中空纖維膜深度除氧技術在鍋爐給水中的應用

趙燕華

(國家能源集團寧夏煤業有限責任公司甲醇分公司，銀川 751409)

氧腐蝕是鍋爐系統及熱力設備系統中最常見的腐蝕。鍋爐給水在系統中與大氣接觸，水中的溶解氧基本上達到飽和狀態，未經除氧的水進入鍋爐，對給水管路、省煤器及鍋爐設備產生腐蝕。由于鍋爐內水和蒸汽的溫度較高，所以加劇了氧腐蝕，氧腐蝕對鍋爐的安全運行危害很大[1]。為此，筆者比較分析了鍋爐給水的4種常用除氧方法，并在此基礎上進行調整和改進，提出了中空纖維膜深度除氧裝置。

1 常用的除氧方法

為滿足鍋爐給水對氧含量的要求，采取了多種技術及設備去除鍋爐給水中的溶解氧，常用的除氧方法有：熱力除氧、真空除氧、氧化還原樹脂除氧和亞硫酸鈉除氧[2]。

1.1 熱力除氧

目前，鍋爐給水系統最常用的除氧方法是熱力除氧，其原理是將鍋爐給水加熱至沸點，使氧的溶解度減小，水中氧不斷逸出，再將水面上產生的氧氣連同水蒸氣一起排除。鍋爐熱負荷頻繁變動和管理操作水平等因素會影響熱力除氧效果，所以熱力除氧必須在高位布置一個體積大、質量大的水箱，造成了投資增大、設計安裝操作不方便、自耗氣量大等問題[3-4]。

1.2 真空除氧

真空除氧與熱力除氧相比，除加熱溫度有所降低外，熱力除氧的大部分缺點同樣存在于真空除氧，高位處真空除氧位置要求甚至超過熱力除氧，布局緊張，所以真空除氧的基建投資大、系統復雜、設計安裝操作管理都不方便。

1.3 氧化還原樹脂除氧

氧化還原樹脂除氧可以常溫除氧，也可以低位布置，但是需要使用聯氨。聯氨屬于有毒物質，用氧化還原樹脂除氧若使用不慎對操作人員會造成危害，而且基建投資大、運行操作復雜、推廣困難。

1.4 亞硫酸鈉除氧

亞硫酸鈉除氧運行簡單，但除氧效果不可靠。亞硫酸鈉除氧增加了鍋爐給水的含鹽量，使機組不得不加大排污，造成熱量和水量的損失，也增大了鍋爐產生硫酸鈣水垢的可能性。因此，采用亞硫酸鈉除氧不理想。

2 存在的問題

某公司4臺鍋爐均采用熱力除氧裝置進行除氧，因熱力除氧流程不完善，除氧器前未設置低溫加熱器、低壓除氧器、高溫加熱器等設備，且進入除氧器的脫鹽水和機組冷凝液水溫變化范圍較大，特別是合成、空分、氣化裝置停運后除鹽水無中間加熱裝置，來水溫度低，單純依靠除氧器自身蒸汽進行加熱水溫只能加熱到120 ℃，導致鍋爐給水溶解氧質量濃度長期超過60 μg/L。

若在脫鹽水和機組冷凝液之前增加低壓除氧器和高壓加熱器，不僅要對進除氧器的來水進行預加熱和初期溶解氧處理，還要對4臺除氧器除氧頭進行改造才能夠保證4臺除氧器溶解氧質量濃度合格。

該改造方案的缺點為設備改造幅度大，投資額較大，關鍵在于改造后需要投加大量蒸汽，目前全廠蒸汽管網沒有富余蒸汽使用，造成蒸汽管網難以平衡。

3 解決措施

為了減少裝置蒸汽消耗、實現常溫除氧、除去鍋爐給水中二氧化碳等酸性氣體、提高鍋爐爐水pH、減少爐水處理化學藥劑投加量、降低鍋爐熱損失等，可采用一種能夠深度脫除水中氧氣、二氧化碳等氣體，使氣液分離、工作穩定的中空纖維膜深度除氧裝置。

3.1 中空纖維膜的定義及工作原理

中空纖維膜組件以疏水性的聚合物為原材料，在一定的氣體傳輸推動力作用下，將液體中溶解的氣體進行脫除。

經過疏水化處理的中空纖維膜絲表面上有很多微孔，這些微孔允許氣體分子穿過，能阻擋水分子的穿透。氣體和水體接觸時，氣體會溶入水中，水體中氣體的溶解度與水表面該氣體的分壓成正比，根據亨利定律P=Hx(其中P為水表面該氣體的分壓，H為該氣體的亨利系數，x為該氣體的溶解度)，在抽真空或者氣體吹掃的負壓下，中空纖維膜絲外側液體中溶解的氣體通過微孔不斷向中空纖維膜絲內部移動，并被抽真空或者吹掃氣體帶走，從而達到脫除液體中溶解氣體的目的(見圖1)。

圖1 氣體傳輸動力工作原理

中空纖維膜脫氣的工作原理是操作運行中，液體在中空纖維膜絲外側流動，中間擋板和中心管布水使液體在中空纖維膜絲的表面成射流狀態，有效改善了流道，提高傳質效率，同時中空纖維膜絲內部抽真空或者施加氣體吹掃，將水中溶解的氣體帶走(見圖2)。

圖2 中空纖維膜脫氣的工作原理

3.2 中空纖維膜的特點

中空纖維膜具有以下特點：

(1)優異的疏水性能。特殊的中空纖維膜絲成孔技術使中空纖維膜絲表面孔的直徑小且分布均勻，孔的集中度高，中空纖維膜絲的疏水壽命長，保證中空纖維膜具備工程上的使用價值。

(2)精密的中空纖維膜絲排布方式。將中空纖維膜絲編織成絲布，絲布卷繞成柱狀，裝入膜殼，擴大了接觸器的有效接觸面積，同時每根中空纖維膜絲都被固定，不會隨水流擺動，杜絕了斷絲現象，保證系統出水水質穩定。

(3)高效率的氣液接觸方式。在組件中央設置導流擋板，并采用中心管布水，使液體在中空纖維膜絲的表面成射流狀態：膜絲外的液體流動方向，與膜絲內的氣體流動方向成一定的角度。有效地改善了流道，大大提高了殼程和管程的傳質效率。

3.3 中空纖維膜的配置及技術要求

進水側單元由壓力表、流量計、溫度計等構成，可以現場讀取壓力、水溫、流量等，進膜組件的合格除鹽水壓力在0.3～0.6 MPa。

產水側單元由壓力表、溶氧監測系統等構成，可以現場讀取產水壓力和溶解氧含量。

真空側單元由真空泵、真空表、氣液分離罐等構成，保證氧氣脫除所需的真空度。

進氣側單元由氮氣流量計、隔膜閥、壓力表等構成,進氣側使用無油無塵高純氮氣,純度>99.99%，體積流量>36 m3/h。

4 效果驗證

以某公司實際運行為例，該公司設計3套中空纖維膜深度除氧裝置,設計水質量流量<2 880 t/h，中空纖維膜進水水質為去離子水，采用連續給水的方式。其中：1#中空纖維膜深度除氧裝置設計水質量流量<1 350 t/h、出水溶解氧質量濃度≤10 μg/L；2#中空纖維膜深度除氧裝置，設計水質量流量<990 t/h、出水溶解氧質量濃度≤50 μg/L；3#中空纖維膜深度除氧裝置設計水質量流量<540 t/h、出水溶解氧質量濃度≤50 μg/L。以1#裝置為例，該裝置中空纖維膜為45支(3級，每級15支)，設計每級進水質量流量<90 t/h，實際每級進水質量流量為50 t/h，該裝置運行模式為全自動化混合控制模式(抽真空+氮氣吹掃)，實際現場進氣壓力為0.1 MPa，進水壓力為0.2 MPa，實際現場測得出水溶解氧質量濃度為4.5 μg/L，進水溫度為24.5 ℃，實際運行負荷為設計負荷的55.56%。

5 結語

經論證分析，采用中空纖維膜深度除氧裝置替代熱力除氧裝置，無論是處理水量還是溶解氧去除效果，均能達到生產需求，且無需額外消耗蒸汽，特別適合現有除氧裝置溶解氧去除不達標的改造。