热力除氧原理及过程

锅炉给水为什么要除氧

当水和某种气体接触时，就会有一部分气体溶解到水中。

通常用气体的溶解度表示气体溶解于水中的数量（单位为mg/L），它和气体的种类以及该气体在水面的分压力、水的温度有关。

气体在水面的分压力越高，其溶解度就越高，反之，其溶解度便越低。同时在一定的压力下，水的温度越高，气体的溶解度越小，反之，气体的溶解度则越大。

锅炉补水中溶解的氧气可达10mg/L。这部分溶解在水中的氧是给水箱、给水管道、给水泵和锅炉腐蚀的主要原因。为了减少腐蚀给锅炉系统带来的危害（设备表面产生蚀斑，诱发深度穿透、穿孔），必须除去锅炉给水中的氧。此处介绍的热力除氧方法便是锅炉系统通常采用的除氧形式。

热力除氧原理

除氧是要除去水中所有的不凝结气体，采用热力除氧方法，其原理依据是亨利定律和道尔顿定律以及传热传质定律。

亨利定律指出：当液体表面的某气体与溶解于液体中该气体处于进、出动态平衡时，溶于单位容积液体中该气体的质量b，与液面上该气体的分压力Pb成正比：

b=k×Pb/P0（mg/L）

式中：K为该气体的质量溶解度系数，它与液体和气体的种类和温度有关；

           Pb为平衡状态时气体在液面上的分压力；

           P0为液面上的全压力。

由上式可见当水面上气体的分压力小于溶解该气体所对应的平衡压力Pb时，则该气体就会在不平衡压力差△P作用下，自水中离析出水面，直到新的平衡状态为止。

因此，如果使水面上该气体的分压力一直维持零值，就可以使该气体从水中完全逸出而除去，以上就是热力除氧的基本原理。

如何使水面上不凝结气体的分压力近似为零，这便与道尔顿定律相关。

根据道尔顿定律：混合气体的全压力等于各组成气体的分压力之和。除氧器空间的总压力P等于水中所溶解各气体在水面上的分压力Pi与水上面水蒸汽分压力Ps之和，即：

P=ΣPi＋Ps（MPa）

在除氧器中，随着水被蒸汽不断地加热，水会逐渐蒸发，水表面的水蒸汽压力就逐步增大，其它气体的分压力就逐步减少，水中的气体分子逐渐脱出，并随余汽排出，水面内外气体分压均被减小而维持一定的压差△P。

当水被加热到除氧器工作压力下的饱和温度时，水表面的水蒸汽分压力等于除氧头的压力，也即蒸汽分压力等于总压力，其它气体的分压力近于或等于零，这就可能让水中的各气体完全脱出，水中气体溶解量接近零。

热力除氧过程既是传热过程同时又是一个传质过程，气体从水中离析脱出的量与水的表面积A、不平衡差△P成正比例，即：

G=KmA△P（mg/L）

其中：Km是传质系数或称离析系数。

热力除氧过程

在除氧器中，凝结水首先经过高压喷嘴形成发散的锥形水膜向下进入初级除氧区。

在初级除氧区，水膜与上行的蒸汽充分接触，迅速将水加热到除氧器压力下的饱和温度，大部分氧气从水中析出，聚集在喷嘴附近。为防止氧气积聚过多，在每个喷嘴的周围设有排气口，以及时排出析出的氧气。

经过初级除氧的水在除氧器水箱下部汇集。

而深度除氧则在水面以下进行，利用引入水面以下的蒸汽将水加热、沸腾，实现深度除氧。除氧过程析出的气体经排气管排出，除氧后的水则在水箱内与回收的疏水等混合。

气体从水中离析过程即传质过程，此过程可分为两个阶段：

第一阶段为除氧初期阶段，此时由于水中气体含量较多，其分压力远大于水面以上气体的分压力，气体会以气泡的形式克服水的粘滞力和表面张力析出，如此除去水中80%~90%的气体。

第二阶段是深度除氧阶段，经过初级除氧的给水中仍含有少量气体。这部分气体的不平衡压差很小，气体离析的能力弱，已无法以气泡形式克服水的表面张力而逸出，只有靠单个分子的扩散作用慢慢离析出来。

为达到深度除氧目的，可采用加大汽水接触面水膜（水膜表面张力小）面积和形成水的紊流来加强扩散作用，强化水中气体的析出。

  热力除氧关键影响因素

      为达到良好的热力除氧效果，必须满足以下条件：

       1. 有足够量的蒸汽将水加热到除氧器压力下的饱和温度。即使有少量的加热不足（小到零点几度），都会引起除氧效果恶化，使水中的残余溶解氧增高；

       2. 必须把析出的气体及时排走，以保证水面上氧气及其他气体的分压力减至0或最小，防止水面的气体分压力增加，影响析出；

       3. 被除氧的水与加热蒸汽应有足够的接触面积，蒸汽与水应逆向流动，增加水与蒸汽接触的时间，以维持足够大的传热面积和足够长的传热、传质时间，并保证有较大的不平衡压差。

           图1  热力除氧器内部结构示意图