引言在锅炉给水处理工艺过程中，除氧是非常关键的环节。目前我国工业锅炉采用软化水或脱盐水作为锅炉给水。氧腐蚀是一个缓慢的过程，氧腐蚀生成物质主要为氧化铁，会沉积或附着在锅炉管壁和受热面上，形成难溶且传热不良的铁垢，铁垢会造成管道内壁出现点坑，阻力系数增大。当管道腐蚀严重时会发生管道爆炸事故。GB 1576—2018《工业锅炉水质》标准规定，蒸发量大于等于10 t/h的蒸汽锅炉和功率大于等于7 MW的热水锅炉，都必须除氧，其他锅炉发现有局部氧腐蚀的情况也应采取除氧措施。1锅炉给水除氧技术概述不同的压力和温度下水的含氧量变化规律如下：当压力一定时，水中含氧量随着温度的升高而降低；当温度一定时，水中的含氧量随着压力的减小而降低。所以给水除氧方法一般从提升水温、降低水压或通过化学反应使溶解氧生成稳定化合物等角度入手。锅炉常规除氧方法包括热力除氧、真空除氧、解析除氧、化学除氧和海绵铁除氧等[1]。目前针对大于10 t/h的燃气锅炉大多采用热力除氧方法。热力除氧原理是将锅炉给水加热至沸点，氧的溶解度减小，氧从水中逸出，伴随蒸汽一起排除。采用热力除氧方法能够除掉水中各种气体，除氧后的水不会增加含盐量，操作控制相对容易。热力除氧后的水温需达到105 ℃，当锅炉热负荷变动频繁时，自动调节相对滞后可能会造成除氧水温小于105 ℃，有可能在水泵入口汽化，需要注意水泵汽蚀问题。当锅炉热负荷变动频繁时，自动调节相对滞后会造成除氧水温小于105 ℃。热力除氧器必须高位布置，建设成本相对较高；同时，除氧会消耗掉大量的蒸汽，减少了锅炉有效外供蒸汽；同时，外排不凝气体时，部分蒸汽也同时排出；除氧器具有很大的外表面积，除氧器和蒸汽管道的散热损失也是一项重要损失。综上，热力除氧操作简单，但同时存在蒸汽外排损失和散热损失。长期运行下，这2种热损失非常巨大。2膜法除氧技术原理及结构特点2.1膜法除氧技术原理膜法除氧是气体膜技术的一种，是指膜的全部或部分界面与气相流体接触，或呈气相形态运作的膜技术，或通过一种膜过程，能使输入的气体被分离或变形的工艺[2]。膜法除氧是一种气液分离技术，利用膜建立稳定的气液界面。根据亨利定律和道尔顿分压定律，改变气相总（分）压，使水中溶解氧溢出脱除。膜法提供了巨大的气液交换面积，因此效率和效果均很好。在实际过程中，实现两相接触的膜本身不具备选择性，而仅仅作为两相接触的界面。两相在膜的两侧依靠扩散实现分离，通常采用具有疏水性的高分子材料，如聚丙烯（PP）、聚四氟乙烯（PTFE）等[3]。膜法除氧器分离水中的溶解氧利用的是气液相的（分）压力差，推动力低，节约能源，不用药剂，无污染，可以做到1×10-9以下的氧脱除。2.2膜法除氧器结构特点膜除氧器核心是中空纤维膜。中空纤维膜在真空或者无氧气体吹扫的负压状态下，溶解在水中的气体（氧气、二氧化碳）可以从膜的一侧穿过膜皮层到达膜的另一侧，被真空或者吹扫气体带走排出，而水分子不能通过。中空纤维脱气膜压力示意如图1所示。膜组件结构示意图如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.009.F001图1中空纤维脱气膜压力示意图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.009.F002图2膜组件结构示意图数万根中空纤维膜编织成一个膜组件，缠绕到布水管上，两端封闭成腔体，膜管内外形成彼此隔离的空间。当水由布水管分散流过膜组件时，由于负压，水中的溶解氧向膜管内扩散，被真空泵抽吸走。2.3膜法除氧器优点膜除氧器通过完全物理脱气原理，通过高疏水性的中空纤维膜实现气液极限分离。常温运行无须消耗蒸汽，大大节约能源。采用纯物理方法，不增加水中盐分，无二次污染问题。设备体积小、重量轻，可任意位置布置，大大节约基建投资。运行费用超低，除消耗少量吹扫气及电能外，不再消耗其他物质及能量，可全自动控制，适宜长期运行，对负荷大的变化不敏感。膜组件通过并列模块，可实现容量扩增；通过串联模块，可实现水中溶氧极限脱除。膜法未采用蒸汽加热，给水升温尽可能通过烟气加热实现，可进一步实现燃气锅炉烟气低温余热的充分利用。在燃气锅炉中，锅炉给水通过锅炉冷凝器和节能器换热给水温度上升，烟气温度下降。在节能器和冷凝器面积许可的情况下，可实现排烟冷凝进而降低燃气锅炉蒸汽单耗。3膜法除氧节能分析3.1减少热力除氧用蒸汽热力除氧原理是将锅炉给水加热至沸点，氧的溶解度减小从水中逸出。与热力除氧器对比，膜法除氧器可减少除氧蒸汽用量。根据热量平衡原理，热力除氧器额定加热蒸汽量消耗量可通过下式计算。该部分蒸汽用量直接关系到除氧器散热损失的大小。D1×(h1-h2)×η=D2×(h2-h3)(1)D=D1+D2 (2)式中：D1——加热给水需要消耗的除氧蒸汽量，kg/s；D2——补充冷水量，kg/s；h1——加热蒸汽焓，kJ/kg；h2——除氧水焓，kJ/kg；h3——补充水焓，kJ/kg；η——除氧器本体保温系数，一般取0.99（散热取1%）；D——除氧器规格，kg/s。该部分蒸汽是通过减温减压而来，从热力学第二定律来说，从高温高压蒸汽加热给水造成了蒸汽做功能力的损失。3.2减少散热损失由于热力除氧系统是通过锅炉所产蒸汽，把补充给锅炉的冷水在除氧器内加热到沸腾，其热态系统比较复杂，包括蒸汽供给管道、热力除氧器设备、锅炉给水泵设备和热水供给管道等。这些管道和设备虽然都采取了保温措施，但仍然存在热损失，且随着使用年限增加，保温性能有所下降，散热损失将会有所增加。热力除氧系统散热损失与散热表面积、内介质温度和环境温度直接相关联，其一般约为热力除氧器消耗蒸汽量的1%。其中，0.75%左右为本体散热，0.25%为管道散热。3.3减少放散蒸汽损失通过热力除氧器，给水中氧的溶解度减小；氧气从水中逸出，伴随蒸汽一起通过除氧器顶部管路排除。在排除氧的同时，绝大部分是排出蒸汽。排出蒸气可通过简化伯努利方程和连续性方程进行计算。Q=ρ×A×(2×ΔP/ρ)0.5 (3)式(3)中：Q—外排蒸汽流量，kg/s；ρ—蒸汽密度，kg/m3；A—除氧器顶部排放管当量面积，m2；ΔP—除氧器的工作表压，Pa。3.4减少锅炉排烟损失给水由烟气进行加热，可使锅炉最终排烟温度比使用热力除氧器情况下降低更多。根据计算，在给水温度20 ℃情况下，排烟温度可降至50 ºC以下，烟气中部分水蒸气冷凝，热回收到给水中。该部分的节能效益表现为烟气显焓的回收、烟气中水汽的冷凝潜热回收以及冷凝水量回收3方面[4]。如果将热力除氧器改造为膜法除氧器，需要进一步校核锅炉节能器和冷凝器工况。若在节能器部分就出现烟气冷凝工况，需要考虑金属材质和腐蚀问题。对于冷凝器来说，需要进一步考虑因为烟气冷凝带来的腐蚀，必要情况下可采用SUS316抗腐蚀材质。4经济性分析某项目配置3台50 t/h的燃气锅炉，蒸汽全部外供，无冷凝回水。原配置2台85 t/h的热力除氧器，拟将热力除氧器更换为膜除氧器。根据锅炉负荷情况，选择1台100 t/h膜除氧器、1台70 t/h膜除氧器，主要参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.009.T001表1膜除氧器配置内容数值型号EMDO-70EMDO-100额定产水量/(t/h)70100真空泵功率/kW15，380 V，50 Hz22，380 V，50 Hz进水口PN1.01.0DN150200出水口PN1.01.0DN150200氮气进口PN1.01.0DN3232氮气出口PN1.01.0DN5065排水口PN1.01.0DN5050最大尺寸/mm4 500×3 500×2 5006 000×3 500×2 500除氧器重量/kg2 5004 500在线溶氧检测检测精度为0.000 1mg/L进水压力/MPaP=0.30~0.50进水温度/℃≤50出水含氧量/（mg/L）≤0.015安装位置锅炉辅机房内使用温度/℃0~150制氮装置参数15 m3/h，功率22 kW，纯度99.95%电源要求AC380 V±10%(三相四线制)电源频率/Hz49.5~50.5电压波动范围/%-7~104.1减少的散热损失锅炉出口蒸汽压力4.03 MPa、温度404.4 ℃、过热蒸汽焓3 222.9 kJ/kg、104 ℃除氧水焓435.4 kJ/kg、20 ℃补充水焓83.74 kJ/kg，据式1和式2计算，需要的除氧蒸汽总量为9 606.8 kg/h。散热量按1%计算，单台除氧器散热损耗的蒸汽为96.068 kg/h，2台除氧器总计散热损失192.136 kg/h。按照年运行8 500 h、蒸汽价格320 元/t计算，年减少散热蒸汽价值为52.26万元。4.2减少的放散蒸汽损失除氧器的工作压力为0.02 MPa（表压，水温104 ℃），蒸汽排放到大气，则ΔP=20 000 Pa；0.02 MPa饱和蒸汽比容为1.42 m3/kg，则密度ρ为0.704 kg/m3。以本项目为例，85 t/h 除氧器顶上排汽口直径一般为DN40，正常情况下排汽口都会适当关小一些。计算按关闭至DN32，则单台除氧器排汽量D3=485 kg/h；2台除氧器放散蒸汽损耗为970 kg/h。按照年运行8 500 h，蒸汽价格320 元/t，年减少放散蒸汽价值为263.84万元。4.3烟气余热回收改造前排放烟气温度为75 ℃（70 ℃～80 ℃，取平均值），1 m3天然气燃烧后的烟气焓值为1 175 kJ/m3；改造后排放烟气温度为50 ℃，1 m3天然气燃烧后的烟气焓值为778.1 kJ/m3。则烟气降温后释放的显热Q1为 397 kJ/m3。根据道尔顿分压定律，该烟气的露点约为57.8 ℃。烟气温度降低到50 ℃时，烟气中的水蒸气约有30%冷凝成水，汽化潜热得以释放。50 ℃时蒸汽汽化潜热为2 368.144 kJ/kg，则1 m3天然气燃烧后的烟气中水蒸气重量为1.74 kg/m3，释放汽化潜热Q2=1 235 kJ/m3。1 m3天然气燃烧后烟气温度从75 ℃降至50 ℃，总释放热量Q=Q1+Q2=1 632 kJ/m3。按锅炉每吨蒸汽消耗天然气85 m3计算，降低排烟温度后可回收热量为104 975 kJ/t，天然气低位热值为33 805 kJ/m3，相当于节约天然气量为3.1 m3/t。按年外送蒸汽产量约60 万t，可节约天然气186 万m3。按照调研资料提供的天然气,平均单价2.8元/m3计算，燃料成本可节约金额 520.8 万元/年。4.4改造投资将2台热力除氧器改为2台膜法除氧器，包括设备、调试和安装的总投资约500万元；将3台锅炉冷凝器进行改造为SUS316材质耐腐蚀钢，包括设备、调试和安装的总投资约240万元，总投资为740万元。计算散热节能、放散蒸汽节能和烟气余热回收节能总计收益为836.9万元。综合考虑膜除氧器运行时的真空泵电耗、吹扫用氮气费用、膜折旧等，综合成本为2 元/t锅炉给水。若年外送蒸汽产量约为60 万t，年膜除氧器运行成本为120万元/a，则总投资为740万元，年节能收益为836.9万元，膜除氧器年运行费用为120万元，投资回收期约1年。5结语通过对燃气蒸汽锅炉的热力除氧器及膜法除氧器的对比分析，膜法除氧可减少散热损失和蒸汽放散损失；通过改造锅炉冷凝器，可进一步回收烟气余热用以加热给水，进而降低锅炉能耗。结合案例通过经济性分析，将现有热力除氧器改为膜法除氧器，同时更换冷凝器进一步降低排烟温度，技术改造整体投资回报期约1年。