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氧化还原树脂除氧技术经济效益分析(上)

2009/12/29/10:08 来源:慧聪水工业网

    慧聪水工业网氧化还原树脂除氧技术替代传统除氧技术节能减排经济效益分析(上)

    作者:常州新区南极新技术开发有限公司总经理 中国电子科技集团第十二研究所高级工程师 霍银坤

    摘要

    从物理化学原理分析除溶解氧的最佳途径,从能量守恒定律和物质不灭定律分析目前国内水处理行业对锅炉给水除氧的误区,论述除溶氧的高新技术:氧化还原树脂除氧技术和分离除氧技术,采用高新技术替代传统的热力除氧,真空除氧,解吸除氧,海绵铁除氧,加药除氧的节能经济效益分析,用树脂除氧技术改造传统除氧方法,一年时间产生的节能经济效益就可收回全部的技改投资.氧化还原树脂膜分离除氧是今后工业锅炉给水除氧发展的方向。

    一,概述

    目前我国工业锅炉采用软化水,脱盐水作锅炉给水,溶解氧腐蚀问题比较突出.由于腐蚀是一个缓慢的过程,因而,有些企业对除氧不重视.另一方面,由于缺少很好的除氧技术,我国50%的工业锅炉未配置除氧器,致使工业锅炉平均寿命缩短1/3,给企业和国家造成巨大的经济损失.

    国内使用的传统除氧技术有热力除氧,解吸除氧,海绵铁除氧(过滤除氧),真空除氧,加药除氧等.这些除氧技术都有一定局限性,有的耗能高,有的除氧后水中带进对锅炉有害的杂质,如海绵铁除氧生成铁胶体,冲洗铁胶体水耗大,铁胶体生成铁垢影响传热,水中二氧化碳造成对锅炉的二次腐蚀,使得传统的除氧方法很难在工业锅炉上普遍推广.

    除氧技术基于化学原理和物理化学原理,国际上,发达国家工业锅炉补给水除氧,除了一些特殊场合保留热力除氧(如电厂除氧)和真空除氧(如海水除氧)外,化学除氧技术采用氧化还原树脂除氧,物理化学除氧技术采用膜分离除氧.[1]。

    化学除氧是把游离氧分子转变成金属氧化物或非金属氧化物.氧与金属元素反应生成金属氧化物,如水中溶解氧与海绵铁反应,生成氢氧化亚铁和氢氧化铁.溶解氧与非金属元素反应生成非金属氧化物,如与碳元素反应生二氧化碳,与低价硫化物反应生成高价硫化物(如溶解氧与亚硫酸钠反应生成硫酸钠),溶氧与元素氢反应生成水.这些化学元素中最理想的是氢,氧化产物是水,为此,世界各国研究氧化还原树脂除氧[2].各种氧化还原树脂不同之处在于氢的来源.一种是在水中加入氢,使水中溶解氧与水中溶解氢在氧化还原树脂表面反应生成水,这种氧化还原树脂有国产的宇神09型氧化还原树脂,美国RhomandHaas公司产品ER-206,德国Mobey公司产品Lewatic-oc1045,这类树脂含有钯原子,氧化还原反应在钯原子表面进行.另一类树脂是氧化还原树脂功能团释放原子氢与水中溶解氧反应生成水,这种氧化还原树脂有国产宇神06型和宇神06A型氧化还原树脂,第三类氧化还原树脂是美国雅鲁大学H.G.Cassidy[3]教授合成的,与溶解氧反应的氢原子由有机官能团提供.例如由对苯二酚的酚羟基提供.氧化还原树脂除氧技术的关键就是合成一种适合工业上应用的氧化还原树脂,能提供大量的廉价活性氢.

    物理化学除氧原理是根据亨理定律(henryslaw)

    Cn=KPn在达到平衡条许下,水中溶解氧含量Cn与水上方氧气的摩尔分压Pn成正比,如果水上方氧气的摩尔分压Pn=0,溶解氧就向水上方无氧气体中扩散,如果设法使水上方气体中氧气摩尔分压始终保持为零,扩散达到平衡,水中溶解氧含量就为零,即成无氧水.无氧气体为蒸气就是热力除氧,无氧气体为氮气和二氧化碳混合气体就是解吸除氧,如果把水上方空气抽尽,仅留下水蒸汽就是真空除氧.物理化学除氧技术关键就是创造快速达到平衡的技术.下面从henrys定律和Fick扩散定律分析热力除氧,解吸除氧,真空除氧存在的问题.

    根据Fick第一扩散定律dm/dt=-DAdc/dx

    式中:dm/dx,表示水中溶解氧扩散到无氧气体中速度

    D,表示氧的扩散系数;

    A,表示水与无氧气体接触的面积;

    dc/dx,表示氧的浓度梯度;

    负号表示氧从高浓度向低浓度扩散;

    由Fick第一扩散定律可知,要提高除氧速度dm/dt,必须增加接触面积A,要把水变成水小珠,要充分雾化,这就增加热力除氧,真空除氧,解吸除氧动力消耗.增加氧的浓度梯度dc/dx,也可加快除氧速度,这就必须迅速除去进入无氧气体中的氧,使无氧气体中氧浓度尽量低,在热力除氧器运行中需要保证含氧蒸汽有一定排放量(5%-10%),才能确保除氧器输出水中残余氧浓度达标。蒸汽排放增加了热量损失和水损失.在解吸除氧器运行中必须使解吸出来进入氮气和二氧化碳混合气体中的氧迅速与碳反应生成二氧化碳除去,为加快反应只有增加反应接触面积和提高反应温度二种途径,目前改进后的解吸除氧器用碳分子筛替代木炭,与碳比,碳分子筛由于具有很大的比表面,能提高与氧反应的速度,但碳分子筛价格高,增加了脱氧成本,但是,水中残余氧含量仍不达标,为进一步提高与氧反应的速度碳与氧反器的温度必须大于300℃水中残余氧含量才达标(用木炭的反应器温度必须高于600℃).这样解吸除氧器电炉功率要足够的大,导致解吸除氧电耗居高不下.在真空除氧系统中要保持一定真空度,真空泵需要有足够大的排气量,迅速排出水中释放出的氧,因而,真空除氧器电耗2度/t以上,难以进一步降低.

    通过以上分析,利用物理化学原理的传统除氧技术能耗高,国际上发达国家己采用膜分离除氧技术.如美国Celgard膜除氧技术[3]是一种高新技术.

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