加压除氧器

了解锅炉给水除气的必要性及加压除氧器的运行原理，以及相关计算。

为什么需要去除锅炉给水中的气体

氧气是热井水箱、给水管路、给水泵和锅炉腐蚀的主要原因。如果同时存在二氧化碳，则pH值会偏低，水将趋于酸性，腐蚀速率会加快。典型的腐蚀形式为点蚀，虽然金属损失可能不大，但可能在短时间内发生深度穿透和穿孔。

消除溶解氧可通过化学或物理方法实现，但更常见的是两者的结合。

减少腐蚀的基本要求是将给水pH值维持在不低于8.5至9的水平，这是二氧化碳不存在的最低水平，并去除所有氧气痕迹。系统冷凝水的回流将对锅炉给水处理产生重大影响——冷凝水温度高且已经过化学处理，因此随着冷凝水回流的增加，给水处理的需求将减少。

暴露在空气中的水会达到氧饱和状态，其浓度随温度变化：温度越高，氧含量越低。

给水处理的第一步是加热水以驱除氧气。通常锅炉给水箱应在85°C至90°C下运行，此时残余氧含量约为2 mg/l（ppm）。在大气压下运行更高的温度可能会很困难，因为接近饱和温度，给水泵可能发生汽蚀，除非给水箱安装在远高于给水泵的位置。

添加除氧化学药剂（亚硫酸钠、水杨酸或单宁酸）可去除残余氧气并防止腐蚀。

这是英国工业锅炉设备的常规处理方法。然而，由于设备规模、特殊应用或地方标准的不同，有些设备需要减少或增加化学品的使用量。对于需要减少化学处理量的设备，通常的做法是使用加压除氧器。

加压除氧器的运行原理

如果液体处于其饱和温度，则气体在其中的溶解度为零，但必须对液体进行强烈搅拌或沸腾以确保完全除气。

这在除氧器头部区域实现，方法是将水分散成尽可能多的小水滴，并使这些水滴处于蒸汽环境中。这提供了高的表面积与质量比，并允许蒸汽向水快速传热，使水迅速达到蒸汽饱和温度。这释放出溶解气体，这些气体随后随过量蒸汽排出大气。（这种气体和蒸汽的混合物温度低于饱和温度，排汽阀将以恒温方式运行）。除气后的水随后落入容器的储水段。

在储存的水上方维持一层蒸汽覆盖层，以确保气体不会被重新吸收。

布水方式

进水必须被分散成小水滴以最大化水的表面积与质量比。这对于提高水温并在除氧器穹顶（或头部）中极短的停留时间内释放气体至关重要。

将水分散成小水滴可通过在穹顶蒸汽环境中使用的多种方法之一来实现。当然，每种布水方式都有各自的优缺点以及成本影响。表3.21.1比较并总结了一些最重要的因素：

控制系统

水位控制 使用调节式控制阀维持容器储水段的水位。需要调节式控制以提供稳定的运行条件，因为开/关式水位控制系统中相对冷水的突然涌入可能对压力控制产生重大影响，同时也会影响除氧器快速响应需求变化的能力。由于需要调节式控制，电容式液位探头可提供所需的水位模拟信号。 蒸汽控制 调节式控制阀调节蒸汽供给。该阀通过压力控制器进行调节，以维持容器内的压力。精确的压力控制非常重要，因为它是除氧器温度控制的基础，因此将使用快速响应的气动控制阀。注意：在较小的应用中可使用先导式压力控制阀，在负荷基本恒定的情况下可使用自力式隔膜驱动控制阀。蒸汽注入可发生在头部底部，与水反向流动（逆流），或从侧面进入，与水流交叉（横流）。无论蒸汽从哪个方向进入，其目标都是提供蒸汽和水流之间的最大搅拌和接触，以将水温提高到所需温度。蒸汽通过扩散器注入，以在除氧器穹顶内提供良好的蒸汽分布。进入的蒸汽还提供：

将气体输送到排气口的手段。
在储存的除氧水上方所需的蒸汽覆盖层。 除氧器排气能力 在前面的模块中，典型的给水温度约为85°C，这是常压通风锅炉给水箱的实际最大值。同样已知的是，85°C的水中每1000 kg水含有约2.3克氧，正是氧气在蒸汽系统中造成主要损害，原因有两个：首先，它附着在管道和设备内壁上，形成氧化物、铁锈和水垢；其次，它与二氧化碳结合生成碳酸，碳酸对金属具有天然的亲和力，会普遍腐蚀金属并溶解铁。因此，在锅炉给水进入锅炉之前去除其中的氧气是有用的。由壳管式锅炉提供饱和蒸汽的低压和中压设备，在精心设计的带有常压除氧器（称为半除氧器）的给水箱中可以很好地运行。任何残余的氧气痕迹通过化学方式去除，对于这类蒸汽设备来说通常是经济的。然而，对于高压水管锅炉和处理过热蒸汽的蒸汽设备来说，将锅炉水中的氧含量保持在低得多的水平（通常低于十亿分之七，即7 ppb）至关重要，因为溶解气体引起的侵蚀速率随温度升高而迅速加快。要达到如此低的氧含量，可使用加压除氧器。

如果给水在常压给水箱中加热到100°C的饱和温度，理论上水中含氧量为零；但实际上可能仍有少量氧气残留。同样，从通风给水箱中逸出的蒸汽损失会相当大，在经济上不可接受，这就是加压除氧器更受优选用于通常在20 bar g以上运行的高压设备的主要原因。

加压除氧器通常设计在0.2 bar g下运行，相当于105°C的饱和温度，虽然仍有一定量的蒸汽通过节流排气口逸出到大气中，但损失远小于通风式给水箱。

不仅氧气需要排放，其他不凝性气体也将同时被排出。因此除氧器将排放空气的其他成分，主要是氮气，以及一定量的蒸汽。因此，水中空气的排出率必须高于每1000 kg水2.3克氧。实际上，在大气条件下80°C水中空气的含量为每1000 kg水5.9克。因此，需要排出每1000 kg水5.9克空气，以确保所需的2.3克氧被释放。由于这些空气与水面以上的蒸汽混合，从除氧器中排出它们的唯一方式是同时释放蒸汽。

需要释放的蒸汽/空气混合物量可以通过考虑道尔顿分压定律和亨利定律的影响来估算。

考虑安装除氧器的可行性。在安装之前，锅炉设备由运行在80°C的通风给水箱供水。这意味着每1000 kg给水含有5.9克空气。拟议的除氧器将在0.2 bar g的压力下运行，对应的饱和温度为105°C。

因此假设所有空气将从除氧器中的水中被驱出。由此可知，排气口必须排出每1000 kg给水容量5.9克空气。

考虑到从水中释放的空气与水面上方的蒸汽混合。虽然除氧器运行压力为0.2 bar g（1.2 bar a），但蒸汽/空气混合物的温度可能仅为100°C。因此，根据道尔顿定律：-

如果除氧器中的蒸汽空间充满纯蒸汽，蒸汽压力应为1.2 bar a。由于蒸汽空间的实际温度为100°C，蒸汽引起的分压仅为1.013 25 bar a。

不凝性气体（空气）引起的分压因此为这两个数值之差 = 1.2 - 1.013 25 = 0.186 75 bar a。然而：

因为没有简便的方法精确测量排放温度；
因为除氧器与大气压之间的压差很小；
因为排气率非常小， …自动排气机构在除氧器排气管中很少采用，该任务通常由手动调节的球阀、针阀或孔板完成。同样重要的是要记住，除氧器的首要目标是去除气体。因此至关重要的是，一旦分离出来，这些气体必须尽快排出，并在任何可能重新夹带之前完成。虽然理论上建议每吨除氧器容量需要22.4克蒸汽/空气混合物，但实际上这无法成功监测或调节。因此，基于实践经验，除氧器制造商倾向于推荐每1000 kg/h除氧器容量0.5至2 kg蒸汽/空气混合物的排气率以确保安全。建议在此问题上采纳除氧器制造商的建议。控制排气率的典型方式是使用适当压力等级的DN20蒸汽用球阀，可固定在部分开启状态。

加压除氧器的典型运行参数 以下信息为典型值，实际安装可能在多个方面有所不同，以适应该设备的个别需求：

运行压力通常约为0.2 bar（3 psi），对应的饱和温度为105°C（221°F）。
容器将包含锅炉满负荷运行10至20分钟的水储量。
除氧器供水压力应至少2 bar，以确保喷嘴处的良好分布。
这意味着设备中疏水阀需要有背压，或者需要泵送冷凝水回流。
压力控制阀的蒸汽供给压力将在5至10 bar范围内。
除氧器的最大调节比约为5:1。
在工艺流量低于此值时，可能没有足够的压力使喷嘴或喷雾式布水器实现良好雾化。
这可以通过在设备上安装多个穹顶来解决。穹顶总容量等于锅炉额定出力，但一个或多个穹顶可在低负荷时关闭。
容器储水区域可能需要在启动条件下进行加热；可采用盘管或直接注入方式。
然而，最有可能安装加压除氧器的设备类型将处于连续运行状态，操作人员可能认为偶尔冷启动时的低性能是可以接受的。容器设计、材料、制造、结构和认证将符合公认标准，例如：在英国标准为PD 5500。除氧器的热平衡通常（但不总是）按进水温度升高20°C来计算。通常向除氧器供应85°C的水。如果进水温度显著高于此值，则达到设定压力所需的蒸汽量将减少。这反过来意味着蒸汽阀将节流关小，蒸汽流量可能过低，无法确保在蒸汽喷嘴处的适当分散。这可能表明，在冷凝水回流比例非常高的情况下，可能需要采取一些替代措施以确保适当的除氧。在这种情况下，可使用不同参数计算除氧器热平衡，或除氧器可在更高压力下运行。

成本与合理性

成本运行除氧器不会产生额外的能源成本，无论是否使用除氧器，输送到工厂的最大蒸汽量是相同的，因为用于提高给水温度的蒸汽来自更高的锅炉出力。然而：

除氧器会有一定的热损失（通过适当的保温可将其最小化）。
从给水箱到除氧器之间的输送泵运行会产生额外成本。
排出不凝性气体会损失一定量的蒸汽。 合理性 选择加压除氧器的主要原因有：
在不使用化学品的情况下将氧含量降低到最低水平（< 20 ppb）。这将消除锅炉给水系统中的腐蚀。
在化学品方面可以实现成本节约——这一论点在大型水管式锅炉上越来越有效，因为流量高且需要在锅炉给水中维持低TDS水平（< 1000 ppm）。
用于控制锅炉水氧含量的化学品本身需要排污。因此，通过减少/消除化学品的添加，排污率将降低，从而带来相关成本节约。
防止蒸汽与产品直接接触时的污染，例如：食品或用于灭菌目的。

除氧器热平衡

为了实现正确的系统设计并选择蒸汽供给阀的尺寸，了解加热除氧器需要多少蒸汽非常重要。这些蒸汽用于将给水从安装除氧器之前的通常温度加热到将溶解氧降低到所需水平所需的温度。所需蒸汽流量通过质量/热平衡计算。质量/热平衡的工作原理是给水中的初始热量加上注入蒸汽质量所增加的热量，必须等于给水中的最终热量加上在此过程中凝结的蒸汽质量。公式2.11.3是用于此目的的质量/热平衡方程。