李為民 段滋華 游玖林 任三群

(1.山西陽煤化工機(jī)械有限公司；2.太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院)

溶解氧(DO)是指大氣中的氧溶于水中或經(jīng)過化學(xué)、生物化學(xué)等反應(yīng)后溶解于水中的氧，影響溶解氧的主要因素有溫度、日照、水深、氣壓、鹽度及水質(zhì)等[1]。工業(yè)用水中因含有溶解氧與鐵組成的腐蝕電池使設(shè)備發(fā)生氧腐蝕，氧腐蝕是熱力設(shè)備中常見的一種腐蝕。氧腐蝕不但直接破壞受到氧腐蝕的部位，而且其腐蝕產(chǎn)物帶入熱力系統(tǒng)還會(huì)結(jié)垢，附在金屬管壁上，容易引起垢下腐蝕，對(duì)熱力設(shè)備的安全運(yùn)行和使用壽命危害較大[2]。

工業(yè)鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的設(shè)備，而水中溶解氧是鍋爐腐蝕的主要因素，對(duì)鍋爐的危害最大。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行低壓鍋爐水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB 1576-85的規(guī)定，額定蒸發(fā)量大于2t/h的蒸汽鍋爐和供水溫度大于95℃的熱水鍋爐，其給水中溶解氧的含量應(yīng)不大于0.1mg/L，必須進(jìn)行給水的除氧處理。目前我國(guó)擁有低壓鍋爐五十多萬臺(tái)，給水的除氧普及率僅為10%左右[3]。常用除氧方法有5種[4～6]：熱力除氧、化學(xué)除氧、亞硫酸鈉除氧、真空除氧和電化學(xué)除氧[9]。但目前，工業(yè)上常用的電化學(xué)除氧裝置將真空除氧與電化學(xué)除氧相結(jié)合，所需附屬設(shè)備較多、體積龐大，設(shè)備費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用高。筆者提出一種低溫電化學(xué)除氧方法，與上述方法相比，設(shè)備簡(jiǎn)單、操作使用方便、運(yùn)行費(fèi)用低，可廣泛應(yīng)用于低壓設(shè)備和熱水設(shè)備的給水除氧。

1 除氧實(shí)驗(yàn)裝置研發(fā)和實(shí)驗(yàn)研究

1.1 靜態(tài)水除氧實(shí)驗(yàn)裝置

選用鐵作為陽極材料，確定極板尺寸，通過焊接形成極板間距不同的多組極板。采用20mm×100mm×5mm的兩塊鐵片分別做電極的陽極和陰極。將不同厚度的硬塑料片夾在兩極板頂部之間并用膠帶將塑料片和兩電極纏緊固定，做成極板間距分別為2、3、5、7mm的電極，在每個(gè)電極的上方中央用釘子打一個(gè)小孔，接入導(dǎo)線，電極浸入水中的高度定為100mm，靜態(tài)水除氧裝置如圖1所示。

圖1 靜態(tài)水除氧裝置

1.2 流動(dòng)水除氧實(shí)驗(yàn)裝置研發(fā)

由靜態(tài)水實(shí)驗(yàn)分析可知，在滿足工業(yè)除氧要求時(shí)，除氧實(shí)驗(yàn)的電壓范圍為3～7V，電極距離范圍為2～7mm。筆者提出的流動(dòng)水除氧裝置是一種多層電級(jí)結(jié)構(gòu)的電解裝置(圖2)。該裝置內(nèi)部空間長(zhǎng)125mm、寬75mm、高80mm，采用4mm厚的有機(jī)玻璃和20片規(guī)格為80mm×75mm的鐵電極片加工而成。進(jìn)水口設(shè)計(jì)在左面下方中心，出水口設(shè)計(jì)在右面上方中心。電極共使用20片鐵電極片，規(guī)格為80mm×75mm，其中陰極組10片、陽極組10片，陰、陽極板從裝置上方間隔插入，陰極組和陽極組分別通過兩根導(dǎo)線引出，并固定在頂面的兩個(gè)倒置螺絲釘上，與外部直流電源線兩級(jí)相連。在裝置的頂面上方中心有一排氣閥，以排出反應(yīng)中產(chǎn)生的氫氣。

圖2 流動(dòng)水除氧裝置

1.3 除氧實(shí)驗(yàn)研究

筆者采用電化學(xué)原理，分別設(shè)計(jì)靜態(tài)水除氧實(shí)驗(yàn)和流動(dòng)水除氧實(shí)驗(yàn)。由靜態(tài)水實(shí)驗(yàn)，推導(dǎo)最佳除氧極板距離d(mm)范圍和最佳除氧電流密度J(mA/cm2)范圍；由動(dòng)態(tài)水除氧實(shí)驗(yàn)，推導(dǎo)滿足工業(yè)除氧條件的除氧速率。

1.3.1溶解氧含量測(cè)量

目前測(cè)定水中溶解氧有化學(xué)法和儀器法[7，8]。筆者以碘量法測(cè)水中溶解氧濃度的原理為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了兩種適合于實(shí)驗(yàn)室測(cè)定水中溶解氧含量的操作方法：碘量法定量滴定水中溶解氧含量和溶解氧試紙比色法定性測(cè)量水中溶解氧含量。該方法操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)成本低、精度較高、出結(jié)果快。

1.3.2靜態(tài)水實(shí)驗(yàn)

將電極片插入到一定量的水樣中，外接直流電源，開始電解。實(shí)驗(yàn)中使用電壓范圍為3～7V，電流密度范圍為0.8～8.3mA，電極間距范圍為2～10mm。不同極板、不同間距下進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)并獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 不同極板電壓、不同極板下的除氧效果對(duì)比曲線

由圖3的分析結(jié)果可知，在陰、陽電極板兩端所加的電壓、電極間距對(duì)除氧效果的影響因素較大。最佳的極板距離范圍為2～53mm，最佳的電流密度范圍為4～11mA/cm2。電壓值取3～5V，電極間距取4～7mm時(shí)就完全能滿足工業(yè)水脫氧的要求了。

1.3.3流動(dòng)水實(shí)驗(yàn)

控制除氧電壓在5V，改變流動(dòng)水流量，進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，測(cè)量水中溶解氧的含量。不同流量下的除氧實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 U=5V、d=5mm時(shí)不同

由圖4中結(jié)果分析知，流量為2、4L/h時(shí)，水中溶解氧含量在穩(wěn)定前就已經(jīng)到達(dá)了0.1mg/L以下。流量為6L/h時(shí)水中溶解氧含量的穩(wěn)定值都在0.1mg/L以上，因而采用6L/h流量時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算除氧速率，計(jì)算式為：

V=m/(t·A)=(7.773-1.218)-(0.8÷6×800)

=0.04916mg

(2)

式中A——有效除氧極板面積，cm2；

m——流動(dòng)水中溶解氧含量，mg；

t——除氧時(shí)間，h；

V——電化學(xué)除氧速率，mg/(h·cm2)。

2 工業(yè)除氧裝置設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中除氧裝置由電化學(xué)除氧單元、智能檢測(cè)控制單元和過濾沉降單元3個(gè)功能單元組成。待除氧水在電化學(xué)除氧單元中完成電化學(xué)除氧反應(yīng)，在智能檢測(cè)控制單元完成含氧量檢測(cè)與控制，在過濾沉降單元完成除氧水凈化。

2.1 電化學(xué)除氧單元

擬定裝置除氧水處理量為1t/h。本設(shè)計(jì)在流動(dòng)水實(shí)驗(yàn)除氧裝置基礎(chǔ)上，對(duì)除氧單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，如圖5所示。除氧裝置的主要結(jié)構(gòu)由間隔板式極板結(jié)構(gòu)變?yōu)槎鄬犹淄步Y(jié)構(gòu)。除氧水處理裝置的每層套筒按等間距設(shè)計(jì)，待除氧水在最內(nèi)層流動(dòng)的流速最大，在最外層流動(dòng)的流速最小。

筆者設(shè)計(jì)的除氧裝置的尺寸：極棒間距為10mm，每層間距為5mm，每層套筒的厚度為3mm，所得套筒層數(shù)33，裝置外徑為530mm，高1 000mm。

待除氧水由外層套筒間隙進(jìn)入除氧水處理裝置，由最內(nèi)層間隔流出除氧水處理裝置，流動(dòng)水流速由較小流速轉(zhuǎn)變?yōu)檩^大流速，有利于除氧水中的沉淀物進(jìn)入過濾沉降裝置，進(jìn)行凈化。

圖5 電化學(xué)除氧裝置結(jié)構(gòu)

2.2 自動(dòng)控制檢測(cè)單元

流量是影響電化學(xué)除氧溶解氧含量的最主要因素，筆者將除氧裝置出口溶解氧含量定為被控對(duì)象，通過調(diào)節(jié)入口流量來控制溶解氧含量。自動(dòng)檢測(cè)控制單元原理如圖6所示。若差值x>0，控制器給執(zhí)行器控制信號(hào)，使閥門開度減小，氧含量達(dá)到要求；若差值x<0即除氧達(dá)到要求，執(zhí)行器不動(dòng)作。

圖6 自動(dòng)檢測(cè)控制單元原理

2.3 沉降過濾單元

經(jīng)過除氧檢測(cè)后的達(dá)標(biāo)水進(jìn)入沉降過濾單元，在沉降池中沉降，在過濾器中過濾，處理后的除氧水直接供給工業(yè)用水裝置。

3 結(jié)束語

筆者在實(shí)驗(yàn)探究中，除氧后水中溶解氧含量可達(dá)到0.1mg/L以下，滿足工業(yè)用水溶解氧含量規(guī)定要求。設(shè)計(jì)中工業(yè)除氧裝置具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：采用電化學(xué)原理，無需加熱和高位安裝，可以完成低溫除氧；除氧極板高低交錯(cuò)排布，待除氧水

在裝置中折流運(yùn)行，增加有效接觸面積和時(shí)間，提高電化學(xué)除氧效率；連續(xù)運(yùn)行，除氧的同時(shí)除垢；采用低電壓除氧，極大地降低了運(yùn)行成本；除氧指標(biāo)人為控制不大于0.1mg/L。

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