫除氧，最低達(dá)-40℃;C,抗核輻照劑量達(dá)107拉德(Rad)，適合于工業(yè)鍋爐給水除氧，反應(yīng)堆、核電站一、二回路水除氧；這三大特點(diǎn)處于世界先進(jìn)水平。除氧原理當(dāng)樹脂使用一段時間后，氧化還原樹脂上的銅肼配位化合物的功能團(tuán)失去活性氫后，使用水合肼再生，重新生成新的配位化合物，繼續(xù)提供活性氫，其反應(yīng)式在再生過程中，還伴隨發(fā)生磺酸根釋放和絡(luò)合物中Cu+被氧化為CuO的反應(yīng)，因此需補(bǔ)充銅離子,其反應(yīng)方程式絡(luò)合物中Cu+損失致氧化還原樹脂的活性降低。在除氧器運(yùn)行一段時間后，定期加入定量的硫酸銅溶液，對絡(luò)合物中的Cu+進(jìn)行再生和補(bǔ)充，恢復(fù)氧化還原樹脂的活性。其反應(yīng)方程式

2、順流固定床宇神牌06A型氧化還原樹脂除氧器產(chǎn)品性能和技術(shù)參數(shù)見除氧器罐體結(jié)構(gòu)與順流再生軟化器類似。設(shè)置上、下布水裝置，除氧器罐中裝填氧化還原樹脂層高，根據(jù)罐體直徑不同，層高在1500-2500之間，兩臺除氧罐體組成一套，兩臺除氧罐體之間用管道聯(lián)接成一體，可串聯(lián)運(yùn)行也可并聯(lián)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)零排放。除氧系統(tǒng)由除氧器,吸濃聯(lián)氨泵,聯(lián)氨計(jì)量筒,聯(lián)氨藥箱,藥泵,帶攪拌器的硫酸銅藥箱，硫酸銅藥泵、無氧水箱組成，,軟化水從除氧器上部進(jìn)入，下部流出，軟化水硬度≤/L,軟化水濁度固定床除氧器流速≤12m/h，定期測定無氧軟化水中殘余氧含量，當(dāng)出水含氧量達(dá)到100ppb時進(jìn)行再生。再生切換根據(jù)用戶需要而定，也可定在100ppb或50ppb。脫氧水中殘余氧含量剛開始為100ppb，逐漸降到5ppb，以后全周期產(chǎn)水中80%脫氧水中殘余氧含量保持在20ppb左右，以后逐漸升到100ppb進(jìn)行再生。再生時根據(jù)除氧器中裝填樹脂量，全自動加聯(lián)氨，把一定量聯(lián)氨放入藥箱中，加水稀釋至一定濃度后，開藥泵，把聯(lián)氨打入除氧器中進(jìn)行再生,流出水經(jīng)另一除氧器，送入無氧水箱，實(shí)現(xiàn)零排放，再生液加完后，關(guān)閉除氧器閥，靜止熟化8小時完成再生(需二臺組合成一套)。再生后的除氧器可再連續(xù)運(yùn)行24小時左右，當(dāng)連續(xù)運(yùn)行16小時后，根據(jù)除氧器中裝填樹脂量，補(bǔ)加一定量一定濃度的硫酸銅溶液，此時除氧器流出的水仍為合格的脫氧水，加完硫酸銅溶液后，繼續(xù)運(yùn)行8小時左右，直到流出水中殘余氧含量超過規(guī)定的指標(biāo)，再加聯(lián)氨再生。宇神牌06A型氧化還原樹脂理化性能見表1。軟化水硬度≤/L,軟化水濁度除氧器流速≤25m/h時，浮動床脫氧水中殘余氧含量在10ppb以下，操作過程與固定床同:運(yùn)行16小時，補(bǔ)加少量銅離子后再運(yùn)行8小時，加肼熟化8小時,重復(fù)上述步驟。浮動床操作方法同浮動床軟化器，不過浮動床樹脂除氧器再生過程與浮動床軟化器不同，浮動床樹脂除氧器為非對流再生,而是同流再生，再生還原劑聯(lián)氨溶液從除氧器下部進(jìn)入，自下而上流過樹脂再生，從除氧器頂部流出，流入聯(lián)氨藥箱，銅離子溶液也是從除氧器下部進(jìn)入，自下而上流過樹脂再生，進(jìn)入無氧水箱。聯(lián)氨再生熟化后的除氧器可連續(xù)運(yùn)行24小時左右，當(dāng)連續(xù)運(yùn)行16小時后，根據(jù)除氧器中裝填樹脂量，補(bǔ)加一定量一定濃度的硫酸銅溶液，此時除氧器流出的水仍為合格的脫氧水，可進(jìn)入無氧水箱，加完硫酸銅溶液后，繼續(xù)運(yùn)行8小時左右，直到流出水中殘余氧含量超過規(guī)定的指標(biāo)，停止運(yùn)行,進(jìn)行加聯(lián)氨再生。為了使浮動床穩(wěn)定，不亂層，下部進(jìn)水閥門前設(shè)置穩(wěn)壓管，穩(wěn)壓管高度高出除氧器項(xiàng)端與大氣相通。4、宇神06A型氧化還原樹脂除氧器運(yùn)行成本A、再生劑費(fèi)用。a聯(lián)氨費(fèi)用：軟化水中溶解氧含量以8mg/L計(jì)，濃度為80%聯(lián)氨（N2H4濃度為16mol)價(jià)格17000元/t，每噸脫氧水消耗聯(lián)氨克，聯(lián)氨費(fèi)用=17元×=元/t。b水合硫酸銅價(jià)格以5000元/t計(jì)，每噸脫氧水消耗硫酸銅用量以5-8克計(jì)，平均克，硫酸銅費(fèi)用b=5×/1000=元。再生劑費(fèi)用A=a+b=+=元/tB、折舊費(fèi)計(jì)算。宇神06A型氧化還原樹脂除氧器t/h出力平均價(jià)格以6000元計(jì)，折舊率以5%計(jì)，除氧器每年運(yùn)行時間以330天計(jì)，每噸脫氧水承擔(dān)費(fèi)用=6000×5%/7920=元。C、藥泵電費(fèi)。藥泵型號為BAW150，功率，流量5t/h，以出力20t/h為例，一個產(chǎn)水周期產(chǎn)水480t，藥泵運(yùn)行1小時，電費(fèi)為元，每噸脫氧水承擔(dān)電費(fèi)C=/480=元。D、宇神牌06A型氧化還原樹脂除氧總成本Q0=A+B+C=++=元/t。(二)宇神06B型氧化還原樹脂除氧器1、特點(diǎn)和用途:不用定期再生，可連續(xù)運(yùn)行，易實(shí)實(shí)現(xiàn)自動操作。還原中不用硫酸銅，適合電廠給水、冷凝水，雙水內(nèi)冷電機(jī)冷卻水除氧和核電站二回路水除氧。2、結(jié)構(gòu)：把宇神06B氧化還原樹脂裝入除氧器罐中，在未除氧水中用劑量泵加入與水中含氧量等當(dāng)量的聯(lián)氨，經(jīng)靜態(tài)混合器流入宇神06B氧化還原樹脂除氧器即可除氧，為保證除氧效果，加入水中聯(lián)氨量應(yīng)略過量。宇神06B型氧化還原樹脂除氧器除氧流速可達(dá)60m/h，除氧反應(yīng)時間僅需1分鐘，樹脂用量少，除氧器體積小，可用于高壓鍋爐，超高壓鍋爐脫鹽水，純水，高純水，除氧。3、除氧原理：水中溶解氧與水中加入的肼在宇神06B型樹胎脂表面反應(yīng)生成水，氮?dú)釴2H4+O2→2H2O+N24、運(yùn)行成本宇神06B型氧化還原樹脂400元/kg，體積流速sv以60L/Lh計(jì)，即80L/，每噸除氧器出力配06B樹脂，,以10t/h宇神牌06B型氧化還原樹脂除氧器為例,需配樹脂125kg,一臺計(jì)量泵,樹脂