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膠體。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)H。G。Cassidy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)。

　　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)國家己采用氧化還原樹脂除氧和膜分離除氧技術(shù)。這是一種高新技術(shù)。

　　宇神牌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)D，節(jié)能節(jié)水，E，經(jīng)濟(jì)，以宇神06A型樹脂除氧器為例，每噸水脫氧成本為0。36元。

　　樹脂除氧替代傳統(tǒng)除氧器節(jié)水節(jié)能防腐效益分析

　　(一)、替代熱力除氧

　　1、熱力除氧成本

　　熱力除氧屬于高溫除氧，除氧原理是根據(jù)亨利定律，鍋爐補(bǔ)給水（軟化水）與無氧的水蒸汽接觸，軟化水中溶解氧就擴(kuò)散到蒸汽中去而被除去，蒸汽中含氧量逐漸增加，為了控制蒸汽中含氧量，需要不斷補(bǔ)加無氧蒸汽，同時排放含氧蒸汽。熱力除氧自耗蒸汽占鍋爐出力的16%（進(jìn)水溫度以18℃了計(jì)），盡管用于除氧的蒸汽熱量大部分可回收，但有5%蒸汽排到空氣中。

　　生產(chǎn)脫氧水消耗蒸汽量160kg×5%＝8kg

　　A、蒸汽排放費(fèi)：8。kgχ0。16元/kg=1。28元/t。

　　B、8kg鍋爐給水費(fèi)用：鍋爐給水以10元/噸計(jì)，0。008×10＝0。08元

　　C、框架折舊費(fèi)：熱力除氧的無氧水溫105℃相應(yīng)的飽和蒸汽壓為0。123Mpa，除氧器必須高位布置，應(yīng)高出鍋爐給水泵入口12。3米，才能防止高溫脫氧水在鍋爐給水泵入口處汽化，單層鍋爐房需建專用鋼筋水泥框架，一臺放置出力為30t/h熱力除氧設(shè)備的框架造價(jià)30萬元，設(shè)備折舊率以5%計(jì)，每年運(yùn)行330天計(jì)，因水泥框架折舊增加脫氧成本B=10000×5%/7920＝0。06元/t。

　　D、降低鍋爐出力增加成本：熱力除氧平均自耗蒸汽計(jì)算

　　進(jìn)水溫度以18℃計(jì)，加熱到105℃1000k軟化水消耗蒸汽量計(jì)算，查表105℃蒸汽汽化潛熱為536kCal，(105-18)×1000/536=162。3kg，即降低鍋爐出力16%

　　鍋爐房投資以每噸鍋爐出力12萬元計(jì)算，鍋爐折舊率以5%計(jì)，脫氧水增加成本D=120000×15。86%×5%/7920=0。12元/t。

　　F，熱力除氧器折舊費(fèi)計(jì)算：折舊率以5%計(jì)，熱力除氧器價(jià)格以3500元/t出力計(jì)，每噸脫氧水承擔(dān)的折舊費(fèi)E=3500×5%/7920=0。02元。

　　熱力除氧總成本Q1=A+B+C+D+E+F=1。28+0。08+0。06+0。12+0。02=1。56元。

　　2、代替熱力除氧節(jié)能效益

采用宇神06A型氧化還原樹脂除氧器代替熱力除氧每年節(jié)能、節(jié)水效益為W，W=(Q1-Q0)×7920=(1。56-0。36)×7920=1。20元×7920=95040。00元。

　　3、回收技改資金時間

　　宇神牌除06A型氧化還原樹脂氧器出力計(jì)平均價(jià)6500元/t，投資回收時間Y年，Y=6500/9504=0。68年，即9個月可收回替代熱力除氧投資。

　　(二)、替代真空除氧器

　　真空除氧器屬于中溫除氧。原理也是根據(jù)亨利定律，把水上方抽成真空，水中溶解氧就向真空擴(kuò)散，達(dá)到除氧的目的，國內(nèi)采用的抽真空裝置一般為水流噴射泵，真空度只能達(dá)到0。06Mpa，要達(dá)到好的除氧效果，必須把水上面的水蒸汽壓提高到0。04Mpa，與此飽和水蒸汽壓相應(yīng)的水溫為60℃，因此，采用真空除氧器對鍋爐補(bǔ)給水除氧，要使水中殘余氧含量<100ppb，水溫必須≥60℃。

　　1、真空除氧器運(yùn)行成本

　　A、電費(fèi)：真空除氧器需用四臺泵，一臺射流真空泵，使除氧器產(chǎn)生0。06Mpa真空度；一臺軟化水噴淋泵，使軟化水在真空中噴霧除氧；一臺引水泵，把真空除氧器中脫氧水吸出；一臺鍋爐給水泵，把無氧水送入鍋爐。平均生產(chǎn)一噸脫氧水耗電2度，電費(fèi)以0。50元/度計(jì)，脫氧水電費(fèi)：A=0。5×2=1。00元。

　　B、折舊費(fèi)：出力為20t/h真空除氧器價(jià)格16萬元，平均每噸出力8000元，折舊率為10%，每年運(yùn)行以330天計(jì)，折舊費(fèi)B=8000×10%/7920=0。10元/t。

　　C、因加熱水占用鍋爐出力的費(fèi)用：軟化水溫度平均以12℃計(jì)，每噸水加熱到60℃需消耗蒸汽Wkg。，100℃蒸汽熱焓?Hg為639千卡/kg。

　　W=(60-12)×1000/?Hg=75kg蒸汽/t脫氧水：降低鍋爐出力7。5%，每噸出力鍋爐投資以12萬元計(jì)，折舊率以5%計(jì)，每年運(yùn)行330天計(jì)

　　C=(120000χ10%χ7。5%)/7920=0。11元/t

　　真空除氧成本Q=A+B+C=1。00+0。10+0。11=1。21元/t。

　　2、。替代真空除氧的節(jié)能效益

　　國產(chǎn)真空除氧器，除氧性能不穩(wěn)定，射流泵長期使用，真空度達(dá)不到指標(biāo)，射流真空泵連續(xù)使用，水溫升高，也會造成真空度下降。真空除氧器生產(chǎn)脫氧水殘余氧含量一般在100-200ppb，達(dá)不到GB1576-2001工業(yè)鍋爐水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，達(dá)不到防溶氧腐蝕效果。替代真空除氧的節(jié)能效益(Q2-Q0)×7920=(1。21-0。36)×7920=0。85×7920＝6732(元/t出力)。

　　3、回收技改投資時間

　　Y=6500/5940=1。1年，即1年零1個月收回收技改投資

　　(三)、替代解吸除氧器

　　解吸除氧器工作原理是水中溶解氧與碳反應(yīng)生成二氧化碳，反應(yīng)方程式如下：

　　C+O2→CO2

　　為了把水中溶解氧解吸出來，必須把軟化水在無氧氮?dú)怏w中噴淋霧化，水中溶解氧解吸出來，進(jìn)入氮?dú)�，含氧氮�(dú)馀c碳子篩在高溫除氧反應(yīng)器中反應(yīng)生成二氧化碳，氮?dú)庾兂傻獨(dú)夂投趸嫉幕旌蠚怏w，軟化水在這種混合氣體中噴淋，二氧化碳溶入軟化水中，這樣，水溶解氧轉(zhuǎn)變成溶解的二氧化碳，降低了水的PH值，達(dá)不到GB1576-2001規(guī)定的PH值≥7的要求，增中了水的腐蝕性，美國雷聲公司研究報(bào)告結(jié)論：

　　水中溶解氧對金屬腐蝕速度在有二氧化碳存在條件下，要快18倍，因此，采用解吸法除氧沒有解決鍋爐的腐蝕。僅僅是把溶氧腐蝕轉(zhuǎn)變成溶氧與二氧化碳的綜合腐蝕，而且是更嚴(yán)重的腐蝕。

　　解吸除氧成本計(jì)算：

　　A、電費(fèi)：以北京海淀捷源公司JYX-4型解吸除氧為例，額定出水量4t/h（與4t鍋爐配套），除氧泵為IS50-32-200功率為5。5kw，電加熱高溫除氧反應(yīng)器功率為2。5kw，共8kw，每噸脫氧水耗電2kw，電費(fèi)A=2×0。5=1。00元。

　　B、碳分子篩消耗：水中溶解氧含量以8mg/L計(jì)，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式計(jì)算每噸脫氧消耗碳分子篩3克，利用率以80%計(jì)，實(shí)際消耗3。75克，3094碳分子篩45元/kg，B=3。75×0。045=0。17元。

　　C、折舊費(fèi)：解吸除氧器平均價(jià)格以出計(jì)為5000元/t，折舊率以5%計(jì)，C=5000×5%/7920=0。03元。

　　解吸除氧總成本Q3=A+B+C=1。00+0。17+0。03＝1。20元。

　　替代解吸除氧器每年節(jié)能費(fèi)G=(Q3-Q0)×7920=(1。20-0。36)×7920=0。84χ7920=6652。8元。

　　投資回收時間Y3，Y3=6500/6652。8=0。98年，即一年節(jié)能效益可收回替代解吸除氧投資。

　　(四)、替代海綿鐵粒除氧器

　　海綿鐵粒除氧原理：水中溶解氧與海綿鐵粒反應(yīng)，生成氫氧化亞鐵和氫氧化鐵而被除去。

　　為了加快反應(yīng)速度，把廢鋼鐵融化加入少量鈷通入氮?dú)猓瞥啥嗫琢詈＞d體�；瘜W(xué)反應(yīng)方程式如下：

　　O2+2Fe+2H2O→2Fe(OH)2(1)

　　O2+4Fe(OH)2+2H2O→4Fe(OH)3(2)

　　由化學(xué)反應(yīng)方程式可知，除氧反應(yīng)生成鐵的氫氧化物膠體，阻礙了溶解氧與鐵反應(yīng)，因此，要定期用高壓軟化水反沖洗，配置一臺IS100-80-160高壓泵，功率15kw，反洗強(qiáng)度為27L/m2。s，反洗30分鐘（或用真空泵吸進(jìn)空氣，反洗強(qiáng)度可降低到15L/m2。s），每天反洗一次，洗去海綿鐵粒表面的鐵膠體，由化學(xué)反應(yīng)方程式(1)還可知，除去8mgO2生成Fe2+28mg。軟化水中含鐵離子，軟化水經(jīng)除氧后帶黃色，進(jìn)入鍋爐鐵離子會在鍋爐管內(nèi)壁生成鐵垢，鐵垢導(dǎo)熱系數(shù)比鋼鐵小8倍，不但造成鍋爐熱效率降低，而且給鍋爐安全運(yùn)行造成隱患（尤其是燃?xì)忮仩t），因此，為了鍋爐安全運(yùn)行GB1576-2001標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定鍋爐給水中鐵含量≤0。3mg/L，海綿鐵除氧必須再加軟化器除鐵，組成海綿鐵除氧除鐵裝置，水溫保持在8℃以上，殘余氧含量才能≤100ppb，對于我國東北、西北地區(qū)冬季水溫接近0℃，不適合使用。以武漢水利電力大學(xué)河南安陽長城水處理設(shè)備廠生產(chǎn)的ZGY-1200-1型組合式除氧除鐵器為例，該除氧器出力17t/h，分上下兩室，下室內(nèi)裝填海綿鐵粒層高900mm，海綿鐵粒重6。5t，上室裝填001×7陽離子交換樹脂層高900mm，體積為707L，重350kg，采用低速逆流再生（2m/h），鹽耗量為80g/L，再生鹽中加1。5%Na2SO3，把Fe3+還原成Fe2+，防止Fe3+對001×7陽離子交換樹脂的污染。樹脂對Fe2+工作交換容量400moL/m3。

　　1、海綿鐵粒除氧成本

　�、俪F費(fèi)用

　　除鐵設(shè)備再生一次可除去0。4×707=282。8molFe2+，除氧后水中產(chǎn)生與溶氧等當(dāng)量Fe2+，水中Fe2+濃度，溶氧含量以8mg/L計(jì)即1mol/t，可產(chǎn)無鐵脫氧水282。8t

　　A，電費(fèi)，鹽泵功率2。2kw，鹽液濃度4-5%，1。5m3鹽水，以2m/h流速打入除鐵器中，在一個除鐵周期中鹽泵電費(fèi)為D1=2。2×0。5=1。00元；

　　B軟化器再生費(fèi)用，工業(yè)鹽0。7元/kg，再生水平以80g/L樹脂計(jì)，鹽費(fèi)D2=0。7×0。08×707=0。7×56。56=39。59元

　　C，軟化器反洗自耗水以5%計(jì)，自耗水費(fèi)D3=282。8×5%×5＝70。7元；

　　D，F(xiàn)e3+還原費(fèi)，由于Fe3+使陽離子交換樹脂中毒，因此需加亞硫酸鈉和亞硫酸氫鈉還原Fe3相當(dāng)于再生用鹽量2%，亞硫酸鈉和亞硫酸氫鈉平均價(jià)以4元’kg計(jì)，還原劑費(fèi)用D4=4×0。08×707×2%=4。52元，除鐵費(fèi)D=(D1+D2+D3+D4)/282=(1。0+39。59+70。5+4。52）/282。8=115。62/282。8=0。41元/t。

　�、诜礇_洗鐵膠體消耗水費(fèi)：水費(fèi)仍以5元/t計(jì)算，1200海綿鐵除氧器，截面積1。13m2，反洗強(qiáng)度為27升/m2。秒，連續(xù)運(yùn)行五天反洗時間累計(jì)為60分鐘，反洗用水量q=27×60×60×1。13=109。8t。120小時生產(chǎn)脫氧水2040t，自耗水=109。8/2040=5。4%，

　　反沖水費(fèi)=5。0×5。4%=0。27元/t

　�、酆＞d鐵粒消耗費(fèi)用：水中溶解氧含量以8克/m3根據(jù)反應(yīng)式計(jì)算除去8克氧消耗海綿鐵28克(1mol)，海綿鐵利用率以50%計(jì)，價(jià)格以10000元/t計(jì)，B=28×2×10/1000=0。56元/t。

　�、茈娰M(fèi)：15kw反沖洗泵，運(yùn)行半小時，全國平均電費(fèi)每度以0。5元計(jì)，出力17t/h海綿鐵除氧器一個沖洗周期內(nèi)，每噸脫氧水承擔(dān)電費(fèi)C=15×0。5×0。5/2040=0。01元。

　　⑤設(shè)備折舊費(fèi)：設(shè)備價(jià)以2000元/t出力計(jì)，折舊率以5%計(jì)，每年運(yùn)行330天計(jì)E=2000×10%/7920=0。025元/t脫氧水，海綿鐵除氧總成本Q4=①+②+③+④+⑤=0。41+0。27+0。56+0。01+0。025=1。28元。

　　2、替代海綿鐵粒除氧節(jié)能效益

　　3、技改費(fèi)回收時間

　　Y=6500/7286。4=0。89年，即11個月收回投資。

　　(五）替代加藥除氧

　　加藥除氧是在水中加入還原劑，把水中溶解氧還原。常用還原劑有亞硫酸鈉，與溶氧反應(yīng)生成硫酸鈉：

　　2Na2SO3+O2→2Na2SO4

　　或加聯(lián)氨生成水和氮：

　　2N2H4+O2→2H2O+N2↑

　　加藥除氧共同缺點(diǎn)是污染水質(zhì)。鍋爐給水中帶進(jìn)有害雜質(zhì)，增加爐水含鹽量，加快電化學(xué)腐蝕，增加爐水排污水量，增加熱損失和水損失。另一缺點(diǎn)是增加藥品消耗，所加除氧還原劑一般要過量30%，僅用作熱力除氧后二次除氧，如發(fā)電廠在熱力除氧后水中殘余氧含量在0。03～0。05mg/L的水中加入聯(lián)氨，并過量，使?fàn)t水中聯(lián)氨保持在0。05～10mg/L，以保證超高壓鍋爐爐水中殘余氧含量為≤0。007mg/L。工業(yè)鍋爐加藥除氧常用亞硫酸鈉，亞硫酸鈉與氧反應(yīng)生成硫酸鈉，除氧后水中硫酸鈉與水中鈣離子生成硫酸鈣沉積在鍋爐內(nèi)壁生成硫酸鈣水垢，硫酸鈣垢不能用化學(xué)酸洗清除，給鍋爐維修增加困難。剩余亞硫酸鈉與鈣離子生成亞硫酸鈣水垢，亞硫酸鈣垢在高溫下分解為二氧化硫和氧化鈣，造成二氧化硫?qū)︿撹F的腐蝕，反應(yīng)如下：

　　CaSO3→CaO+SO2↑

　　因此，目前，國外發(fā)達(dá)國家，鍋爐給水除氧己不用亞硫酸鈉，用聯(lián)氨，碳酰肼、等有機(jī)還原劑。但這此還原劑價(jià)格高。除氧成本在1元/t以上。