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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 ,气体名师资料总结 - - -精品资料欢迎
3、下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - - 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
4、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 1041. 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,
5、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 1278g/ 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,因不平衡压差很名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - - 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
6、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 :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
7、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7g/ 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名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - -
8、- - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - 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
9、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
10、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,气体分子主名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - - 要以分子扩
11、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 , t , DAB , L) (2)式中KL 传质系数 ,m/ s ;L 特性尺寸 ;u , 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
12、,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。提高液名师资料总结 - -
13、-精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 7 页 - - - - - - - - - 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,旋膜内的
14、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
15、: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、名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - 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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - -