除氧器工作原理

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1、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

2、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

3、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:快速将水加热到相应压力下饱和温度的传热条件; 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 X 1041.5 x 104W/ (m2 - C)，瞬间可将

4、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 X300MW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1278 Ng/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

5、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 C的水中，其DAB为0. 7 X10 - 5cm2/ s。分子扩散通量如(1)式所示:J A = - DABd CAd r(1) 式中 J A扩散摩尔通量,kmol/ (m2-s) ;d CA/ d r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

6、度梯度d CA/ d r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 200 m2/ 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7ug/ L ,满足超高压机组电厂的除氧 指标。3

7、 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，

8、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

9、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 M t , DAB , L) (2)式中 KL传质系数,m/ s ;L特性尺寸;u ,P,u, t 一水膜的流速、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

10、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

11、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. 03. 5 m/ 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

12、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 =

13、 D- S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。