中空纤维膜深度除氧技术在锅炉给水中的应用

赵燕华

(国家能源集团宁夏煤业有限责任公司甲醇分公司，银川 751409)

氧腐蚀是锅炉系统及热力设备系统中最常见的腐蚀。锅炉给水在系统中与大气接触，水中的溶解氧基本上达到饱和状态，未经除氧的水进入锅炉，对给水管路、省煤器及锅炉设备产生腐蚀。由于锅炉内水和蒸汽的温度较高，所以加剧了氧腐蚀，氧腐蚀对锅炉的安全运行危害很大[1]。为此，笔者比较分析了锅炉给水的4种常用除氧方法，并在此基础上进行调整和改进，提出了中空纤维膜深度除氧装置。

1 常用的除氧方法

为满足锅炉给水对氧含量的要求，采取了多种技术及设备去除锅炉给水中的溶解氧，常用的除氧方法有：热力除氧、真空除氧、氧化还原树脂除氧和亚硫酸钠除氧[2]。

1.1 热力除氧

目前，锅炉给水系统最常用的除氧方法是热力除氧，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气一起排除。锅炉热负荷频繁变动和管理操作水平等因素会影响热力除氧效果，所以热力除氧必须在高位布置一个体积大、质量大的水箱，造成了投资增大、设计安装操作不方便、自耗气量大等问题[3-4]。

1.2 真空除氧

真空除氧与热力除氧相比，除加热温度有所降低外，热力除氧的大部分缺点同样存在于真空除氧，高位处真空除氧位置要求甚至超过热力除氧，布局紧张，所以真空除氧的基建投资大、系统复杂、设计安装操作管理都不方便。

1.3 氧化还原树脂除氧

氧化还原树脂除氧可以常温除氧，也可以低位布置，但是需要使用联氨。联氨属于有毒物质，用氧化还原树脂除氧若使用不慎对操作人员会造成危害，而且基建投资大、运行操作复杂、推广困难。

1.4 亚硫酸钠除氧

亚硫酸钠除氧运行简单，但除氧效果不可靠。亚硫酸钠除氧增加了锅炉给水的含盐量，使机组不得不加大排污，造成热量和水量的损失，也增大了锅炉产生硫酸钙水垢的可能性。因此，采用亚硫酸钠除氧不理想。

2 存在的问题

某公司4台锅炉均采用热力除氧装置进行除氧，因热力除氧流程不完善，除氧器前未设置低温加热器、低压除氧器、高温加热器等设备，且进入除氧器的脱盐水和机组冷凝液水温变化范围较大，特别是合成、空分、气化装置停运后除盐水无中间加热装置，来水温度低，单纯依靠除氧器自身蒸汽进行加热水温只能加热到120 ℃，导致锅炉给水溶解氧质量浓度长期超过60 μg/L。

若在脱盐水和机组冷凝液之前增加低压除氧器和高压加热器，不仅要对进除氧器的来水进行预加热和初期溶解氧处理，还要对4台除氧器除氧头进行改造才能够保证4台除氧器溶解氧质量浓度合格。

该改造方案的缺点为设备改造幅度大，投资额较大，关键在于改造后需要投加大量蒸汽，目前全厂蒸汽管网没有富余蒸汽使用，造成蒸汽管网难以平衡。

3 解决措施

为了减少装置蒸汽消耗、实现常温除氧、除去锅炉给水中二氧化碳等酸性气体、提高锅炉炉水pH、减少炉水处理化学药剂投加量、降低锅炉热损失等，可采用一种能够深度脱除水中氧气、二氧化碳等气体，使气液分离、工作稳定的中空纤维膜深度除氧装置。

3.1 中空纤维膜的定义及工作原理

中空纤维膜组件以疏水性的聚合物为原材料，在一定的气体传输推动力作用下，将液体中溶解的气体进行脱除。

经过疏水化处理的中空纤维膜丝表面上有很多微孔，这些微孔允许气体分子穿过，能阻挡水分子的穿透。气体和水体接触时，气体会溶入水中，水体中气体的溶解度与水表面该气体的分压成正比，根据亨利定律P=Hx(其中P为水表面该气体的分压，H为该气体的亨利系数，x为该气体的溶解度)，在抽真空或者气体吹扫的负压下，中空纤维膜丝外侧液体中溶解的气体通过微孔不断向中空纤维膜丝内部移动，并被抽真空或者吹扫气体带走，从而达到脱除液体中溶解气体的目的(见图1)。

图1 气体传输动力工作原理

中空纤维膜脱气的工作原理是操作运行中，液体在中空纤维膜丝外侧流动，中间挡板和中心管布水使液体在中空纤维膜丝的表面成射流状态，有效改善了流道，提高传质效率，同时中空纤维膜丝内部抽真空或者施加气体吹扫，将水中溶解的气体带走(见图2)。

图2 中空纤维膜脱气的工作原理

3.2 中空纤维膜的特点

中空纤维膜具有以下特点：

(1)优异的疏水性能。特殊的中空纤维膜丝成孔技术使中空纤维膜丝表面孔的直径小且分布均匀，孔的集中度高，中空纤维膜丝的疏水寿命长，保证中空纤维膜具备工程上的使用价值。

(2)精密的中空纤维膜丝排布方式。将中空纤维膜丝编织成丝布，丝布卷绕成柱状，装入膜壳，扩大了接触器的有效接触面积，同时每根中空纤维膜丝都被固定，不会随水流摆动，杜绝了断丝现象，保证系统出水水质稳定。

(3)高效率的气液接触方式。在组件中央设置导流挡板，并采用中心管布水，使液体在中空纤维膜丝的表面成射流状态：膜丝外的液体流动方向，与膜丝内的气体流动方向成一定的角度。有效地改善了流道，大大提高了壳程和管程的传质效率。

3.3 中空纤维膜的配置及技术要求

进水侧单元由压力表、流量计、温度计等构成，可以现场读取压力、水温、流量等，进膜组件的合格除盐水压力在0.3～0.6 MPa。

产水侧单元由压力表、溶氧监测系统等构成，可以现场读取产水压力和溶解氧含量。

真空侧单元由真空泵、真空表、气液分离罐等构成，保证氧气脱除所需的真空度。

进气侧单元由氮气流量计、隔膜阀、压力表等构成,进气侧使用无油无尘高纯氮气,纯度>99.99%，体积流量>36 m3/h。

4 效果验证

以某公司实际运行为例，该公司设计3套中空纤维膜深度除氧装置,设计水质量流量<2 880 t/h，中空纤维膜进水水质为去离子水，采用连续给水的方式。其中：1#中空纤维膜深度除氧装置设计水质量流量<1 350 t/h、出水溶解氧质量浓度≤10 μg/L；2#中空纤维膜深度除氧装置，设计水质量流量<990 t/h、出水溶解氧质量浓度≤50 μg/L；3#中空纤维膜深度除氧装置设计水质量流量<540 t/h、出水溶解氧质量浓度≤50 μg/L。以1#装置为例，该装置中空纤维膜为45支(3级，每级15支)，设计每级进水质量流量<90 t/h，实际每级进水质量流量为50 t/h，该装置运行模式为全自动化混合控制模式(抽真空+氮气吹扫)，实际现场进气压力为0.1 MPa，进水压力为0.2 MPa，实际现场测得出水溶解氧质量浓度为4.5 μg/L，进水温度为24.5 ℃，实际运行负荷为设计负荷的55.56%。

5 结语

经论证分析，采用中空纤维膜深度除氧装置替代热力除氧装置，无论是处理水量还是溶解氧去除效果，均能达到生产需求，且无需额外消耗蒸汽，特别适合现有除氧装置溶解氧去除不达标的改造。