熱力除氧器在過(guò)熱水硫化工藝中耗汽量的分析

王超群

(三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200)

我公司采用過(guò)熱水硫化工藝，過(guò)熱水溫度(178±3)℃，壓力(2.8±0.1）MPa 。自備3臺(tái)10 t燃煤鍋爐產(chǎn)生的1.23 MPa飽和蒸汽，經(jīng)自動(dòng)調(diào)節(jié)達(dá)到（0.9±0.05）MPa進(jìn)入除氧加熱器中，將水加熱達(dá)到工藝規(guī)定溫度。除氧熱水經(jīng)過(guò)熱水循環(huán)泵加壓，達(dá)到硫化工藝壓力條件。動(dòng)力站使用GWC-100型立式、循環(huán)加熱、噴霧填料式熱力除氧加熱器，是提供工程機(jī)械輪胎過(guò)熱水硫化介質(zhì)的關(guān)鍵設(shè)備。

1 噴霧式熱力除氧器及工藝流程簡(jiǎn)介

1.1 噴霧式除氧器

硫化過(guò)熱水加熱除氧是利用除去水中氧氣及二氧化碳等不凝氣體，減少設(shè)備、管路和輪胎部件氧化腐蝕、提高熱效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

熱力除氧的基本原理是亨利定律（henryslaw）：Cn=KPn，在平衡條件下，水中氧氣溶解量Cn與水上方氧氣的摩爾分壓Pn成正比，如果水上方氣體中氧氣的摩爾分壓Pn趨于零，擴(kuò)散達(dá)到平衡，水中氧氣溶解量就趨于零。熱力除氧的另一原理是費(fèi)克（Fick）擴(kuò)散定律：水與無(wú)氧氣體的接觸面積和氧擴(kuò)散速度成正比，即要把水充分霧化成小水珠或水膜，創(chuàng)造快速實(shí)現(xiàn)溶氧擴(kuò)散平衡的途徑。

噴霧式除氧器有兩部分組成：塔上部為噴霧層,下部為填料層。噴霧層內(nèi)利用噴嘴將給水霧化為水滴,使汽水接觸面積增大，強(qiáng)化了汽水熱質(zhì)傳導(dǎo)，從深度除氧看，噴霧層內(nèi)只能完成除氧的第一階段任務(wù),除去水中約70%～80%的氧,在塔下部加設(shè)填料層，采用比表面積大的表面填料層(如不銹鋼鮑爾環(huán)),使水充分分散成水膜，利于殘余氧的擴(kuò)散,實(shí)現(xiàn)給水深度險(xiǎn)氧。

噴霧式除氧器對(duì)介質(zhì)的適應(yīng)性較強(qiáng),除氧效果好，經(jīng)濟(jì)性比較高。但是噴霧式除氧器噴嘴多為彈式，易出現(xiàn)振動(dòng)及溶解氧超標(biāo)現(xiàn)象，且單個(gè)噴嘴出力僅10～20 t/h，致使外形尺寸大，因此嘴霧式除氧器多用于除氧要求不十分嚴(yán)格的給水系統(tǒng)中。

1.2 過(guò)熱水硫化工藝流程介紹

噴霧式熱力除氧器過(guò)熱水循環(huán)工藝流程如圖1所示。動(dòng)力站除氧系統(tǒng)按年產(chǎn)10萬(wàn)套工程機(jī)械輪胎設(shè)計(jì)，供應(yīng)14臺(tái)硫化罐和6臺(tái)硫化機(jī)過(guò)熱水，除氧器工作壓力（0.9±0.05）MPa。

除氧器在正常運(yùn)行過(guò)程中，熱力除氧器加熱所用蒸汽由蒸汽主管提供1.23 MPa蒸汽，經(jīng)自動(dòng)調(diào)壓后供除氧加熱器使用，不考慮除氧水箱排污和溢流熱能損失，進(jìn)除氧頭還有過(guò)熱水回水和除氧水箱補(bǔ)充水，同時(shí)，氧氣、二氧化碳等不凝性氣體排出，經(jīng)加熱、除氧后的過(guò)熱水由熱水循環(huán)泵加壓打入硫化罐（或硫化機(jī)）管網(wǎng)中，提供工程機(jī)械輪胎硫化所用過(guò)熱水。

2 除氧系統(tǒng)的平衡

除氧器系統(tǒng)的平衡包括物質(zhì)和熱能平衡，有公式：

圖1 熱力除氧器循環(huán)系統(tǒng)圖

在除氧器正常運(yùn)行狀態(tài)下，由（1）式，得：

式中：

W1—進(jìn)入除氧系統(tǒng)內(nèi)除氧水箱補(bǔ)充水量，t/h；

W2—進(jìn)入除氧系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)熱水回水量，t/h；

Q1—進(jìn)入除氧系統(tǒng)內(nèi)高溫蒸汽流量，t/h；

W3—由熱水循環(huán)泵供入硫化管網(wǎng)流量，t/h；

Dx—水中溶解氣體的排除量?，F(xiàn)場(chǎng)安裝Dg25 Pg25閘板閥，使用鉆頭在閥芯上鉆Φ3 mm小孔，按照0.9 MPa蒸汽壓力、查相關(guān)蒸汽泄漏數(shù)據(jù)，排汽量約為26 kg/h，相對(duì)較小，可忽略不計(jì)。

熱水循環(huán)泵相關(guān)參數(shù)：流量Q：178 m3/h；揚(yáng)程H：204 m ； 轉(zhuǎn)速 2 900 r/min；效率 η：62% 。

由（2）式，得：

式中：

η—除氧系統(tǒng)熱效率，% ；

h—進(jìn)入除氧系統(tǒng)內(nèi)高溫蒸汽的比焓，kJ/kg；

h1—進(jìn)入除氧系統(tǒng)內(nèi)除氧水箱補(bǔ)充水比焓，kJ/kg；

h2—進(jìn)入除氧系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)回水的比焓，kJ/kg；

h3—除氧系統(tǒng)高溫過(guò)熱水的比焓，kJ/kg。

η取0.98，h取0.9 MPa飽和蒸汽比焓2 773 kJ/kg；h1取除氧水箱75℃軟化水比焓314 kJ/kg；h2取175℃過(guò)熱水（較供水平均低3℃）比焓742 kJ/kg；h3取178℃過(guò)熱水比焓756 kJ/kg，得：

熱水循環(huán)泵共計(jì)3臺(tái)，2備1開，必須保證泵運(yùn)行完全正常，W3取值相對(duì)穩(wěn)定，上式中，蒸汽耗量Q1與除氧系統(tǒng)補(bǔ)充軟化水大致成一定的線性關(guān)系。

下面列舉了2018年1月1日至12日，除氧系統(tǒng)使用蒸汽量和除氧水箱補(bǔ)充熱水?dāng)?shù)據(jù)，如表1。

表1 除氧系統(tǒng)消耗蒸汽和補(bǔ)充軟化水?dāng)?shù)據(jù)

據(jù)表1，GWC-100型噴霧式熱力除氧器正常運(yùn)行過(guò)程中的耗汽量，在運(yùn)行實(shí)踐中充分驗(yàn)證了與補(bǔ)充水之間的線性關(guān)系。其中1月9日和1月12日，出現(xiàn)耗汽量和補(bǔ)充用水顯著增加的現(xiàn)象，經(jīng)與當(dāng)班落實(shí)，存在硫化罐裝罐過(guò)程中模具之間嘴子墊泄漏問題，分別泄漏3.5 h和4.5 h，下面進(jìn)行詳細(xì)論證。

3 除氧系統(tǒng)消耗蒸汽的影響因素

3.1 加熱蒸汽壓力波動(dòng)對(duì)除氧系統(tǒng)耗汽量的影響

在進(jìn)汽量不變的情況下，進(jìn)水量增大，除氧器壓力降低；進(jìn)水量減小，壓力增大。根據(jù)這一原理，來(lái)調(diào)節(jié)除氧器進(jìn)汽閥門開度，使其根據(jù)進(jìn)水量的大小變化而變化，讓除氧器的壓力始終維持在（0.9±0.05）MPa，如圖2。這種除氧器自控系統(tǒng)在除氧器負(fù)荷變化不大，除氧器進(jìn)水裝置噴頭良好的情況下，運(yùn)行比較可靠，若采用控制壓力和溫度相結(jié)合的自控系統(tǒng)效果會(huì)更好。這種自控系統(tǒng)消除了由于負(fù)荷急劇變化進(jìn)氣閥開啟滯后帶入水箱的殘留氧無(wú)法逸出的弊病。

若蒸汽壓力波動(dòng)中減小，相應(yīng)溫度降低，除 氧器內(nèi)的水達(dá)不到除氧器壓力下的飽和溫度，水不能沸騰，水中溶解氧就不能逸出。除氧系統(tǒng)運(yùn)行效率降低，除氧效果變差，進(jìn)汽壓力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，除氧器水的溫度低于控制標(biāo)準(zhǔn)(178±3)℃，白白浪費(fèi)蒸汽，設(shè)備無(wú)效運(yùn)行，只能停運(yùn)除氧系統(tǒng)，整修自控裝置。

若蒸汽壓力波動(dòng)中增大，除氧器壓力上升很快，除氧器壓力超壓報(bào)警，安全閥超限啟跳，存在重大安全隱患。此時(shí)，除氧器內(nèi)壓力增大，除氧水即使已經(jīng)達(dá)到了178℃工藝溫度，但也低于此時(shí)的除氧器飽和溫度，除氧效果仍較差，而且壓力增大，排汽量大增，浪費(fèi)大量蒸汽。

熱力除氧器壓力調(diào)節(jié)是運(yùn)行中的關(guān)鍵，除氧器運(yùn)行效果的好壞主要取決于除氧器內(nèi)蒸汽壓力能否恒定保持在一定范圍。

圖2 熱力除氧器自控系統(tǒng)示意圖

3.2 補(bǔ)充水用量和溫度對(duì)除氧系統(tǒng)耗汽量的影響

式（5）是除氧系統(tǒng)正常運(yùn)行過(guò)程中耗汽量表達(dá)式，此時(shí)設(shè)定軟化水進(jìn)水溫度為75℃。耗汽量與軟化水進(jìn)水量存在一定的線性關(guān)系。

在進(jìn)水量一定、進(jìn)汽壓力穩(wěn)定的情況下，若進(jìn)水溫度偏低，即h1越低，h3也就越低，唯一的辦法是提高進(jìn)汽量來(lái)提高出水溫度，造成耗汽量增大。

一般除氧器設(shè)計(jì)進(jìn)水溫度為70℃左右，若進(jìn)水溫度過(guò)低，甚至進(jìn)水溫度等于軟化水溫度，不設(shè)置軟化水加熱器、除氧水箱內(nèi)沒有設(shè)置輔助加熱裝置，除氧效果更差，且嚴(yán)重浪費(fèi)蒸汽。進(jìn)水溫度降低，要保證除氧器額定出水溫度和水量，勢(shì)必要增加除氧器的熱負(fù)荷，由于進(jìn)汽量的增加，會(huì)出現(xiàn)汽阻現(xiàn)象，引起除氧器及其管路的強(qiáng)烈振動(dòng)，被迫降低除氧器運(yùn)行水溫和出水量。

在工程機(jī)械輪胎硫化過(guò)程中，若出現(xiàn)模具膠墊泄漏等刺罐事故的發(fā)生，大量過(guò)熱水外漏而無(wú)法循環(huán)回收，除氧器內(nèi)需要大量補(bǔ)充軟化水，而此時(shí)軟化水供應(yīng)不及時(shí)無(wú)法保證進(jìn)水溫度，為保證除氧系統(tǒng)正常運(yùn)行，必須增大進(jìn)汽量來(lái)維持系統(tǒng)平衡，造成耗汽量成倍增加。表1中，1月9日和12日耗汽量和補(bǔ)水量顯著增加，就是出現(xiàn)了模具刺墊的質(zhì)量事故。

3.3 除氧器結(jié)構(gòu)等方面對(duì)耗汽量的影響

除氧器耗汽量除了以上2個(gè)主要的耗汽因素外，還與除氧器結(jié)構(gòu)、排汽閥開度、除氧器及附屬管路保溫狀況等有密切關(guān)系。

較之旋膜熱力除氧器，我公司使用噴霧式填料熱力除氧器，前者傳熱系數(shù)和傳熱強(qiáng)度均比噴霧填料除氧器高50% 以上，除氧效果更佳。本質(zhì)區(qū)別是噴霧式除氧器內(nèi)彈簧噴嘴將進(jìn)水?dāng)U散成霧狀水滴，與蒸汽進(jìn)行熱交換；而旋膜式除氧器內(nèi)起膜器將進(jìn)水形成高速旋轉(zhuǎn)水膜，與蒸汽熱交換效果大大增強(qiáng)。這是因?yàn)閲婌F式除氧器內(nèi)霧狀水滴存在水分子張力作用，比較水膜裙與蒸汽進(jìn)行熱交換，后者傳熱系數(shù)和強(qiáng)度更好。通過(guò)改造老式噴霧式除氧頭內(nèi)噴嘴、填料等部件，設(shè)計(jì)安裝起膜器、水篦子和鮑爾環(huán)填料等裝置，一般工期需要4～5天，造價(jià)比購(gòu)置新除氧頭減少50%以上。

排氣閥開度一般情況保持不變，其開度按照每噸除氧水2～3 kg排汽。排汽孔過(guò)大造成蒸汽浪費(fèi)，排汽孔過(guò)小，造成從水中逸出的氧氣、二氧化碳不能及時(shí)排出，影響除氧器除氧效果。

除氧器外表面保溫至關(guān)重要，保溫層材料選取、保溫厚度標(biāo)準(zhǔn)可按照相關(guān)《工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊(cè)》進(jìn)行計(jì)算，每小時(shí)散熱損失可按公式：

式中 ：

Q—散熱量，J；

K1—綜合換熱系數(shù)，W/(m2.℃)，可根據(jù)材料、形狀、特征等在相關(guān)手冊(cè)中查到；

Tw—散熱面表面溫度，℃；

To—環(huán)境溫度，℃；

S—散熱面積，m2。

通過(guò)保溫節(jié)約蒸汽消耗，經(jīng)濟(jì)效益非常可觀。以現(xiàn)運(yùn)行GWC-100規(guī)格熱力除氧器，規(guī)范實(shí)施保溫措施與不進(jìn)行保溫比較，將散熱量折算成標(biāo)準(zhǔn)煤，初步估算，每年可節(jié)省燃煤消耗10萬(wàn)元以上。

4 結(jié)語(yǔ)

噴霧式除氧加熱器用于工程機(jī)械輪胎過(guò)熱水硫化工藝，在特定條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)選取與計(jì)算，給出除氧系統(tǒng)耗汽量與軟化補(bǔ)給水、過(guò)熱水供水之間的數(shù)值關(guān)系式，對(duì)于分析耗汽量與蒸汽壓力、補(bǔ)給水水量和溫度等方面，具有直觀、量化參考，對(duì)于指導(dǎo)除氧器節(jié)能、高效運(yùn)行意義重大。