化學除氧器

概述利用研制出的高效催化樹脂進行鍋爐補給水除氧，克服了傳統的單純投加亞硫酸鈉除氧存在的各種弊端

概述
 利用研制出的高效催化樹脂進行鍋爐補給水除氧，克服了傳統的單純投加亞硫酸鈉除氧存在的各種弊端。試驗結果表明，該技術具有催化樹脂性能穩定、除氧效果好、藥劑投加量低、催化反應時間短等優點。
    亞硫酸鈉（Na₂SO₃）是一種較強的還原劑，與水中溶解氧反應生成硫酸鈉（Na₂SO₄），從而使其消失。在中小型鍋爐中常作為除氧輔助藥劑來使用，但在常溫條件下，單純投加Na₂SO₃，存在下列問題^[1~2]：①盡管其投加量很高（約為理論值的2~3倍），但無論是軟化水還是自來水，其出水溶解氧含量都達不到《工業鍋爐水質》（GB 1576-2001）標準（≤0.1mg/L或0.05mg/L）。②Na₂SO₃與水中溶解氧的反應速度慢，反應時間至少需要3min，才可使氧的去除率達到******。
本文介紹了針對單純投加Na₂SO₃除氧存在的上述問題，研制出了具有較高性能的催化樹脂，在常溫條件下，經實驗室靜態、動態及現場中試試驗，探索了該處理技術的可行性，并對催化樹脂的穩定性進行了測試，確定出了除氧設備的******設計參數。試驗結果及實際應用表明，該技術可明顯降低藥劑投加量、大大加快除氧反應速度、使催化反應時間大為縮短，且除氧******，催化樹脂性能穩定。
 
1.化學催化除氧的實驗室試驗
1.1 催化樹脂的制備
    催化樹脂是以強酸性陽離子交換樹脂為載體，在特定條件下，通過一定方法將催化劑固定到載體上面。該催化劑能在一定空間內自由活動，在溶解氧與化學還原劑（Na₂SO₃）所進行的化學反應中起催化作用。
1.2 靜態試驗
    在系列三角瓶中，各加入10mL催化樹脂和500mL軟化水（溶解氧含量等于6.56mg/L），然后加入無水Na₂SO₃，蓋上瓶塞，不問斷地振搖反應若干時問，靜置片刻，即進行溶解氧測定。
    Na₂SO₃投加量、反應時間及溶解氧測定結果見表1。由表1可見，除Na₂SO₃投量為27mg時出現有氧以外，其余各組水中均未檢出溶解氧。而***經濟的方案是Na₂SO₃投量為30mg（相當于60mg/L），即去除1mg/L溶解氧，所需Na₂SO₃投加量約為10mg/L?？紤]到藥劑的純度，僅比理論投加量多10%，投加量比單純投加Na₂SO₃時大幅度降低；反應時間僅為0.5min，這是由于催化樹脂中催化劑的作用，雖然在整個化學反應過程中其自身的組成、化學性質不發生變化，但它可以改變反應的歷程，降低反應的活化能，由此增大了活化分子數，使分子間有效碰撞增加，從而提高了化學反應速度，使反應時間大幅度縮短。
 
  
表1  Na₂SO₃投加量、反應時間及溶解氧測定

Na2SO3投加量 /mg	45			40			35			30			27
反應時間/min	2	1	0.5	2	1	0.5	2	1	0.5	2	1	0.5	2	1	0.5
溶解氧/mg/L	0			0			0			0			>0

 
    為了檢驗催化樹脂的穩定性能，用同一份催化樹脂（10mL）反復進行了204次試驗。此時，累計處理水體積相當于樹脂體積的10200倍，各組試驗水中均未檢出溶解氧，說明催化樹脂仍具有良好的催化穩定性能。
1.3 動態試驗
在小型有機玻璃柱中，裝填的催化填料高1m。軟化水中溶解氧含量在6.7~7.0mg/L的范圍內。水中Na₂SO₃投加量為70mg/L?？偼ㄋ肯喈斢谔盍象w積的4250倍，而此時填料仍具有催化性能。
 
2.化學催化除氧的生產性中間試驗
2.1 工藝流程與試驗設備
    根據實驗室靜態及動態試驗結果，初步確定了設計參數，設計出中試試驗裝置，并在我院鍋爐房水處理車間實際進行了應用。

1。主要設備及參數見表2。此外，還裝有水射器、流量計及相應的閥門等。
圖1   化學催化除氧中試試驗工藝流程
 
表2   中試主要設備參數

名  稱	尺  寸/mm	參  數
催化反應器 配藥箱 管道混合器	Φ×H=300×1600 L×B×H=350×350×850 D×H=300×480	填料高1.2m 有效容積78L

 
    其工作的基本原理為:向含有溶解氧的軟化水中加入具有較強還原性能的化學還原劑（Na₂SO₃），通過管道混合器快速混合，流經裝有催化填料的反應器，在接觸催化作用下，使得溶解氧與化學還原劑快速反應，達到在進入鍋爐之前即去除水中溶解氧的目的。
2.2 中試過程及結果
    中間試驗歷時近1個月，共運行了11個周期，出水量為2.4m³/h，在試驗期間，軟化水硬度c(1/2Ca²⁺)≤0.03mmol/L，軟化水溶解氧含量變化在7~8 mg/L的范圍內，水溫為8~10℃。主要運行參數運行流速為34m/h；根據靜態試驗結果，為安全起見，取催化反應器空塔停留時間為2min(實際反應時間約為1min)，則催化填料高1.2m；進水壓力為0.18~0.2 MPa。試驗數據見表3。
    運行數據表明，在Na₂SO₃耗量為70~80mg/L的條件下，出水溶解氧含量均未檢出。整個裝置在運行期間，極少反沖洗，催化樹脂也不需要再生，運行穩定******。
表3  化學催化除氧裝置中試試驗運行結果

運行周期序號	運行時間/h	出水量/m3/h	周期產水量/m3	進水壓 力/MPa	出  水 溶解氧/mg/L	Na2SO3 單位耗量/mg/L	檢測水樣數/個
1	5.50	2.4	13.2	0.18	0	68.0	5
2	7.43	2.4	17.8	0.18~0.19	0	70.2	5
3	7.50	2.4	18.0	0.19	0	78.7	7
4	7.75	2.4	18.6	0.19	0	69.4	7
5	7.50	2.4	18.0	0.19~0.2	0	76.6	8
6	7.53	2.4	18.7	0.19	0	75.4	7
7	7.25	2.4	17.4	0.19	0	76.6	7
8	7.33	2.4	17.65	0.19	0	77.5	7
9	7.40	2.4	17.8	0.19~0.2	0	81.4	7
10	6.72	2.4	16.1	0.19	0	75.3	6
11	7.60	2.4	18.2	0.19	0	80.5	7

 
3.成本分析
    以產水量為10m³/h的裝置為例，采暖期為4個月(120天)；原水溶解氧以8mg/L計算，則亞硫酸鈉投加量為80mg/L。催化樹脂裝量為0.32t。
    (1)所需亞硫酸鈉費用：10m³/h×80g/m³×24h/d×120d×10^-3×2.3元/kg=5 299.2元。
    (2)為安全起見，催化劑用量按一個采暖期再生催化樹脂1次計算，催化劑費用：0.32m³×8kg/m³×400元/kg=1024元。
    (3)除氧裝置按每月反沖洗2次計算，每次耗軟化水量為0.55m³，反沖軟化水費用：0.55m³/次×2次/月×4月×1元/m³=4.4元。
    (4)水泵噸水耗電量為0.15kW·h，進水泵電費：0.15kW·h/m³×10 m³/h×24h/d×120d×0.5元/(kW·h)=2160元。
    合計:5299.2+1024+4.4+2160=8487.6元。
    整個采暖期總產水量為10×24×120=28800m³。則噸水成本為：8487.6/28800 =0.29元。
    若進水壓力滿足要求（≥0.2MPa），且不考慮樹脂的再生催化，則噸水成本僅為：（5299.24+4.4）/28800=0.18元，與其它除氧方法相比，其處理成本處于較低水平。
    除氧裝置自用水率為：0.55×2×4/28800=0.15‰。，極少。
4結語
    通過化學催化除氧實驗室靜態試驗、動態試驗以及中試試驗，可以認為該除氧工藝是可行的。試驗中所取得的基本數據與有關參數可應用于生產性裝置的設計計算和作為運行操作的依據。
    該化學催化除氧技術具有如下特點：
    (1)由于采用催化除氧，大大加快了反應速度，軟化水可在常溫或低溫下進行除氧，出水溶解氧含量≤0.05mg/L，除氧效果穩定******。
    (2)每去除1mg/L溶解氧，該技術所需Na₂SO₃投加量為10mg/L，僅略大于化學反應所需的理論值，因而制水成本較低。
    (3)催化反應器無需再生，也極少反沖洗，故水利用率高，同時使裝置的操作管理大為簡化。
    (4)催化樹脂性能穩定，可長期運行。
    (5)該催化除氧技術可看作是爐外與爐內除氧處理的結合。鍋爐外，經過化學催化反應，軟化水中溶解氧即已去除，而反應過程中剩余的少量Na₂SO₃仍可在管道系統中繼續進行化學除氧反應。
(6)催化反應器運行流速為25~35m/h ,催化樹脂層高1.2m。