李為民 段滋華 游玖林 任三群

(1.山西陽煤化工機械有限公司；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)還會結(jié)垢，附在金屬管壁上，容易引起垢下腐蝕，對熱力設(shè)備的安全運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，對鍋爐的危害最大。根據(jù)我國現(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，必須進行給水的除氧處理。目前我國擁有低壓鍋爐五十多萬臺，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)備費用和維護費用高。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)備簡單、操作使用方便、運行費用低，可廣泛應(yīng)用于低壓設(shè)備和熱水設(shè)備的給水除氧。

1 除氧實驗裝置研發(fā)和實驗研究

1.1 靜態(tài)水除氧實驗裝置

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，在每個電極的上方中央用釘子打一個小孔，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 流動水除氧實驗裝置研發(fā)

由靜態(tài)水實驗分析可知，在滿足工業(yè)除氧要求時，除氧實驗的電壓范圍為3～7V，電極距離范圍為2～7mm。筆者提出的流動水除氧裝置是一種多層電級結(jié)構(gòu)的電解裝置(圖2)。該裝置內(nèi)部空間長125mm、寬75mm、高80mm，采用4mm厚的有機玻璃和20片規(guī)格為80mm×75mm的鐵電極片加工而成。進水口設(shè)計在左面下方中心，出水口設(shè)計在右面上方中心。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倒置螺絲釘上，與外部直流電源線兩級相連。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 流動水除氧裝置

1.3 除氧實驗研究

筆者采用電化學(xué)原理，分別設(shè)計靜態(tài)水除氧實驗和流動水除氧實驗。由靜態(tài)水實驗，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；由動態(tài)水除氧實驗，推導(dǎo)滿足工業(yè)除氧條件的除氧速率。

1.3.1溶解氧含量測量

目前測定水中溶解氧有化學(xué)法和儀器法[7，8]。筆者以碘量法測水中溶解氧濃度的原理為基礎(chǔ)，設(shè)計了兩種適合于實驗室測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量水中溶解氧含量。該方法操作簡便、檢測成本低、精度較高、出結(jié)果快。

1.3.2靜態(tài)水實驗

將電極片插入到一定量的水樣中，外接直流電源，開始電解。實驗中使用電壓范圍為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、不同間距下進行多組實驗并獲得實驗數(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時就完全能滿足工業(yè)水脫氧的要求了。

1.3.3流動水實驗

控制除氧電壓在5V，改變流動水流量，進行多組實驗，測量水中溶解氧的含量。不同流量下的除氧實驗數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 U=5V、d=5mm時不同

由圖4中結(jié)果分析知，流量為2、4L/h時，水中溶解氧含量在穩(wěn)定前就已經(jīng)到達了0.1mg/L以下。流量為6L/h時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流量時的實驗數(shù)據(jù)計算除氧速率，計算式為：

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——流動水中溶解氧含量，mg；

t——除氧時間，h；

V——電化學(xué)除氧速率，mg/(h·cm2)。

2 工業(yè)除氧裝置設(shè)計

本設(shè)計中除氧裝置由電化學(xué)除氧單元、智能檢測控制單元和過濾沉降單元3個功能單元組成。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)，在智能檢測控制單元完成含氧量檢測與控制，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)計在流動水實驗除氧裝置基礎(chǔ)上，對除氧單元結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化改進，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，待除氧水在最內(nèi)層流動的流速最大，在最外層流動的流速最小。

筆者設(shè)計的除氧裝置的尺寸：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入過濾沉降裝置，進行凈化。

圖5 電化學(xué)除氧裝置結(jié)構(gòu)

2.2 自動控制檢測單元

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象，通過調(diào)節(jié)入口流量來控制溶解氧含量。自動檢測控制單元原理如圖6所示。若差值x>0，控制器給執(zhí)行器控制信號，使閥門開度減小，氧含量達到要求；若差值x<0即除氧達到要求，執(zhí)行器不動作。

圖6 自動檢測控制單元原理

2.3 沉降過濾單元

經(jīng)過除氧檢測后的達標(biāo)水進入沉降過濾單元，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

筆者在實驗探究中，除氧后水中溶解氧含量可達到0.1mg/L以下，滿足工業(yè)用水溶解氧含量規(guī)定要求。設(shè)計中工業(yè)除氧裝置具有以下創(chuàng)新點：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；除氧極板高低交錯排布，待除氧水

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

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