（核能科学与工程专业论文）丝网膜式除氧器性能研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 由于直流锅炉、直流蒸汽发生器等装置的运行特点，要求给水的水质 很高，给水含氧指标也较一般的装置高，现有的单级低压鼓泡式除氧器难以 达到这一要求。又由于某些空问位置的限制，如船舶条件，因此为满足给 水性能要求，开展高效而小型化的除氧技术研究是很有意义的。 本文在喷雾一填料式除氧器研究成果基础上，通过分析除氧器传热传 质的特点，设计了一种新型的丝网膜式除氧器，并进行了试验研究。试验 研究了除氧器丝网圈的除氧特性以及丝网膜式除氧器的负荷特性。研究结 果表明，除氧器丝网圈大大改善了热力除氧所需的传质条件，起到了深度 除氧的作用，该种新型除氧器具有优良的稳态性能和变工况性能。 本文还在自行设计的“三流体”喷嘴实验基础上，设计了一种新型的 喷嘴结构形式，并数值分析了喷雾过程对喷嘴外部流场产生的影响。结果 表明，在稳态、不喷雾计算条件下，气流的初始速度越大，喷距就会越长， 计算域内速度场的扩散角度就会越小；轴线方向上的速度衰减较快；外部 流场的压力基本保持不变。在非稳态、喷雾计算条件下，离散相液滴与气 流相互耦合，增大了速度场的扩散角度，加剧了气流的卷吸作用；由于液 滴的惯性较大，轴向的速度衰减较小。f l u e n t 软件可以较好地模拟空气雾 化式喷嘴的喷雾过程、流场分布特性，为喷嘴的优化设计提供有力的支持。 关键词：丝网膜式除氧器；除氧技术；喷嘴；数值分析 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ew a t e rq u a l i t yo fo n c e m m u g e hb o i l e ra n do n c e - t h r o u g hs t e a m g e - n e r a t r e ri sh i g h , f o ri t so p e r a t i o nf e a t u r e s t h e ni t so x y g e nl e v e lo fw a t e ri s l l i g ht h a nc o n v e n t i o n a lp o w e rp l a n t a tp r e s e n t , as i n g l el o wp r e s s u r eb u b b l e t h e r m a ld e a c r a t o r si sn o tm e e ti t i na d d i t i o n , c o n s i d e r i n go fs p a c ec o n d i t i o n , i t i sv a l u a b l et os t u d yh i g h - e f f i c e n c ya n dm i n i a t u r i z e dt e c h n o l o g yo fo x y g e n r e m o v a l b a s eo nt h er e s u l to fs p r a yt r a yd e a e r a t o rr e s e a r c h ，t h en e t t e df i l mt y p e d e a e r a t o rw a sd e s i g n e db ya n a l y z i n gh e a ta n dm a s st r a n s f e rc h n r a c t e r i s t i c so f d e a e r a t o ri nd i s s e r t a t i o n a n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw a sd o n e t h ed e a e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fn e ti nd e a e r a t o r ，a n dt h e1 0 a dc h a r a c t e r i s t i c so fn e t t c df i l m t y p ed e a e r a t o rw e r es t u d i e d t h er e s u l to fe x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi n d i c a t e st h a t n e ti nd e a e r a t o ri m p r o v et h em a s st r a n s f e ra n dd e a e r a t i o ne f f i c i e n c y , a n dt h e s t e a d y u n s t e a d yo p e r a t i o no f t h i st y p ed e a e r a t o ri sf m e b a s e d0 1 1t h ee x p e r i m e n t su s i n gs e l f - d e s i g n i n g 、h r e e f l u i d s ”n o z z l e ，o n e n e w t y p en o z z l ew a sd e s i g n e d t h ec h a r a c t e r so fe x t e r i o rs t r e a mo ft h i sn o z z l e w e r es t u d i e db yu s eo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , a n d s p r a y i n gp r o c e s sw a s a n a l y z e d r e s u l t ss h o wt h a ti n i t i a lv e l o c i t yo fa i r f l o wi sf a s t e ra n dt h e nj e t d i s t a n c el o n g e rb e f o r es p r a y i n g ，a n dd i f f u s i o na n g l eo f v e l o c i t yf e l di ss m a l l e r a n dt h es t a t i cp r e s s u r ea l o n gt h ea x i so fe x t e r i o rs t r e a mr e t a i n sac o n s t a n t d u r i n gs p r a y i n gp r o c e s s ，t h ec o u p l i n gb e t w e e nw a t e ra n da i rh a ss t r o n ge f f e c t o nt h ee x t e r i o rs t r e a ma n dm a k e st h ed i f f u s i o na n g l eo fv e l o c i t yf i e l d i n c r e a s i n g ，a n dt h e ns t r e n g t h e n st h ee n t r a i n m e n to fa m b i e n ta i r v e l o c i t yo f a i r f l o wa l o n gt h ea x i so fe x t e r i o rs t r e a md e c r e a s e sq u i c k l y a n dv e l o c i t yo f d r o p l e t sa l o n gt h ea x i so fe x 嘶o rs t r e a mv a r i e sl i t t l e k e y w o r d s ：n e t t e df i l md e a e r a t o r , o x y g e nr e m o v a lt e c h n o l o g y , n o z z l e ，n u m e r i c a n a l y s i s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i | 1 1 概述 第1 章绪论 能源是入类社会生存与发展的基石，它既是国民经济的基础产业，又 是推动国民经济发展的原动力，它体现了一个国家的综合国力、人民生活 水平及国家文明发展的程度。能源又是我国国民经济持续发展的一个长期 制约因素。我国能源资源虽比较丰富，但结构不合理，分布不均衡，利用 效率低，环境污染严重。这些问题不解决，将严重困扰我国经济的持续发 展。而核电是一种安全可靠清洁的能源，为了解决我国地区能源短缺和以 燃煤为主的能源结构造成的环境污染和交通运输紧张等问题并为国民经济 可持续发展提供能大规模供应的能源，我国必须发展核能“7 。 由于核电熟力系统安全性要求很高，为保证核动力热力系统各设备安 全经济运行，相应的提高了给水水质指标，给水含氧标准方面也较一般的 装置要高。随着软化水处理技术的普及和发展，锅炉及供热系统除氧问题 变得日益重要。每年因氧腐蚀而对锅炉及换热设各造成的严重损失，已引 起人们越来越多的注意。 为此，进行高效的除氧器除氧技术研究成为目前科研人员比较关心的 个问题。 除氧器是常规动力装置和核动力装置热力系统中的一个重要设备，它 的功能在于：( 1 ) 给水除氧，减轻及避免氧对管路及系统设备的氧化腐蚀， 提高整个系统的运行寿命及可靠性。( 2 ) 给水加热，有利于系统效率的提高。 除氧器的有效利用可以提高整个动力装置运行的安全性、可靠性和寿命。 在设计和选用除氧器时，其运行特性是人们最关心的因素之一o 】。 1 2 给水除氧的意义 在核动力装置运行过程中，凝水系统中经常会有若干氧气和二氧化碳， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这些气体主要是由真空部分的不严密处漏入和补水输水带入。这些气体的 存在会引起系统各部件的腐蚀，给系统的安全性带来严峻挑战，通常我们 把这种气体叫做有害气体。如氧在给水系统和省煤器进口部分，会产生电 化学反应，造成电化学腐蚀。电化学腐蚀会造成给水系统和省煤器迸口部 分产生麻点、凹坑和穿孔等缺陷。给这些设备带来极大危害性。影响系统 的安全运行。特别是装置在除氧器后的给水泵，由于温度高，轮轴高速运 动，不易形成保护膜，故腐蚀更严重。 由于核动力工程在安全性方面具有更加严格的要求，所以对给水标准 也相应的提高了。为了防止这类腐蚀，必须从凝结水中除去这些有害气体， 特别是氧气，这就是给水除氧的目的”1 。 1 2 。1 给水溶氧的危害 在热力系统中，氧腐蚀对熟力设备的危害可以由两个方面表现出来： 首先，氧腐蚀会造成给水管道直至锅炉省煤器的局部腐蚀，严重时会引起 管壁穿孔泄漏；其次氧腐蚀所生成的腐蚀产物一金属氧化物，会随给水带 进锅炉“1 或蒸汽发生器，在水的循环和蒸发过程中，这些腐蚀产物在热负 荷较高的区域内沉积结垢，造成管壁传热不良，以及产生溃疡性垢下腐蚀； 严重时，会发生泄漏和爆管。这不仅要消耗大量的钢材，而且会造成事故， 危害运行的安全性和经济性。 热力系统溶氧一般都伴随有不凝性气体，这些不凝性气体还会影响热 力系统的工作过程，降低系统的效率。尤其是对汽轮机和冷凝器的影响最 为突出。在汽轮机中，由于不凝性气体的存在，一方面会降低蒸汽的可利 用焓降，影响汽轮机的输出功率；另一方面，对于汽轮机的低压部分，不 凝性气体会影响蒸汽的膨胀，增大级损失，降低汽轮机的效率。 含不凝性气体的蒸汽排入冷凝器后，由于蒸汽凝结成水滴或水膜，从 而在汽液的交界面上存在一层不凝性气体层，这一气体层形成一个大热阻， 蒸汽必须穿过这一气体层才能在液体表面上凝结下来。所以相应于冷凝器 的压力而言，必须将水冷却得较此压力下的饱和温度更低些，于是，必须 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 加大冷却水量。这不仅造成了冷却水泵功率的浪费，而且被冷却水带走的 更多的热量也浪费掉了。另外，不凝性气体还影响冷凝器真空度的保持， 使冷凝器不能正常工作。 1 2 2 给水的含氧标准 含氧量是给水水质的重要指标之一，它直接决定热力设备的腐蚀速度。 熟力系统给水中含氧量的增加，增加了从凝汽器到除氧装置之间水管道的 腐蚀及给水管道结构材料的氧化腐蚀，除了引起金属损伤外，铁、铜和其 它物质的氧化腐蚀产物还可能在锅炉受热面和汽轮机通流部分沉积结垢， 使设备运行极端复杂并可能导致事故状态。并且，在热力系统中，水、汽 的温度一般较高，氧腐蚀的速度较快，又加上腐蚀有局部性和延续性的特 点嗍，因而它对热力设备有很大的危害。我国电力工业技术管理法规 规定给水除氧的指标为“1 ：对工作压力为5 8 8 m p a 及以下的锅炉给水含氧 量应小于1 5 “g l ；对工作压力为5 9 8 m p a 及以上的锅炉给水含氧量应小于 7 1 t g l ；对亚临界和超临界参数的锅炉，则要求给水彻底除氧。所以，从抑 制热力设备金属的氧腐蚀提高热力系统运行安全性和经济性来说，做好给 水除氧的工作是十分重要的。 1 2 3 影响氧腐蚀的因素 溶氧腐蚀的速度主要取决于氧扩散到阴极表面的速度，因此它同溶氧 的浓度、水温、水的流速和其p h 值有关，而受金属的成分、热处理方式、 加工工艺等因素的影响不大。 1 ) 水的p h 值 图1 1 是在溶氧浓度为l m g l 的纯水中，碳锈的平均腐蚀速度和p h 值的关系。可见： ( 1 ) 在p h 值4 - 1 0 范围内，腐蚀速度几乎不随溶液的p h 值的变化而改变。 这是因为在这个区域内，溶氧的浓度扩散控制了整个腐蚀过程。如果 这个速度固定，则氧腐蚀的速度也将恒定不变。腐蚀形式是不均匀的， 腐蚀速度较低，这是由于腐蚀产物覆盖在金属表面上，阻碍了氧的扩 哈尔滨工程大学硕士学位论文 散而保护了金属表面。 ( 2 ) p h 值小于4 时，溶氧腐蚀速度将明显增加。在此p h 值范围内，腐蚀 产生的氧化物覆盖膜全部溶解，使金属和酸性介质直接接触( 类似酸 洗时的情况) ，腐蚀速度将大大增加。在这个范围内的阴极反应有两个： 即既有2 h + + 2 e h 2t 的析氢反应，又有0 2 + 2 矿+ 4 e 一2 0 h 一的耗氧反 应。整个腐蚀速度不仅被氧浓度扩散所限制，两是两个去极化反应的 综合，使腐蚀速度显著增加，可达几毫米年。 董 毒 童 魁 鹭 叠 篓 串 o 1 o 1 出 z04j6th9l ui il zi ； 棚僵 图i i 碳钢的腐蚀速度和p h 值的* 系 ( 3 ) 在p h 值为1 0 - - 1 3 的范围内时，腐蚀速度下降。因为在该p h 值范围内， 由于形成钝化膜而使腐蚀速度下降，金属表面受到保护。 ( 4 ) 当水溶液的p h 值大于1 3 时，腐蚀速度又将增加。在碱度极大时，金 属表面已形成的钝化膜会溶解，生成可溶性络合物，例如n a f e 0 2 和 n a a ：e 0 2 。这种反应在室温时进行得很慢，但在水溶液温度达到饱和时， 反应进行的极快，腐蚀速度可达几十毫米年。因此在给水或炉水加碱 处理时，其p h 值不可过高，考虑到其它因素的影响，炉水的p h 值一 般不应超过i i 0 。 2 ) 溶解氧的影响 溶解氧的存在是引起金属腐蚀的一个主要原因，氧含量越高则腐蚀速 4 啥尔滨工程大学硕士学位论文 j i i i i i 日j i | i i i i i i i i i i ；j i i | i i i ；| i 度越快。在开式循环冷却水系统中，冷却水在机械通风式凉水塔中经喷淋 与空气逆流接触，在自身降温的同时，其中的氧含量也增加至饱和状态， 如果冷却水随后进人一个壁面式热交换器冷却另一高温流体，则容易在高、 温壁面的冷却水侧发生氧腐蚀“1 。锅炉给水要进行彻底除氧，其原因就在 于此。但在一些特定的条件下，水中溶氧浓度越高，在钢铁表面形成致密 保护膜( 亦称钝化膜) 的可能性越大，从而减慢其腐蚀速度。 对于铁一水体系而言，要使铁达到钝化，水中的溶氧必须达到一个较 高的浓度值，称之为氧的钝化临界浓度。例如，在p h 值为7 的中性纯水 中，在室温时氧的钝化临界浓度为1 2 m g l ；当p n 值大于1 0 时，氧的临 界浓度则为6 m g l 。 3 ) 水的温度 此处的温度并不是指水本身的温度。在水中氧含量一定的情况下，传 热壁面温度越高，溶解氧的性质越活泼，越容易发生氧腐蚀，水中氧的溶 解度是随着温度的降低而增加的，这就解释了为什么在敞开式循环冷却水 系统中，循环水在凉水塔中与空气接触，在降温的同时却增加了氧，随后 进入冷却器中，使高温流体冷却时最容易发生氧腐蚀。据资料“1 介绍，热 流体的温度在1 5 0 以上，氧腐蚀的速度将大大加快。 在受氧浓度扩散所控制的腐蚀过程中，当溶氧浓度固定时，水温升高， 腐蚀速度就会增加。一般温度每升高3 0 ( 2 ，腐蚀速度就会加快一倍。 4 ) 水的流速 水的流速增加，在一般情况下会使腐蚀速度加快，这是因为随着水的 流速加快，氧的扩散速度也增加。但当水的流速达到一定程度时，即金属 表面的溶氧浓度达到了使铁钝化的临界浓度，这时就会出现铁的钝化，腐 蚀速度变慢。当水的流速继续增加时，钝化膜或腐蚀产物又因被水力的冲 刷而破坏，使腐蚀速度又重新增加。实际上。达到l 临界浓度的最佳流速在 运行中因受多种因素的影响，不能作为控制腐蚀速度的一种办法。 5 ) 水中固形物 当水中悬浮物或溶解固形物的数量较多时，容易在金属壁面上形成水 哈尔滨工程大学硕士学位论文 垢，如果垢层与管壁间存在0 1 0 3 m m 的缝隙，则在垢层下的金属会加 速腐蚀，称为垢下腐蚀。垢下腐蚀的产生是因为在这个尺寸范围的缝隙中 存在的液体不能流动，不能流动的液体不能补充氧，遂成为缺氧区，缺氧 区的换热管壁是阳极，发生铁的氧化反应，其余没有垢层的管壁或是有大 间隙的管壁，因为有饱和氧而成为阴极，发生氧的还原反应。大阴极和小 阳极的组合使阳极区的垢下金属加速腐蚀。另外，缝隙内的金属发生阳极 溶解反应成为金属离子后，缝隙内的溶液中有了过剩的正电荷，如果冷却 水中有氯离子存在，则带负电的活性氯离子( 体积小活性大) 会迁移到缝隙 中，以保持缝隙内溶液的电中性。结果缝隙中金属氧化物的浓度增加，随 着金属氧化物的水解而使缝隙中的溶液酸化，从而加速金属的溶解。 1 2 4 防止氧腐蚀的措施 主要可以选用以下的措施来防止或减速氧的腐蚀： 1 ) 选用耐蚀材料； 2 ) 水侧壁面采用涂层保护； 3 ) 采用闭式循环冷却系统。采用带翅片的风冷却器来降低水温： 4 ) 在开式循环冷却系统中，在凉水塔后增加除氧装置，以降低进入换 热器的冷却水中氧含量。如可使水流经装有还原性填料的塔，使水中的溶 解氧与还原性填料反应而被消耗掉。常用的还原性填料有铁屑、海绵铁和 还原性树脂等； 5 ) 在冷却水中加进缓蚀剂、阻垢剂和杀藻剂； 6 ) 增加过滤器，及时除去冷却水中杂质，定时清除换熟壁面上的垢层； 7 ) 使用电子除垢器； 8 ) 调整水的p h 值在8 5 一l o 之间，能有效地减少氧腐蚀； 9 ) 对冷却水进行臭氧处理，可阻垢、缓蚀、杀菌，经济可靠，无二次 污染，是一种新型的冷却水处理方式。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 不同除氧方式的特点 除氧方法可以有很多种不同的分类方法，主要有物理方法和化学方法 两种。物理方法又包括热力除氧和解析除氧：化学方法包括化学除氧、电 化学除氧和氧化还原树脂除氧。 1 3 1 物理方法 1 ) 热力除复 热力除氧是最常用的一种除氧方法。热力除氧是通过加热给水，使之 达到饱和温度，氧的溶解度减小而逸出，不断排除水面上的氧气，使充满 蒸汽，从而保证给水含氧量达到标准。热力除氧可以分为三种，即大气式 热力除氧、真空除氧和压力式热力除氧。 ( 1 ) 大气式热力除氧 为了便于逸出的气体能向除氧器外排出，大气式热力除氧器的运行压 力比大气压力稍高( 一般为o 1 2 o 1 2 5 m p a ) 。大气式热力除氧方式广泛应 用于蒸汽锅炉的给水中。它具有以下特点：( 1 ) 不仅能除氧，两且能除去二氧 化碳及氮气；( 2 ) 除氧效果稳定可靠，易于控制，管理方便；( 3 ) 除氧水中不增 加含盐量，也不增加其它气体的溶解量；( 4 ) 用蒸汽量多，设备体积大；( 5 ) 负 荷变动时不易调整；( 6 ) 无法用于热水锅炉。 ( 2 ) 真空除氧和压力式热力除氧 由亨利定律可知，在封闭容器中，气体在水中的融解量与该气体在水 面上的分压成正比。水在沸腾时，水蒸汽在水面上的分压增加，融解于水 中的气体分压随之减小，当水面上充满水蒸汽时，水不再具有融解气体的 能力，水中所融解的气体便析出。这就是真空式除氧器的工作原理。真空 式热力除氧器构造与大气式热力除氧器相同，只是在系统上多套抽真空 的装置。由于这种除氧器要求系统严密性强，给管理带来很大不便，因此已 很少采用此法。压力式热力除氧在0 5 1 5 m p a 的压力下工作。 2 ) 解析除氧 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 解析除氧是利用亨利定律，即降低液面上氧分压时液体中的氧气溶解 度也降低的原理。将不含氧的气体与要除氧的水强烈混合接触，给水中的 氧气分压接近零，给水中的氧就大量扩散到无氧的气体中，从而给水的含 氧量降低。从给水中扩散出来的氧气随着原无氧气体流至反应器，在反应 器内与炽热的木炭作用，使氧生成二氧化碳，残存的氧气量极微，然后再 将此气体作为无氧气体与要除氧的水强烈混合，如此循环。解析除氧是2 0 世纪5 0 年代由原苏联引进”1 ，反应剂为木炭，由烟气对其加热。存在的主 要问题是：受锅炉负荷变化的影响很大，而工业锅炉热负荷波动较大，难以调 整，效果不稳定；反应温度较高，安装维修很不方便。另外，虽运行费用较低。 但除氧后水中c 0 2 含量有所增加，p h 值降低0 2 o 3 ，在存在c 0 2 的情 况下，溶解氧腐蚀会大大加速，且管理复杂，易造成除氧效果不佳。因此国内、 外已基本不采用此法。2 0 世纪7 0 年代机械部设计研究总院对此进行了改 进，反应剂仍为木炭，加热改为电加热，虽解决锅炉负荷波动的问题，但电阻 丝及热电偶易被烧坏，且耗电量大，因而也未广泛推广。以后清华大学、赊 尔滨建筑工程学院等单位又对其进行了不同思路的改进，但由于存在问题 仍未被大量使用。 1 3 2 化学方法 1 ) 化学除氧 化学除氧是通过添加能与氧反应的化学药剂，生成氧化性很小的产物。 药剂一般有钢屑、亚硫酸钠和联氨( 肼) 。钢屑除氧投资小，操作简便，但 更换钢屑劳动强度大，除氧效果达不到水质标准要求，一般作为其它方法 的预处理。还原铁粉过滤除氧方式“1 ，适用于工业锅炉，可常温下除氧，运行 费用也较低，需适时补充除氧荆。加化学除氧剂的方式，通常情况下可达到 水质标准要求，但运行成本较高，会增加水中含盐量，使锅炉排污量加大。从 而增加热损失，如亚硫酸钠除氧“”。加化学除氧剂方式，一般用于小型锅炉。 2 ) 电化学除氧 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电化学除氧，是应用电化学保护的原理，使一种易氧化的金属发生电 化学腐蚀，让水中的氧被消耗掉而去除。不外加直流电流时，应选用比钢 铁活泼的金属；外加直流电流时，则不必选用比钢铁活泼的金属。 3 ) 氧化还原树脂除氧 水中溶氧在氧化还原树脂中是通过一系列反应实现除氧的。载体型除 氧树脂，如y - 1 2 一0 6 树脂( 电子工业部第十二研究所研制) 1 ，除氧效果 很好，但出水含微量肼，不可用于饮用，其再生液及清洗的水中含肼较多， 排放后对环境有污染；l h y 树脂，除氧效果能达水质标准要求，再生工艺 简单，但树脂价格高，初投资大，还原用亚硫酸钠量较多。 触媒型除氧树脂，就是以树脂为载体，将经过活化处理的金属钝粒子 ( 做催化剂) 吸附在其表面上。采用触媒型树脂除氧的方式，又称催化加氢 除氧技术，是一种新型除氧方式，它通过一定条件使氢与氧发生反应变成 水，从而达到除去溶解氧的目的。由于这种方式不使用蒸汽，反应生成物为 水，不增加水中含盐量，因此是一种节能，环保的除氧方式。美国最早用 于核电站除氧问题，最近几年我国台湾地区也有应用的例子，但国内还未 发现研究及应用的报道。由于国外的报告缺乏关键资料，我们有必要做这 方面的研究工作，使之尽早用于工程实践中。 1 4 热力除氧技术的发展现状 目前电厂中普遍采用热力式除氧器进行除氧。现在运行的热力除氧器， 大气式除氧器单级除氧性能可达2 0 , g l 左右。但在实际应用中还存在着一 些问题：首先经熟力除氧以后的软水水温较高，容易达到锅炉给水泵的汽 化温度，致使给水在输送过程中容易被汽化：其次，这种除氧方法要求设 备高位布置，增加了基建投资，设计安装、操作、都不方便；第三，使得 锅炉房自耗汽量增大，减少了有效外供汽；第四，对与小型快装锅炉和要 求低温除氧的场合，熟力除氧有一定的局限性，对于纯热水锅炉房也不能 采用。 就目前所进行的有关热力除氧技术的研究来看，主要进行的是除氧设 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 备关键部件的研究工作。淋水盘式热力除氧器多半在淘汰或技术改造之列， 与之相关的研究也就集中在装置的运行改造上。喷雾一填料式除氧器是目 前比较成熟的热力除氧设备，有关此方面研究的大部分注意力集中于除氧 喷嘴的设计和改进，目前不仅出现了适用于传统喷雾一填料式除氧器的新 型压力喷嘴“，而且出现了以加热蒸汽为工作汽源的二流体或三流体喷 嘴，二流体喷嘴和三流体喷嘴能很好地保证加热，传质地情况则可以通过 别的手段来解决。近来还出现了一种以旋膜管作为关键部件的热力除氧设 备，由于一开始水流就呈液膜的形式，且液相和汽相始终逆流流动，所以 只要加热能够保证，传质是没有什么问题的，据文献介绍此种热力除氧设 备有优良的工作性能。 本论文所进行的研究是立足于提高单级除氧器的性能，在研究了喷雾 填料式除氧器后，对其关键部位进行改造，形成了更高效可靠的膜式除氧 头，并且研究其除氧特性，为实现热力除氧器的小型化高效化做了一些基 础性研究工作。 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章热力除氧器 在各热力系统设备及管道、法兰等不严密的地方都有渗入空气的可能 性“”。丽其中的氧是给水系统和锅炉的主要腐蚀性物质，它会腐蚀锅炉的 给水系统和部件，腐蚀产物氧化铁会进入锅内，沉积或附着在锅炉管壁和 受热面上，形成难溶而传热不良的铁垢，而且腐蚀会造成管道内壁出现点 坑，阻力系数增大。管道腐蚀严重时，甚至会发生管道爆炸事故。因此除 氧是一个非常关键的一个环节。 热力除氧一般有大气式热力除氧和喷射式热力除氧。其原理是将锅炉 给水加热至沸点，使氧的溶解度减小，水中氧不断逸出，再将水面上产生 的氧气连同水蒸汽一道排除，还能除掉水中各种气体( 包括游离态c 0 2 ， n 2 ) ，如用铵钠离子交换法处理过的水，加热后nh 3 也能除去。除氧后的 水不会增加含盐量，也不会增加其他气体溶解量，操作控制相对容易，而 且运行稳定、可靠，是耳前应用最多的一种除氧方法。采用热力除氧经济、 实惠、效率高m 。 2 1 热力除氧器的发展 我国从7 0 年代开始对雾化除氧器进行研究和应用，已取得了良好的结 果。尤其在7 0 年代中期，对恒速雾化技术和除氧器滑压运行的开发，明显 地提高了热力除氧器的安全、经济性能。 苏联从6 0 年代末开始大力开发泡沸式除氧器。目前已有真空、大气压、 高压各系列的泡沸式除氧器。为提高除氧器的淋水密度，提高入口水容许 含氧量和充分利用低温汽源，保持除氧器稳定等方面做出了贡献。 8 0 年代初首先是联邦德国和苏联，为满足巨型汽轮机组发展的需要， 开始批量生产出力为4 0 0 m h 6 0 0 0 t h 的无塔型热力除氧器。为提高热力 系统的经济性，西德和苏联于7 0 年代开始研究开发无除氧器热力系统。所 谓无除氧器熟力系统实际是将低压加热器改为混合加热兼除氧双功能的低 哈尔滨工程大学硕士学位论文 压加热器，而无塔型热力除氧器实际是除氧水箱改为除氧兼贮水两用的除 氧水箱。可以看出，这两种热力系统的开发研究是当前一大方向。但其传 热、传质方式仍以雾化、泡沸为基本原理。 我国自7 0 年代初研究开发膜式除氧器。为满足供热机组和调峰机组的 需要，解决入口水溶氧高、入口水温度低和运行工况变化频繁做了大量的 工作。为适应大型机组的需要，提高淋水密度和提高其适应性，研究改进 了膜式除氧器效能，将膜式改为射流、旋膜及泡沸缩合为一体的高效能旋 膜除氧器。 当前以雾化和泡沸为传热、传质的除氧器仍是国际上研究开发的两大 主要方向。但近年来也出现直流式等新型除氧器系列“”。 2 2 热力除氧器的工作原理和条件 2 2 1 工作原理 现在人们已经发展了很多秤热力除氧器，但是它们的理论基础部是亨 利定律和道尔顿定律。 1 8 0 3 年英国化学家亨利研究气体在液体中的溶解度时，总结出一条经 验规律，“在一定的温度和压强下，一种气体在液体里的溶解度与该气体的 平衡压强成正比”。表达式为： c = e p( 2 1 ) 式中c 一气体在水中的溶解量，k m o f m 3 ； ，一平衡时水面上该气体的分压力，n m 2 ； e 一气体的溶解系数，k m o f ( m 3x n m 3 ) ，其值随温度的升高而降低。 如果我们让水蒸发，那么液面上水蒸气的分压力会接近全压，溶解气 体分压将接近零，这时气体便会析出，直至达到新的平衡。如果能够不断 的从液面把该溶解气体除掉，破坏其平衡的建立，这种过程就继续进行， 直至把气体全部除掉。 道尔顿定律指出：混合气体的全压力等于各组成气体的分压力之和， 所以在水面上的全压公式为： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p = 只+ b ( 2 。2 ) 式中：只一溶于水中的各种气体的分压力，p a ； 只一水蒸汽的分压力，p a 。 在定压下将水加热至沸点，使蒸汽的分压力几乎等于液面上的全压力， 其它气体的分压力趋于零，这时气体的溶解度也趋于零，这样溶于水中的 气体便从水中全部逸出。 2 2 2 热力除氧的基本条件 为了使气体从水中能够充分完全地分离出来，热力除氧时必须满足传 熟和传质两方面的条件“”。 1 ) 须被加热至相应压力下的饱和温度 从图2 1 中可以看出，在一定压力下，氧的溶解度随着水温的升高而 降低。在同一饱和温度下，欠饱和度越大，水中的溶氧量越大；如果欠饱 和度不变，水的饱和温度提高( 相应于汽水界面上的压力增大) ，水中的含 氧量也随之增加。当水温达到褶应压力下的饱和温度时，氧在水中的溶解 度等于零。因此热力除氧的先决条件是水要被加热到饱和温度。给水加热 不足达不到饱和温度时，即使欠饱和度很小，也会显著影响除氧效果。水 中残余溶氧量与欠饱和度的关系如图2 1 所示。 戌1 c 图2 1 水中溶氧量与温度、压力的关系 捧 算 c 捧 - 。- o ，霉f 鼍 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 ) 创造气体自水中离析的传质条件 为了尽可能除掉溶解气体，必须对气体离析过程的传质条件有一个全 面的认识。根据传质理论，气体自水中离析的量g 遵循以下规律： g ；一d 譬盯 ( 2 3 ) 出 式中：d 一扩散系数，与气体及介质的特性和温度有关； 譬一在扩散方向上的浓度梯度，相应于不平衡压差； j 一扩散面积，m 2 ； f 扩散时间，s 。 由( 2 - 3 ) 式可见，气体的扩散速度取决于汽水接触面积和不平衡压差， 这两个因素是指导除氧设备设计、运行的重要依据。 3 ) 保证水和蒸汽有足够的接触时间 水被加热除氧时，溶氧解析的速度可以下式p 1 表示： 嚣= k 。( c i - c 2 ) ( 2 - 4 ) 式中：班，研一水中溶氧的降低速度，s ； j 一溶解氧的传质常数，m s ； f l 汽、水接触表面积，i n 2 ： c 】一在菜一瞬时水中溶氧浓度，m 3 ； c 2 一达到平衡时水e e 溶氧浓度，咖3 。 在除氧头内，c 2 很小，可以忽略不计，而传质常数岛和汽、水接触 表面积f 在一定条件下也都是常数，令肛毋劝水体积，则c = c v , 因此， 式( 2 - 4 ) 可简化为： 鲁寺c 1 泣s ， 击6 1 。 从上述微分方程式可知，水中溶氧浓度的降低速度是同其浓度成正比 的。因此，如要使c l 降到零，除氧所需时间就将是无限长。即在一定条件 下，对除氧程度要求愈高( 即深度除氧) ，则所需除氧的时间也愈长。然 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 而在除氧器中，无限延长水的除氧时间是不可能的，但是，采用多级淋水 盘、增加填料层高度以及其它方法阻滞水流下降，以适当延长水的加热除 氧过程，是既有必要又有可能的，这也是提高除氧效率的重要途径之一。 4 ) 能顺利地排出解析出来的溶怨气体 根据溶解气体解析过程的原理可知，为了使除氧水的溶氧量降到最低 的数值，就必须尽量降低除氧头内加热蒸汽中氧的分压。因此在除氧头内 造成良好的“通风”条件( 即保持良好的蒸汽流通条件) ，使由水中解析出 来的溶解气体随着余汽顺利地排出除氧器，也是确保除氧效果的又一必要 条件。这个良好的条件除了在除氧头内要保持有一定的热负荷强度外，还 必须保持有足够的余汽量。在一般情况下，余汽量应为每吨进水有1 3 k g ， 过多会造成热量损失，也是不必要的。 2 3 几种结构形式热力除氧器的除氧效果 热力除氧器的类型较多，可以按照其热力过程、除氧器的工作参数或 结构型式等进行分类嘲。其中按照结构形式的不同，除氧器可分为湃永盘 式、喷雾式、填料式、喷雾一填料式、喷雾一蒸汽喷盘式等几种。具体如 下： 1 ) 淋水盘式除氧器，是使给水通过多层淋水盘，形成大量细水流，在 此水流被蒸汽加热的同时除去溶氧。 2 ) 喷雾式除氧器，是使给水通过喷嘴雾化成很细小的水滴因而被迅速 地加热而除去溶氧。 3 ) 填料式除氧器，是使给水经水流分配装置后，进入填料层( 填料是 一种由比表面积较大的固体物质所组成) ，水流在填料层内被分散呈水膜状 态，因而被蒸汽加热而除去溶氧。 4 ) 喷雾一填料式除氧器，是喷雾和填料两种除氧形式的组合。由于水 经喷雾除氧后，又通过填料层得到再次除氧，因此，这种除氧器的除氧效 果较好。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 ) 喷雾蒸汽喷盘式除氧器，是使给水自喷水管喷出并被加热后，汇 集到喷盘上又被蒸汽再次加热并被播散成雾状进行除氧。由于水经两次加 热、播散，因此，除氧效果也较好。 6 ) 旋膜管式热力除氧器，是使给水沿管内壁成膜状旋转流下形成液裙， 加热蒸汽在裙内及管内逆流向上流动，加热给水，同时剩余蒸汽将水中析 出的不凝性气体带出除氧器外。由于液膜与液滴相比显著降低了表面张力 对氧传递的影响，水中溶氧能够充分析出，故这种除氧器的效果也较好。 2 3 1 淋水盘式除氧器的除氧效果 除氧器一般是由除氧头和贮水箱两部分组成。各种类型除氧器的区别 主要在于除氧头内部结构不同。淋水盘式除氧器的结构如图2 2 所示。 l 一粹竞承警；2 - - - - 麓1 锸水管，麓求譬：一l 龉障矗l 热 麓水营，一遵汽警；汽室；7 摊 管 圈2 2 漭水盘式除氧器结构简圈 此类除氧器，在除氧头内设有多层平行的淋水盘，淋水盘的数目一般 为5 8 层，每层淋水盘上都钻有许多孔径为5 8 毫米的小孔。淋水盘又 分大盘和小盘，两种盘交错布置。小盘没有中央通汽孔，而且盘中间部分 1 6 晗尔滨工程大学硕士学位论文 通常没有钻孔，钻孔集中在离中心约1 0 0 3 0 0 毫米处到水盘的边缘。每层 淋水盘的边缘都有高度为1 0 0 1 5 0 毫米的围缘，大盘有中央通汽孔，孔的 边缘也有1 0 0 1 5 0 毫米高的围缘，并且从通汽孔到水盘边缘都钻有小孔。 给水分别由除氧头的上部和中部引入，其中凝结水和补充水引入第一层盘 上，疏水引入第二层盘上，高压加热器疏水由于温度较高，一般从第三或 第四层盘上引入，也有直接引入贮水箱的。 水通过淋水盘上的小孔时，就被分散成密布的细水流，并为下层淋水 盘所盛接，然后又从这层淋水盘的小孔下落，如此依次通过数层淋水盘后， 最后落至除氧头下部的贮水箱内。 加热蒸汽由除氧头的下部进入配汽室，由最下层淋水盘的中央通汽孔 上升，穿过下落的细水流，然后从小盘周缘和除氧头外壳间的环形通道穿 过而继续上升。在汽流上升的同时，通过热量的传递把水加热到相应压力 下的饱和温度，这时水中的溶解气体不断解析出来，并被汽流携带上升， 最后同过剩的加热蒸汽一起自顶部的排汽管排出除氧器外。 由于加热蒸汽在向上流动不断加热细水流的同时，本身部分被凝结， 使得通过淋水盘的汽量自下而上逐层减少，而水量却自上而下逐层增加。 因此，大盘的中央通汽孔直径和淋水盘上的小孔数目都自上而下逐层增加， 以保证除氧头内蒸汽流速相差不致太大，在最大设计负荷时，淋水盘上的 水也不致溢流。 由于淋水盘式除氧器对于运行工况变化的适应性较差，除氧效率较低， 因此现在应用的多是它的改进形式。 2 3 2 喷雾式除氧器的除氧效果 喷雾式除氧器的运行是采取物理除氧方式，可分为两个阶段“”：初步除 氧阶段，凝结水被喷入蒸汽空间；深度除氧阶段，在水箱内蒸汽和水充分接 触。 初步除氧阶段，是由喷雾装置来完成的。在各种工况下，喷雾装置均能 确保凝结水被加热到饱和温度，并且和蒸汽进行充分地接触。由于在饱和情 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 况下氧气在水中的溶解度为零，因此溶解氧从水中析出，进入蒸气空间中，并 聚集在喷雾装置附近。析离出来的氧气，当积聚到一定浓度后，随同少量的 蒸汽一起由排气管排出。 深度除氧阶段，是通过蒸汽喷射进入水箱中来实现的。根据不同情况， 蒸汽、加压热永和汽水混合物均能够充当除氧介质。通过对蒸汽装置的适 当设计，并考虑到水箱中的流体动力特性，能够使蒸汽和水进一步充分接触， 溶解氧将遵循亨利定律从水中扩散到蒸汽之中。 喷雾式除氧器喷嘴将水以雾的形式喷出，液相雾滴与加热蒸汽接触， 因此汽、液相接触面积很大。蒸汽加热雾滴时，属高强度凝结换热，换热 系数为1 3 x 1 0 4 1 5 x 1 0 4w ( m ：) ，瞬间可将雾滴加热到饱和温度。此时 雾滴中9 0 9 0 的溶解气体被离析“”。 喷雾式除氧器目前被国内多家火电厂、核电厂和燃气蒸汽联合循环机 组采用，其特点为： ( 1 1 负荷变化范围在1 0 1 1 0 时，均能保持高效除氧，出口含氧量降至 5l ig ，kg 以下。由于凝结水流经喷嘴，出水处雾化效果很好，与水下加热蒸 汽经逆向交换后，去除了大部分游离氧，再一步作水下再热交换，除去了残剩 游离氧，达到了出水品质要求。 ( 2 ) 高可靠性。由于在此类除氧器中去除了为数众多的小流量喷嘴和繁 复的淋水盘箱，使结构大大简化，除氧器整体工作温度下降，金属抗热疲劳寿 命大大提高，提高了除氧器的可靠性，使得可用率相应提高。除氧能力可以 达到6 0 0 0t h 。十分适用于大型核电和火电机组。 2 3 3 旋膜式除氧器的除氧效果 这种除氧器的除氧头分两级除氧装置。这一点与喷雾式除氧器相似。 所不同的是喷雾式除氧头由喷雾装置和下部填料组成。而旋膜式除氧头则 由一级除氧装置和二级除氧装置构成。旋膜式除氧器的传质、传热方式与 其它类型的除氧器不同。它是将射流、旋转膜和悬挂式泡沸三种传质、传 热方式融为一体。这种全新的结构形式具有很高的传质、传热效率。因而具 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 有良好的除氧效果。射流，旋膜和悬挂式泡沸三种传质，传热方式，源于国 外石化工艺中的喷射、降膜和泡沸传质、传熟方式。不同的是取消了喷射 冷凝扩散管，仅利用小孔喷射的射流形成飞行冷凝。它不仅具有很大的吸热 功能，而且具有很强的离析气体的能力。将自然降膜改为强力降膜，增强了 液膜的更新度，为膜状凝结换熟及气体的离析创造了有利条件，形成的液膜 沿管内壁强力旋转，卷吸大量蒸汽，增强换热、传质功能。蒸汽穿过水膜裙， 形成相向泡沸，使除氧效果大大提高。第一级除氧装置是这种除氧器的关键 部件。给水中的大部分溶氧( 约9 0 ) 要在这里析出。运行对给水唼射到具 有射流、旋膜和泡沸功能的起膜器内，立即沿内壁旋流而下。高速旋转的水 膜卷吸大量蒸汽，形成强烈的膜式凝结换热，传热、传质过程同时进行。在 起膜器出口形成高速旋转的中空水膜裙，加热蒸汽从水膜裙中间通过，1 1 3m 1 1 1 厚的水膜裙内外两侧同时与蒸汽接触，大大增加了汽、水接触面积。 同时，水膜裙室留有足够高度的空间，使汽、水接触时间得以延长，使水得到 充分的加热，甚至形成相向泡沸。不断更新的水膜裙曲面的表面张力，远小 于水滴的表面张力，使溶氧更容易析出，从而大大提高了除氧效果。在水膜 裙室中除氧水已接近达到饱和温度，水中溶氧的解析己接近完成。实际测量 表明，在第一级除氧中，8 5 9 5 的溶氧已测量表明，在第一级除氧中，8 5 9 5 的溶氧已被除去。 第二级除氧装置用以深度除氧。水膜裙室落下的除氧水在水篦子上重 新分配、成膜、加热，然后流经不锈钢网波填料，除氧水被再次加热，残余氧 被析出，使除氧水中的含氧量达到设计规定的小于7 1 0 - 9 。实际运行业 绩表明，一般都能达到2xl o4 5x1 0 棚的水平。 旋膜式除氧器除氧器有很多突出的优点： ( 1 ) 除氧效率高：运行实际测量结果表明。在补给水率高达l o o 、 入水溶氧高达7o o ox l o 9 9o o o 1 0 9 时，出水溶氧不超过7x l o - 9 。 除氧合格率在9 9 1 5 以上。对高压机组、供热机组及对含氧量要求较严的 特种工业锅炉，可取消低压除氧器，将二级除氧变为一级除氧，从而大量节约 设备投资、基建投资及运行维护费用； ( 2 ) 负荷适应性好：在全部运行过程中，即使遇到负荷变动较大或补 水温度突然降低的情况，除氧器都不会发生振动等异常情况，且除氧效果稳 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 定； ( 3 ) 提升温度高 只要有较高参数的足够蒸汽，对于小型机组，入口水温低到1 2 1 5 1 7 ，在此除氧器内能提升到中压锅炉给水要求的温度，可以取消前置加热器 或机组的低压加热器；对于中、大型机组，入日水温低到8 0 ，或者更低，仍 可达到高压除氧器出水要求的温度及除氧要求。这样，就可以取消机组的后 级低压加热器或全部低压加热器，且二级除氧变为一级除氧。 此外，将加热器的表面式换熟改为除氧器内的混合式传质