给水除氧节能减排技术的新突破
慧聪水工业网——采用氧化还原树脂除氧技术替代热力除氧可使企业节能10%
摘要
本文分析了传统的热力除氧技术的耗能点，通过氧化还原树脂除氧技术与之在能耗方面进行比较，阐述了氧化还原树脂除氧技术在节能减排方面的优势。通过某炼油及化工公司的实例说明了采用氧化还原树脂除氧技术替代或技改传统热力除氧技术可以使企业节煤至少10%，相当于减少二氧化碳排放至少10%，这将为企业节省资金带来巨大的经济效益。技改投资在一年甚至几个月之内即可收回。
关键词
氧化还原树脂除氧，热力除氧，节能，减排，给水除氧
一．引言
随着1998年《联合国气候变化框架公约》京都议定书的签订，减少温室气体例如二氧化碳等的排放以应对地球气候变暖的问题已成为全球一百九十多个国家的共识【1】。在2009年秋天的哥本哈根气候会议上，中国政府承诺较2005年水准而言，到2020年降低单位GDP碳排放40-45%，为完成这一目标，在国家十二五发展规划的能源和气候目标关键指数中，从2010年到2015年，单位GDP碳排放要求降低17%【2】。
能源与经济发展紧密相连，随着我国经济总量的增加，单位GDP能耗不断增加。为了应对2002到2005年单位GDP能耗的快速增长，国家十一五计划（2006-2010）提出了降低能耗20%的目标。基于此目标，国家十二五发展规划提出了到2015年另外降低16%的单位GDP能耗的标准。工业节能十二五规划提出：到2015年，石化和化工行业规模以上工业增加值能耗与2010年相比，要分别下降18%和20%【3】。由此可见，节能和减排已经成为我国经济发展的战略要求和关键步骤。
工业锅炉通过把无氧给水转换成蒸汽的形式来利用煤炭的能源，是热力生产和供应的核心设备，被喻为工业的心脏。我国现有工业锅炉63万台，总容量达200万蒸吨/小时，以生产每吨蒸汽耗标准煤128公斤，锅炉运行率50%计，我国全年消耗标准煤11亿吨，如果提高锅炉热效率1%即可节煤1100万吨，减少二氧化碳排放4000多万吨。目前我国工业锅炉给水除氧技术大部分采用传统的热力除氧技术，此技术属于物理除氧，即水中溶解氧是采用与无氧热蒸汽交换的方法除氧，交换以后的含氧蒸汽需排放到空气中。此方法不仅排放浪费掉0.3%到8%左右的蒸汽，而且还浪费电力用以雾化水珠。热力除氧需耗费多达16%的蒸汽来除氧，这等于降低了锅炉出力16%。除氧后的水温至少为105℃，高温水进入锅炉省煤器不能有效回收烟气余热。
为完成国家十二五计划节能减排的要求，本文重点介绍氧化还原树脂除氧的新技术及其在节能方面的优越性。由于树脂技术采用化学除氧原理，在保证了除氧水的质量的同时，避免了上述热力除氧方法的高耗能点，作为对传统的热力除氧的技改或替代项目，树脂除氧技术的使用将使企业节省燃煤至少10%，相当于减少二氧化碳排放至少10%，这将为企业带来巨大的经济效益。技改投资在一年甚至几个月内即可收回。
二．氧化还原树脂除氧技术介绍
氧化还原树脂除氧技术把水中游离氧分子还原转变成氧化物从而达到除氧的目的。由常州新区南极新技术开发有限公司自主研制开发并取得专利的宇神牌氧化还原树脂除氧器具有以下几大技术特点：
1.此技术不同于化学药品除氧，当含氧水通过树脂床时，就像通过一个氧气过滤器，只有水中的氧气被除去，除氧后的水中不带入任何杂质电解质。
2.除氧过程在常温或低温下进行，因此可生产常温或低温无氧水。
3.一次进行除氧即可使残余氧含量达到5μg/L(ppb)，完全符合工业除氧标准。
南极公司成立于1988年，至今已有24年历史。为原电子工业部第十二研究所常州新区南极新技术开发有限公司，早在八十年代初即开发成功用于核电站给水除氧的超强抗核辐照的树脂技术，其树脂除氧器的显著特点是:A,除氧水残余氧含量低，最低可达1μg/L（ppb）以下；B,可低温除氧，最低温度可达-40℃；C,抗核辐照剂量达107拉德(Rad)。其Y-12型氧化还原树脂由国防科委第十四研究院组织鉴定，结论为“填补国内空白,达到国际先进水平”，并荣获电子工业部“一等科技成果奖”。其树脂除氧器由电子工业部元器件管理局及江苏省石油化工厅组织联合鉴定，结论为“填补国内空白,达到国际先进水平”，荣获江苏省优秀新产品“金牛奖”和电子工业部“二等科技进步奖”及中国腐蚀与防护学会“先进技术奖”。1992年宇神牌氧化还原树脂除氧器通过了化学工业部小合成氨设计技术中心站的现场考核,被化学工业部列为“全国化工科技成果推广应用重点项目”。宇神牌氧化还原树脂除氧器1994年被国家经贸委、国家计委和国家科委推荐为优秀节能产品(证书号941229)。2010年10月被中国石油化工节能技术协会评为全国“十大优秀节能产品”之一，并授予优秀节能产品奖状奖杯。
根据还原剂的不同，树脂除氧器的型号特点有所不同。具体见表1。如果从树脂的功能来分，一类是树脂上含反应剂，如宇神06型，06Ａ型及06C型。另一类是树脂上含催化剂，如宇神06B型和09型。
作为一个例子，dI#@irt/yC;T:~^S0水资讯网-xvyT’s`ki宇神09型氧化还原树脂除氧器基本结构见图1。此除氧器可采用单罐运行，水中溶解氧通过与水中溶解氢在宇神09型氧化还原树脂表面反应生成水而被除去：
由此可见，树脂除氧反应直接，耗能少且零排放。运行中无自耗水且由于生成物为水不带进任何电解质。
三．热力除氧技术的耗能点分析
热力除氧具体装置结构见图2。由于氧气在高温蒸汽中的溶解度很小，热力除氧技术就是利用高温蒸汽（入口A和/或入口B）与含氧水（入口C）混合，通过物质交换将水中的溶氧置换到气相中然后排放（蒸汽排放口D）。生产得到的无氧水为105～158℃的高温水（出口E）。
热力除氧耗能点1—排放蒸汽
热力除氧技术基于两个最基本的原理，一个是亨利定律，是从热力学角度看待除氧过程。另一个是菲克第一扩散定律，是从动力学角度分析除氧过程。亨利定律表明，在达到平衡的条件下，水中溶解氧含量Cn与水上方氧气的摩尔分压Pn成正比，具体表达式如下：
如果设法使水上方气体中氧气摩尔分压始终保持为零，当扩散达到平衡时，水中溶解氧含量就为零，即生成无氧水。因此，在热力除氧中，为保持水上方氧气摩尔分压为零，含氧蒸汽必须不断地排放。由此可见，排放蒸汽是热力除氧技术必须的要求，这构成了此方法的第一个耗能点。根据对工业锅炉的节能诊断，目前我国锅炉除氧器蒸汽的排放量大约在千分之三到百分之八，如果取保守值1%，即排放蒸汽量以10kg蒸汽/吨无氧水计，如果蒸汽价以260元/吨计，生产每吨无氧水浪费蒸汽的费用为10kg×0.26元/kg=2.6元.一吨蒸汽以耗标准煤128kg计算，生产每吨无氧水将浪费标准煤1.28kg。
热力除氧耗能点2—消耗电力
溶氧在水中被除去的速度遵循菲克第一扩散定律，具体表达式如下
0kJtqfVV!S0Bc|(HDX0式中:dm/dt表示水中溶解氧扩散到无氧气体中的速度；水资讯网+W7vD表示氧在水中的扩散系数;A表示水与无氧气体接触的面积;dc/dx表示氧的浓度梯度;负号表示氧从高浓度向低浓度扩散。
为了提高除氧速度dm/dt，必须增加接触面积A，这就要求把含氧水变成小水珠。因此热力除氧器必须使用除氧泵加压以使水雾化。这就需要耗电，此项要求构成了热力除氧方法的第二个耗能点。以某化工公司自备电厂热力除氧器为例，该厂有热力除氧器468t/h，配除氧泵总功率为820kw，平均每吨脱氧水耗电=820/468=1.75度，如果电费以0.5元/度计，除氧泵电耗费用为1.75度×0.5元/度=0.8元。一度电以耗标准煤0.1229kg计算，折合成标准煤W=1.75×0.1229=0.215kg。
在除氧过程中，随着水珠中溶氧向无氧蒸汽中扩散，蒸汽中氧含量增加，导致水中氧的浓度梯度减少。为增加氧的浓度梯度dc/dx，就必须迅速除去进入无氧气体中的氧，这也要求热力除氧器运行中含氧蒸汽必须尽快排放。
提高除氧速度dm/dt的另一个方法是增加氧在水中的扩散系数D，由于水的温度增加扩散系数D也增加，快速增加水的温度将有利于除氧。这也是为什么很多企业在采用低压热力除氧器不能达到溶氧含量标准的情况下，采用与高压除氧器串联的方法进一步除氧，因为高压除氧器的蒸汽温度远远高于低压除氧器的蒸汽温度，除氧更加完全。采用两个除氧器串联以达到水中溶氧标准，实际上非常耗能，这也是为什么树脂除氧器具有优越性，因为一次除氧即能达到溶氧标准。
热力除氧耗能点3—高温无氧水不能有效回收烟气余热从而多耗蒸汽
由于热力除氧消耗蒸汽，首先我们计算此方法的自耗蒸汽量。在热力除氧中，当常温含氧水与无氧热蒸汽接触时（图2），不仅有物质交换（水中溶氧析出），而且有能量交换（常温含氧水被蒸汽加热成为105～158℃的无氧水）。根据能量守恒定律，蒸汽的热量用来加热含氧水，所以蒸汽释放的热量等于加热含氧水的热量，如图3所示。图中T1为蒸汽温度，T2为无氧水温度，T3为含氧水温度，C为水的比热容，R为水的汽化潜热，A为含氧水总量，B为消耗蒸汽量。根据方程式
可以计算出自耗蒸汽百分比P=B/A.如果进水温度T3以18℃计，无氧水温度T2以105℃计，在100℃到234℃之间改变蒸汽温度T1，计算可得到自耗蒸汽百分比P为15.6%到16.3%。假设蒸汽温度为105℃，自耗蒸汽量为16.27%。
对锅炉而言，如图4所示，除氧水在进锅炉以前通常要经过省煤器以回收烟气余热。由于热力除氧脱氧水温为105℃，不能充分回收烟气的热量。相反树脂除氧得到的是常温无氧水，进入省煤器后，排烟温度较热力除氧的情况相比可降低40℃，根据标准排烟温度每降低15℃，节能1.4%计算，节能量为40/15×1.4%=3.73%。这部分节约的能量可计算如下：已知水的比热容为1kcal/Kkg，汽化潜热为536kcal/kg，将一吨水从18℃变成105℃的蒸汽需能量为1000（105-18）+1000×536=623000kcal，由于节能3.73%，总节能为623000×3.73%=23349.8kcal，这部分节能量用来加热水可使一吨水升温Δt，Δt=23349.8/1000=23℃,即可使18℃除氧水升温到41℃。
为了更清楚地比较树脂除氧与热力除氧过程，图5给出了流程对比图。假设两过程开始都使用等量常温含氧水，且两过程都用蒸汽将水加热至105℃。由于树脂除氧可回收烟气热量使无氧水升温到了41℃，这样将减少自耗蒸汽，具体计算为1000×(105-41)/536=119.4kg，即自耗蒸汽百分比=11.94%。与热力除氧相比，树脂除氧可多产蒸汽16.27%-11.94%=4.33%。如果蒸汽价以260元/吨计，生产每吨无氧水热力除氧浪费自耗蒸汽的费用为43.3kg×0.26元/kg=11.26元。一吨蒸汽以耗标准煤128kg计算，每吨无氧水将浪费标准煤5.54kg。
图5实际上也提出了一个用树脂除氧方法对现有热力除氧设备进行技术改造的方案。基本思路是将现有的热力除氧设备进行重新改道，关闭蒸汽排放口，将其改装成为无氧水的储水罐兼蒸汽加热容器，在此容器前安装一树脂除氧器，可省去树脂除氧器本身的储水罐。此改造既有效地利用了资源，也消除了某些企业的“常温无氧水能否直接进锅炉？”的顾虑。
热力除氧耗能点4—高温无氧水降低了余热锅炉效率10%
如果生产的无氧水直接用于比如在化工厂，化肥厂，水泥厂及煤化工厂的余热锅炉，采用常温无氧水将更有效地对热量进行利用与回收。这种情况下，采用常温无氧水代替105℃低压无氧水或158℃高压除氧水可降低排烟温度102℃，节能效率将达到9.52%。即生产一吨除氧水热力除氧将浪费蒸汽95.2kg。如果蒸汽价以260元/吨计，生产每吨无氧水浪费蒸汽的费用为95.2kg×0.26元/kg=24.75元。一吨蒸汽以耗标准煤128kg计算，生产每吨无氧水将浪费标准煤12.19kg。
热力除氧耗能点5—高温无氧水降低废热锅炉20%产汽量
如果常温无氧水直接用于化工厂的废热锅炉，将产生更大的节能效果。通常，为了充分利用放热反应热生产蒸汽，化工生产中设置废热锅炉，其热交换遵循传热方程式：
其中Q为单位时间内从废锅取出的热量，K为常数，A为废锅的面积，t0为废锅温度，t为无氧水温度。
树脂除氧器生产18℃常温无氧水，从废锅取出热量为Q1。热力除氧器生产105℃到158℃的高温除氧水，从废锅取出热量为Q2。以合成氨废锅为例，t0=500℃，树脂除氧水与废锅温差Δt1=500℃-18℃=482℃。热力除氧水与废锅温差Δt2=500℃-105℃=395℃，Q1/Q2=Δt1/Δt2=482/395=1.220，即常温除氧水比高温除氧水从废锅多取出热量22%，副产蒸汽增加22%。这也表示可降低废锅温度，使废锅及反应装置更安全，再举乙烯裂解废热锅炉为例，以乙烯裂解废锅为预热到400℃的原料与水蒸汽混合后通入裂解炉中加热裂解，裂解温度在800℃左右，生成氢气，甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、丁烯以及其他重组分。裂解产物先经废锅迅速进行骤冷，并产生高压蒸汽，然后进油汽分离塔。从废热锅炉离开的乙烯等气体需进一步冷却，采用热力除氧器提供的148℃除氧水骤冷副产高压蒸汽少，乙烯温度高，还需再用冷却过的重质油洗涤使裂解气冷却到300℃。若用树脂除氧器生产的18℃常温无氧水，可多产蒸汽从废锅输出乙烯等裂解气温度可更低。Δt1=800-18=782℃;Δt2=800-148=652℃Q1/Q2=Δt1/Δt2=782/652=1.2，废热锅炉可多产蒸汽20%，烯烃厂因废热锅炉多产20%蒸汽，辅助锅炉可少开或停开，由此产生更大的节能效益，某石化公司烯烃厂由废热锅炉二台1080t/h，辅助锅炉220t/h和320t/h各一台，共540t/h，由于废热锅炉增产蒸汽20%即216t/h，该厂采用树脂除氧后可停一台220t/h辅助锅炉，可节约标准煤22.5万吨/年。
对于有氢气源或锅炉烟气采用氨法脱硫的企业，脱硫副产品亚硫酸铵可作为06C树脂再生剂，采用树脂除氧器可实现综合利用资源。
四．某化工公司实例
某化工公司主要产品为年产100万吨氨醇，116万吨尿素，30万吨甲醇和25万吨碳酸氢铵。有发电厂锅炉665t/h，年产蒸汽375万吨，化肥厂有余热锅炉50t/h，年产蒸汽37.1万吨。有合成氨废热锅炉105t/h，年副产蒸汽47.3万吨。由于热力除氧器耗能高，采用树脂除氧器替代热力除氧器大大减少了能耗，各个节能点的详细计算列于表2至表6。由于该企业排放蒸汽工作做得很好，蒸汽排放量以1%计算。其中节能点4由于采用树脂除氧有效回收了烟气余热，从而节省了自耗蒸汽3.7%。总结的结果列于表7.由此计算可得到以下结论，该企业使用树脂除氧技术取代热力除氧技术每年将可以节煤12%，节约蒸汽8.17%。三个月内即可回收技改投资。
五．结论
本文介绍了氧化还原树脂除氧技术的特点及类型。分析了传统的热力除氧技术的耗能点，通过氧化还原树脂除氧技术与传统的热力除氧技术的比较，阐述了氧化还原树脂除氧技术在节能减排方面的优势。通过某炼油及化工公司的实例说明了采用氧化还原树脂除氧技术替代传统热力除氧技术可以节煤至少10%，相当于减少二氧化碳排放至少10%，这将为企业节省资金带来巨大的经济效益。技改投资在一年甚至几个月之内即可收回。
参考文献：
1.联合国气候变化框架公约-新华网。http://news.xinhuanet.com/ziliao/2003-07/10/content_966008.htm
2.国家中长期科技发展规划纲要-中华人民共和国科学技术部。http://www.most.gov.cn/kjgh/
3.2012年绿色化工论坛倡导节能技术创新，石化行业争当能效领跑者。中国化工报，2012年4月3日，第6103期。
表1.宇神牌氧化还原树脂除氧器除氧原理型号特点及用途
除氧原理
除氧器型号
特点
用途
树脂提供氢
宇神06 及06A型
节能节水，零排放，运行中无自耗水；常温低温除氧(-40℃到90℃); 残余氧含量低(小于10µg/L)除氧不带进杂质，不增加含盐量不污染水质，锅炉不增加排污量；运行费用低，耐核辐照剂量达1000万拉德
适合于软化水(硬度小于0.04mmol/L)，脱盐水，纯水及超纯水常温低温除氧;广泛用于工业锅炉给水除氧，化工工艺水除氧(如尿素厂，化肥厂)，反应堆和核电站主回路水除氧等领域
树脂催化肼
宇神06B
不带进电解质;节能节水零排放；残余氧含量低(小于10µg/L);除氧水温0℃到80℃;除氧成本低。
可用于自来水、软化水、脱盐水、纯水及超纯水除氧。广泛用于工业锅炉给水除氧，蒸汽凝结水除氧，油田注汽注水工艺水除氧等领域。
树脂催化氢
宇神09型
再生剂绿色环保不带进电解质;节能节水零排放；残余氧含量低(小于10µg/L);除氧水温0℃到80℃;除氧成本低。
适合于核电站除氧，天然水，自来水、软化水、脱盐水、纯水、超纯水除氧，尤其适合有氢气源的企业工业锅炉给水除氧，电子工业工艺水除氧，油田热水锅炉给水除氧，化学工业，食品工业等工艺水除氧，电厂凝结水，冷却水除氧等领域。
树脂提供电子以还原溶氧
宇神06C型树脂除氧器
再生剂绿色环保，除氧水温15-80℃，残余氧含量小于50µg/L，价格低。
适合于电站除氧，天然水，自来水、软化水、脱盐水、纯水、超纯水除氧电子工业工艺水除氧，油田热采锅炉给水除氧，化学工业，食品工业等工艺水除氧，电厂凝结水，冷却水除氧等领域。
表2.节能点1计算
节能点1--排放蒸汽
电厂锅炉热力除氧器
实际生产无氧水
375
万吨/年
蒸汽排放量以
1%
计算
节约蒸汽
3.75
万吨/年
1吨蒸汽耗煤
128
公斤标准煤*
每年节煤
0.48
万吨
1吨蒸汽价格为
200
元
每年节约资金
750
万元
*(GB21345-2008能源折标准煤系数)
表3.节能点2计算
节能点2—电力消耗
电厂锅炉热力除氧器
实际生产无氧水
375
万吨/年
除氧泵耗电为
1.75
度/吨无氧水
节约电量
656.25
万度/年
一度电耗煤
0.1229
公斤标准煤*
每年节煤
0.081
万吨
每度电以
0.5
元计算
每年节约资金
328
万元
*(GB21345-2008能源折标准煤系数)
表4.节能点3计算
节能点3—有效回收烟气余热
采用室温代替105度无氧水
可降低电厂锅炉排烟温度
40
度
按排烟温度降低15度，节能1.4%计算
节能效率为
3.73%
相当于多产蒸汽14万吨
实际每年总耗煤
31
万吨/年
每年节约用煤
1.792
万吨
每吨煤价格以
1100
元计算
每年节能效益（蒸汽价200元/t计）
2800
万元
*(GB21345-2008能源折标准煤系数)
表5.节能点4计算
节能点4—提高余热锅炉效率
采用室温代替105度无氧水
可降低排烟温度
102
度
按排烟温度降低15度，节能1.4%计算
节能效率为
9.52%
实际副产蒸汽
37.1
万吨/年
可节约蒸汽
3.53
万吨/年
1吨蒸汽耗煤
128
公斤标准煤*
每年节煤
0.452
万吨
1吨蒸汽价格为
200
元
每年节约资金
706
万元
*(GB21345-2008能源折标准煤系数)
表6.节能点5计算
节能点5—提高废热锅炉效率
采用室温代替105度无氧水
可降低产物温度
167
度
节能效率为
15.59%
实际副产蒸汽
47.3
万吨/年
可多产蒸汽
7.37
万吨/年
1吨蒸汽耗煤
128
kgce
每年节煤
0.943
万吨
1吨蒸汽价格为
200
元
每年节约资金
1474
万元
表7.某化工公司树脂除氧替代热力除氧节能、节资表
节煤 (万吨/年)
节约蒸汽(万吨/年)
节约资金(万元/年)
节能点1
0.48
3.75
750
节能点2
0.081
328
节能点3
1.792
14
2800
节能点4
0.452
3.53
706
节能点5
0.943
7.37
1474
总节约值
3.748
28.65
6058
实际使用值
31.24
375
节约百分比
12%
8.17%
投入资金
1330
收回投资
三个月
宇神09型氧化还原树脂除氧器基本结构图
热力除氧器基本结构图
无氧热蒸汽与含氧水热量平衡图，左边代表蒸汽放热，右边代表冷水吸热。纵坐标代表温度
热力除氧器经过锅炉省煤器基本流程图
树脂除氧过程（左）与热力除氧（右）过程比较.树脂除氧需耗12%蒸汽以加入41℃水到105℃，而热力除氧需耗16%蒸汽以加入18℃水到105℃
如需转载请注明出去，严禁转载或镜像，违者必究。
分享按钮
