低温除氧水处理装置研发

李为民 段滋华 游玖林 任三群

(1.山西阳煤化工机械有限公司；2.太原理工大学化学化工学院)

溶解氧(DO)是指大气中的氧溶于水中或经过化学、生物化学等反应后溶解于水中的氧，影响溶解氧的主要因素有温度、日照、水深、气压、盐度及水质等[1]。工业用水中因含有溶解氧与铁组成的腐蚀电池使设备发生氧腐蚀，氧腐蚀是热力设备中常见的一种腐蚀。氧腐蚀不但直接破坏受到氧腐蚀的部位，而且其腐蚀产物带入热力系统还会结垢，附在金属管壁上，容易引起垢下腐蚀，对热力设备的安全运行和使用寿命危害较大[2]。

工业锅炉是工业生产中必不可少的设备，而水中溶解氧是锅炉腐蚀的主要因素，对锅炉的危害最大。根据我国现行低压锅炉水质标准GB 1576-85的规定，额定蒸发量大于2t/h的蒸汽锅炉和供水温度大于95℃的热水锅炉，其给水中溶解氧的含量应不大于0.1mg/L，必须进行给水的除氧处理。目前我国拥有低压锅炉五十多万台，给水的除氧普及率仅为10%左右[3]。常用除氧方法有5种[4～6]：热力除氧、化学除氧、亚硫酸钠除氧、真空除氧和电化学除氧[9]。但目前，工业上常用的电化学除氧装置将真空除氧与电化学除氧相结合，所需附属设备较多、体积庞大，设备费用和维护费用高。笔者提出一种低温电化学除氧方法，与上述方法相比，设备简单、操作使用方便、运行费用低，可广泛应用于低压设备和热水设备的给水除氧。

1 除氧实验装置研发和实验研究

1.1 静态水除氧实验装置

选用铁作为阳极材料，确定极板尺寸，通过焊接形成极板间距不同的多组极板。采用20mm×100mm×5mm的两块铁片分别做电极的阳极和阴极。将不同厚度的硬塑料片夹在两极板顶部之间并用胶带将塑料片和两电极缠紧固定，做成极板间距分别为2、3、5、7mm的电极，在每个电极的上方中央用钉子打一个小孔，接入导线，电极浸入水中的高度定为100mm，静态水除氧装置如图1所示。

图1 静态水除氧装置

1.2 流动水除氧实验装置研发

由静态水实验分析可知，在满足工业除氧要求时，除氧实验的电压范围为3～7V，电极距离范围为2～7mm。笔者提出的流动水除氧装置是一种多层电级结构的电解装置(图2)。该装置内部空间长125mm、宽75mm、高80mm，采用4mm厚的有机玻璃和20片规格为80mm×75mm的铁电极片加工而成。进水口设计在左面下方中心，出水口设计在右面上方中心。电极共使用20片铁电极片，规格为80mm×75mm，其中阴极组10片、阳极组10片，阴、阳极板从装置上方间隔插入，阴极组和阳极组分别通过两根导线引出，并固定在顶面的两个倒置螺丝钉上，与外部直流电源线两级相连。在装置的顶面上方中心有一排气阀，以排出反应中产生的氢气。

图2 流动水除氧装置

1.3 除氧实验研究

笔者采用电化学原理，分别设计静态水除氧实验和流动水除氧实验。由静态水实验，推导最佳除氧极板距离d(mm)范围和最佳除氧电流密度J(mA/cm2)范围；由动态水除氧实验，推导满足工业除氧条件的除氧速率。

1.3.1溶解氧含量测量

目前测定水中溶解氧有化学法和仪器法[7，8]。笔者以碘量法测水中溶解氧浓度的原理为基础，设计了两种适合于实验室测定水中溶解氧含量的操作方法：碘量法定量滴定水中溶解氧含量和溶解氧试纸比色法定性测量水中溶解氧含量。该方法操作简便、检测成本低、精度较高、出结果快。

1.3.2静态水实验

将电极片插入到一定量的水样中，外接直流电源，开始电解。实验中使用电压范围为3～7V，电流密度范围为0.8～8.3mA，电极间距范围为2～10mm。不同极板、不同间距下进行多组实验并获得实验数据如图3所示。

图3 不同极板电压、不同极板下的除氧效果对比曲线

由图3的分析结果可知，在阴、阳电极板两端所加的电压、电极间距对除氧效果的影响因素较大。最佳的极板距离范围为2～53mm，最佳的电流密度范围为4～11mA/cm2。电压值取3～5V，电极间距取4～7mm时就完全能满足工业水脱氧的要求了。

1.3.3流动水实验

控制除氧电压在5V，改变流动水流量，进行多组实验，测量水中溶解氧的含量。不同流量下的除氧实验数据如图4所示。

图4 U=5V、d=5mm时不同

由图4中结果分析知，流量为2、4L/h时，水中溶解氧含量在稳定前就已经到达了0.1mg/L以下。流量为6L/h时水中溶解氧含量的稳定值都在0.1mg/L以上，因而采用6L/h流量时的实验数据计算除氧速率，计算式为：

V=m/(t·A)=(7.773-1.218)-(0.8÷6×800)

=0.04916mg

(2)

式中A——有效除氧极板面积，cm2；

m——流动水中溶解氧含量，mg；

t——除氧时间，h；

V——电化学除氧速率，mg/(h·cm2)。

2 工业除氧装置设计

本设计中除氧装置由电化学除氧单元、智能检测控制单元和过滤沉降单元3个功能单元组成。待除氧水在电化学除氧单元中完成电化学除氧反应，在智能检测控制单元完成含氧量检测与控制，在过滤沉降单元完成除氧水净化。

2.1 电化学除氧单元

拟定装置除氧水处理量为1t/h。本设计在流动水实验除氧装置基础上，对除氧单元结构进行了优化改进，如图5所示。除氧装置的主要结构由间隔板式极板结构变为多层套筒结构。除氧水处理装置的每层套筒按等间距设计，待除氧水在最内层流动的流速最大，在最外层流动的流速最小。

笔者设计的除氧装置的尺寸：极棒间距为10mm，每层间距为5mm，每层套筒的厚度为3mm，所得套筒层数33，装置外径为530mm，高1 000mm。

待除氧水由外层套筒间隙进入除氧水处理装置，由最内层间隔流出除氧水处理装置，流动水流速由较小流速转变为较大流速，有利于除氧水中的沉淀物进入过滤沉降装置，进行净化。

图5 电化学除氧装置结构

2.2 自动控制检测单元

流量是影响电化学除氧溶解氧含量的最主要因素，笔者将除氧装置出口溶解氧含量定为被控对象，通过调节入口流量来控制溶解氧含量。自动检测控制单元原理如图6所示。若差值x>0，控制器给执行器控制信号，使阀门开度减小，氧含量达到要求；若差值x<0即除氧达到要求，执行器不动作。

图6 自动检测控制单元原理

2.3 沉降过滤单元

经过除氧检测后的达标水进入沉降过滤单元，在沉降池中沉降，在过滤器中过滤，处理后的除氧水直接供给工业用水装置。

3 结束语

笔者在实验探究中，除氧后水中溶解氧含量可达到0.1mg/L以下，满足工业用水溶解氧含量规定要求。设计中工业除氧装置具有以下创新点：采用电化学原理，无需加热和高位安装，可以完成低温除氧；除氧极板高低交错排布，待除氧水

在装置中折流运行，增加有效接触面积和时间，提高电化学除氧效率；连续运行，除氧的同时除垢；采用低电压除氧，极大地降低了运行成本；除氧指标人为控制不大于0.1mg/L。

[1] 戴欣平，吕群珍.LOGO！在鱼塘增氧中的应用[J].农机化研究，2005，(5)：198～200.

[2] 陈艳华.锅炉给水系统的溶解氧腐蚀的探讨[C].第二次全国锅炉水处理技术研讨会论集.杭州：2003：105～106.

[3] 李岩，陈阿扣.瓶装酒溶解氧的影响因素和控制措施[J].啤酒科技，2009，(8)：27～30，26.

[4] 郭刚义.锅炉炉管腐蚀问题探讨[J].工业锅炉，2000，21(4)：43.

[5] 王仁祥，王寒.解吸除氧在热水锅炉上的应用[J].化学工业与工程技术，2002，23(3)：46～47.

[6] 陈颖敏，武洋，田雷，等.防止热力设备氧腐蚀技术[J].山西化工，2006，26(2)：33～39.

[7] 陈浩，苏杭，李庆，等.水中溶解氧的微量滴定[J].理化检验-化学册，2006，42(3)：169～173.

[8] 马树艳.锅炉水中溶解氧的测定[J].化学工程师，2008，22(1)：30～31.