除氧器工作原理

[摘要]除氧器的作用是除去溶于水的含氧,避免锅炉、汽轮机组各系统的金属部件在高温下发生过度的氧化腐蚀。电厂早期使用淋水盘式除氧器,它对进水温度和负荷要求苛刻,其除氧效果较差,淋水盘的小孔易堵塞。后使用喷雾填料式除氧器,其除氧效果比淋水盘式除氧器好,但只能除去水中溶解氧的80%～90%。新研制的旋膜式除氧器,进一步强化了传热、传动、传质过程,旋膜式结构保证了“三传”过程的顺利实施,除氧效果较好。[关键词]除氧器除氧效果传热传动传质除氧器功能是:为降低锅炉水中的含氧量,使之达到要求,以保证锅炉、汽轮机组和整个系统的金属部件在高温下不发生过度的氧化腐蚀。国内电厂早期采用淋水盘式除氧器,它对进水温度和负荷要求苛刻,适应能力较差,且淋水盘的小孔易被堵塞。后来很多电厂改用喷雾填料式除氧器。这种除氧器的除氧效果也不理想,溶解氧的合格率一股在65%左右。于是,后来又研制出泡沸式和旋膜式除氧器,其中,旋膜式除氧器的除氧效果远高于其他型式的除氧器。各类除氧器的除氧效率如表1所示。1热除氧原理和条件目前使用的除氧器均采用热除氧法。除氧原理根据享利定律和道尔顿定律,即在定压下,将水加热至饱和状态。如果液面上气相中凝结气体的分压力小于其平衡压力,气体会在不平衡压差的作用下由水中离析出来。若及时排出不凝结气体,不断破坏其平衡,保持不平衡压差,气体会不断从水中逸出直至液面上全压力等于水蒸汽压力时,其他气体的分压力趋于0,溶于水中的气体全部逸出而除去。因此,热除氧必须具备2个条件:(1)快速将水加热到相应压力下饱和温度的传热条件;(2)使气体从水中迅速离析并排走的传动、传质条件,2个条件紧密相连。实践表明:条件(1)较易满足;条件(2)是彻底除氧的关键,也是更新除氧器考虑的主要因素。2喷雾式除氧器的除氧效果2.1喷雾式除氧器的传热过程我国目前使用最多的是喷雾式除氧器。在该除氧器中,喷嘴以雾的形式将水喷出,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1.3×104～1.5×104W/(m2·℃),瞬间可将雾滴加热到饱和温度。此时雾滴中80%～90%的溶解气体被离析。2.2喷雾式除氧器内动量与质量的传递由于雾滴颗粒小、表面张力大,加之气体在雾滴内、外的不平衡压差变小,使雾滴中的剩余气体逸出受阻,不利于深度除氧。为此,所有喷雾式除氧器的下部都加了1层固体填料层、网栅或淋水盘等,使水再分散成极薄的水膜,减小了表面张力,完成深度除氧。但实际效果往往不理想,如珠江电厂4×300MW机组的除氧器,溶解氧的合格率平均在80%左右,出水溶氧量波动较大,一般为12～78μg/L,长期运行对机组危害很大。在喷雾式除氧器中,由于所喷雾滴很小,表面张力大,只能完成初期除氧的任务。残存在雾滴中的少量气体,因不平衡压差很小,虽然雾滴在除氧器的容积空间内不停地运动,但气体分子在雾滴中是相对静止的,只能靠分子扩散的方式渐渐逸出,传动、传质效果差,给深度除氧造成困难.据威尔克提出的非电介质在稀溶液中的扩散关系式,其扩散系数DAB与水温的关系如图1所示。虽然DAB随T的升高而增大,但其绝对值很小,如空气在100℃的水中,其DAB为0.7×10-5cm2/s。分子扩散通量如(1)式所示:JA=-DABdCAdr(1)式中JA———扩散摩尔通量,kmol/(m2·s);dCA/dr———摩尔浓度梯度;CA———扩散组分的摩尔浓度。由于扩散系数DAB很小,雾滴中空气的浓度梯度dCA/dr很小,且越来越小,所以扩散通量小,即通过扩散逸出的气体越来越少。这是影响深度除氧的关键。因此,具有较好的传热效果并不是除净溶氧的充分条件。2.3喷雾式除氧器的深度除氧层在喷雾除氧器下部往往加1层固体填料、网栅或淋水盘作为给水深度除氧的区段,固体填料层可使比表面积(单位体积的表面积)达到200m2/m3左右,有利于进一步除氧。喷雾除氧中的深度除氧层起强化传动、传质作用,被除氧的水流经不规则填料层时,处于紊流状态,液膜表面不断变换更新,使水中的部分气体分子有机会冲破液膜表面张力而逸出,使给水含氧量不超过7μg/L,满足超高压机组电厂的除氧指标。3旋膜式除氧器的除氧效果3.1旋膜式除氧器的传热过程旋膜式除氧器由于结构的特点(见图2),除氧效果明显提高。其传热、传质方式与液柱式、雾化式和泡沸式不同。它是将射流、旋转膜和悬挂式泡沸3种传热、传质方式缩化为一体。射流、旋转膜和悬挂式泡沸3种传热、传质方式源于喷射、降膜和泡沸传热、传质方式。不同的是将喷射冷凝扩散管取消;仅利用喷嘴的射流改为飞行冷凝,它不仅具有很大吸热功能,而且有很大的解析能力。将自然降膜改造为强力降膜,增加液膜的更新度,造成液膜沿管壁强力旋转卷吸大量蒸汽,增强传热、传质功能。将相向泡沸改为悬挂式泡沸,提高层中蒸汽流速高时泛点(飞溅),并能保持汽(气)体通道,将独立的3种传热、传质装置缩化为一体,在1个单元的部件内完成,具有很高的除氧效率。3.2旋膜式除氧器传动、传热、传质的传递过程旋膜式除氧器的除氧效果、稳定性、负荷适应性都比喷雾式除氧器好,且除氧强度大,体积较小。理论分析和运行效果表明:热除氧过程实际上是传动、传热、传质(以下称“三传”)3种过程密切相关的传递过程。如保证了传热条件,传动就是影响传质的主要因素。旋膜除氧器比喷雾和淋水盘式除氧器效率高,主要是其增强了传动、传质的效果。若在旋膜管的中、下部钻有一定数量的切向小孔,部分蒸汽由此喷入,则效果更佳。它能扰动水膜的层流底层,使“三传”递过程进一步强化。从机理看,由于旋膜管能使水形成旋流膜,使流动提前进入紊流状态,水在压力作用下高速旋转向下流动,在垂直于水膜流动方向上面传热、传质主要靠旋涡扰动的混合作用,即紊流扩散。紊流核心的热量与质量传递都很快,越靠近壁面紊流度越小,邻近壁面则基本消失。此时,气体分子主要以分子扩散的方式传质,传递作用弱,因此,传质、传热的阻力产生在靠近壁面的层流底层中。由实验结果,影响传质的主要因素如(2)式所示:KL=f(u,p,μ,t,DAB,L)(2)式中KL———传质系数,m/s;L———特性尺寸;u,ρ,μ,t———水膜的流速、密度、动力粘度、温度。可见在定温下定型结构的除氧器中,影响传质系数的主要因素是旋膜的速度和膜中的质量扩散系数DAB。实质上旋膜除氧就是因为增大了液膜流速,从而使传质系数增大,提高了除氧效果。3.3旋膜式除氧器“三传”过程的数学模型实际上,除氧过程是由3个局部过程组成,即液相与其界面的对流传质,界面上溶质组分的离析,界面与气相的对流传质。根据传质方程(3):NA=KL(CA-CA0)(3)式中NA———传质摩尔通量,kmol/(m2·s);KL———总传质系数,m/s;CA,CA0———在水膜与气相中,不凝结气体的摩尔浓度,kmol/m3。总传质阻力为1/KL,它包括液相、气相两相中的局部扩散阻力,对于低溶解度的体系,如空气在水中的溶解,它的溶解度系数很小,其值随温度升高而降低。在这种体系中,传质阻力集中在液相,而气相中的阻力可以忽略不计。显然除去水中溶氧的过程属液相阻力控制体系,强化传质过程必须在减小液相扩散阻力上下功夫。提高液相流速,改变流态是提高液相传质分系数的有效措施和途径。3.4旋膜式除氧器的结构与“三传”的关系旋膜除氧器的结构强化了“三传”效果。在旋膜管中,旋膜速度可高达3.0～3.5m/s。由于离心力的作用,将出现以主流方向为轴的旋速涡流速。由旋膜管中、下部小孔喷入的高速蒸汽,进一步扰动了旋膜,使其迅速过渡到紊流旋涡状态。此时,由于旋涡的卷吸、扰动作用,使旋膜表面不断被内部移来的旋涡更新,旋膜内的任何紊流旋涡都有机会直达液面,取代原来的液体微团在界面的位置。新到达界面上的微团对气相来说,就变成了暴露状态,使得溶于液相中的气体较容易离析出来。由于流速增加,气体分子动能增大,具备了克服液膜表面张力而离析的能力,因而扩散阻力减小。事实上,紊流越强烈,表面更新的置换频率也越快。对给定的紊流度,界面更新的频率S是常数。对于随机的界面更新,其传质通量可用(4)式表示:NA=DS(CA-CA0)(4)只有当界面更新较快时,上述概念才正确,因为只有这样,才能连续不断地向界面提供新鲜的单元,使液膜中溶剂的气体有更多机会到达液面而离析。将(3)式代入(4)式得:KL=D·S(5)该式中的总扩散系数包括了分子扩散系数与紊流质量扩散系数。以上从瞬时微观的角度分析了液膜除氧器中的传动、传热、传质的机理。4结论4.1由喷雾除氧改为旋膜除氧,传热的增强不明显。因为在同样出力的条件下,两者都能瞬间将水加热到饱和温度,其传热能力都很强。4.2旋膜除氧器的结构有利于深度除氧。由于溶速高、紊流度大、传动效果强,溶于液膜中的气体分子有较大的动能,增大了克服表面张力而逸出的能力;由于旋涡不断地卷吸、扰动,使液膜中任何微团有机会到达液面,有利气体分子的离析;旋膜管是良好的气体通道,有利于逸出气体的排除,因而总传质阻力减小,传质系数增大,除氧效率高。4.3除氧器的改进应强化传动、传质效果,才能提高除氧效果。