熱力除氧器在過熱水硫化工藝中耗汽量的分析

王超群

(三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200)

我公司采用過熱水硫化工藝，過熱水溫度(178±3)℃，壓力(2.8±0.1）MPa 。自備3臺10 t燃煤鍋爐產生的1.23 MPa飽和蒸汽，經自動調節達到（0.9±0.05）MPa進入除氧加熱器中，將水加熱達到工藝規定溫度。除氧熱水經過熱水循環泵加壓，達到硫化工藝壓力條件。動力站使用GWC-100型立式、循環加熱、噴霧填料式熱力除氧加熱器，是提供工程機械輪胎過熱水硫化介質的關鍵設備。

1 噴霧式熱力除氧器及工藝流程簡介

1.1 噴霧式除氧器

硫化過熱水加熱除氧是利用除去水中氧氣及二氧化碳等不凝氣體，減少設備、管路和輪胎部件氧化腐蝕、提高熱效率的關鍵環節。

熱力除氧的基本原理是亨利定律（henryslaw）：Cn=KPn，在平衡條件下，水中氧氣溶解量Cn與水上方氧氣的摩爾分壓Pn成正比，如果水上方氣體中氧氣的摩爾分壓Pn趨于零，擴散達到平衡，水中氧氣溶解量就趨于零。熱力除氧的另一原理是費克（Fick）擴散定律：水與無氧氣體的接觸面積和氧擴散速度成正比，即要把水充分霧化成小水珠或水膜，創造快速實現溶氧擴散平衡的途徑。

噴霧式除氧器有兩部分組成：塔上部為噴霧層,下部為填料層。噴霧層內利用噴嘴將給水霧化為水滴,使汽水接觸面積增大，強化了汽水熱質傳導，從深度除氧看，噴霧層內只能完成除氧的第一階段任務,除去水中約70%～80%的氧,在塔下部加設填料層，采用比表面積大的表面填料層(如不銹鋼鮑爾環),使水充分分散成水膜，利于殘余氧的擴散,實現給水深度險氧。

噴霧式除氧器對介質的適應性較強,除氧效果好，經濟性比較高。但是噴霧式除氧器噴嘴多為彈式，易出現振動及溶解氧超標現象，且單個噴嘴出力僅10～20 t/h，致使外形尺寸大，因此嘴霧式除氧器多用于除氧要求不十分嚴格的給水系統中。

1.2 過熱水硫化工藝流程介紹

噴霧式熱力除氧器過熱水循環工藝流程如圖1所示。動力站除氧系統按年產10萬套工程機械輪胎設計，供應14臺硫化罐和6臺硫化機過熱水，除氧器工作壓力（0.9±0.05）MPa。

除氧器在正常運行過程中，熱力除氧器加熱所用蒸汽由蒸汽主管提供1.23 MPa蒸汽，經自動調壓后供除氧加熱器使用，不考慮除氧水箱排污和溢流熱能損失，進除氧頭還有過熱水回水和除氧水箱補充水，同時，氧氣、二氧化碳等不凝性氣體排出，經加熱、除氧后的過熱水由熱水循環泵加壓打入硫化罐（或硫化機）管網中，提供工程機械輪胎硫化所用過熱水。

2 除氧系統的平衡

除氧器系統的平衡包括物質和熱能平衡，有公式：

圖1 熱力除氧器循環系統圖

在除氧器正常運行狀態下，由（1）式，得：

式中：

W1—進入除氧系統內除氧水箱補充水量，t/h；

W2—進入除氧系統內循環熱水回水量，t/h；

Q1—進入除氧系統內高溫蒸汽流量，t/h；

W3—由熱水循環泵供入硫化管網流量，t/h；

Dx—水中溶解氣體的排除量。現場安裝Dg25 Pg25閘板閥，使用鉆頭在閥芯上鉆Φ3 mm小孔，按照0.9 MPa蒸汽壓力、查相關蒸汽泄漏數據，排汽量約為26 kg/h，相對較小，可忽略不計。

熱水循環泵相關參數：流量Q：178 m3/h；揚程H：204 m ； 轉速 2 900 r/min；效率 η：62% 。

由（2）式，得：

式中：

η—除氧系統熱效率，% ；

h—進入除氧系統內高溫蒸汽的比焓，kJ/kg；

h1—進入除氧系統內除氧水箱補充水比焓，kJ/kg；

h2—進入除氧系統內循環回水的比焓，kJ/kg；

h3—除氧系統高溫過熱水的比焓，kJ/kg。

η取0.98，h取0.9 MPa飽和蒸汽比焓2 773 kJ/kg；h1取除氧水箱75℃軟化水比焓314 kJ/kg；h2取175℃過熱水（較供水平均低3℃）比焓742 kJ/kg；h3取178℃過熱水比焓756 kJ/kg，得：

熱水循環泵共計3臺，2備1開，必須保證泵運行完全正常，W3取值相對穩定，上式中，蒸汽耗量Q1與除氧系統補充軟化水大致成一定的線性關系。

下面列舉了2018年1月1日至12日，除氧系統使用蒸汽量和除氧水箱補充熱水數據，如表1。

表1 除氧系統消耗蒸汽和補充軟化水數據

據表1，GWC-100型噴霧式熱力除氧器正常運行過程中的耗汽量，在運行實踐中充分驗證了與補充水之間的線性關系。其中1月9日和1月12日，出現耗汽量和補充用水顯著增加的現象，經與當班落實，存在硫化罐裝罐過程中模具之間嘴子墊泄漏問題，分別泄漏3.5 h和4.5 h，下面進行詳細論證。

3 除氧系統消耗蒸汽的影響因素

3.1 加熱蒸汽壓力波動對除氧系統耗汽量的影響

在進汽量不變的情況下，進水量增大，除氧器壓力降低；進水量減小，壓力增大。根據這一原理，來調節除氧器進汽閥門開度，使其根據進水量的大小變化而變化，讓除氧器的壓力始終維持在（0.9±0.05）MPa，如圖2。這種除氧器自控系統在除氧器負荷變化不大，除氧器進水裝置噴頭良好的情況下，運行比較可靠，若采用控制壓力和溫度相結合的自控系統效果會更好。這種自控系統消除了由于負荷急劇變化進氣閥開啟滯后帶入水箱的殘留氧無法逸出的弊病。

若蒸汽壓力波動中減小，相應溫度降低，除 氧器內的水達不到除氧器壓力下的飽和溫度，水不能沸騰，水中溶解氧就不能逸出。除氧系統運行效率降低，除氧效果變差，進汽壓力達不到設計要求，除氧器水的溫度低于控制標準(178±3)℃，白白浪費蒸汽，設備無效運行，只能停運除氧系統，整修自控裝置。

若蒸汽壓力波動中增大，除氧器壓力上升很快，除氧器壓力超壓報警，安全閥超限啟跳，存在重大安全隱患。此時，除氧器內壓力增大，除氧水即使已經達到了178℃工藝溫度，但也低于此時的除氧器飽和溫度，除氧效果仍較差，而且壓力增大，排汽量大增，浪費大量蒸汽。

熱力除氧器壓力調節是運行中的關鍵，除氧器運行效果的好壞主要取決于除氧器內蒸汽壓力能否恒定保持在一定范圍。

圖2 熱力除氧器自控系統示意圖

3.2 補充水用量和溫度對除氧系統耗汽量的影響

式（5）是除氧系統正常運行過程中耗汽量表達式，此時設定軟化水進水溫度為75℃。耗汽量與軟化水進水量存在一定的線性關系。

在進水量一定、進汽壓力穩定的情況下，若進水溫度偏低，即h1越低，h3也就越低，唯一的辦法是提高進汽量來提高出水溫度，造成耗汽量增大。

一般除氧器設計進水溫度為70℃左右，若進水溫度過低，甚至進水溫度等于軟化水溫度，不設置軟化水加熱器、除氧水箱內沒有設置輔助加熱裝置，除氧效果更差，且嚴重浪費蒸汽。進水溫度降低，要保證除氧器額定出水溫度和水量，勢必要增加除氧器的熱負荷，由于進汽量的增加，會出現汽阻現象，引起除氧器及其管路的強烈振動，被迫降低除氧器運行水溫和出水量。

在工程機械輪胎硫化過程中，若出現模具膠墊泄漏等刺罐事故的發生，大量過熱水外漏而無法循環回收，除氧器內需要大量補充軟化水，而此時軟化水供應不及時無法保證進水溫度，為保證除氧系統正常運行，必須增大進汽量來維持系統平衡，造成耗汽量成倍增加。表1中，1月9日和12日耗汽量和補水量顯著增加，就是出現了模具刺墊的質量事故。

3.3 除氧器結構等方面對耗汽量的影響

除氧器耗汽量除了以上2個主要的耗汽因素外，還與除氧器結構、排汽閥開度、除氧器及附屬管路保溫狀況等有密切關系。

較之旋膜熱力除氧器，我公司使用噴霧式填料熱力除氧器，前者傳熱系數和傳熱強度均比噴霧填料除氧器高50% 以上，除氧效果更佳。本質區別是噴霧式除氧器內彈簧噴嘴將進水擴散成霧狀水滴，與蒸汽進行熱交換；而旋膜式除氧器內起膜器將進水形成高速旋轉水膜，與蒸汽熱交換效果大大增強。這是因為噴霧式除氧器內霧狀水滴存在水分子張力作用，比較水膜裙與蒸汽進行熱交換，后者傳熱系數和強度更好。通過改造老式噴霧式除氧頭內噴嘴、填料等部件，設計安裝起膜器、水篦子和鮑爾環填料等裝置，一般工期需要4～5天，造價比購置新除氧頭減少50%以上。

排氣閥開度一般情況保持不變，其開度按照每噸除氧水2～3 kg排汽。排汽孔過大造成蒸汽浪費，排汽孔過小，造成從水中逸出的氧氣、二氧化碳不能及時排出，影響除氧器除氧效果。

除氧器外表面保溫至關重要，保溫層材料選取、保溫厚度標準可按照相關《工業爐設計手冊》進行計算，每小時散熱損失可按公式：

式中 ：

Q—散熱量，J；

K1—綜合換熱系數，W/(m2.℃)，可根據材料、形狀、特征等在相關手冊中查到；

Tw—散熱面表面溫度，℃；

To—環境溫度，℃；

S—散熱面積，m2。

通過保溫節約蒸汽消耗，經濟效益非常可觀。以現運行GWC-100規格熱力除氧器，規范實施保溫措施與不進行保溫比較，將散熱量折算成標準煤，初步估算，每年可節省燃煤消耗10萬元以上。

4 結語

噴霧式除氧加熱器用于工程機械輪胎過熱水硫化工藝，在特定條件下進行數據選取與計算，給出除氧系統耗汽量與軟化補給水、過熱水供水之間的數值關系式，對于分析耗汽量與蒸汽壓力、補給水水量和溫度等方面，具有直觀、量化參考，對于指導除氧器節能、高效運行意義重大。