利用研制出的高效催化樹脂進(jìn)行鍋爐補(bǔ)給水除氧，克服了傳統(tǒng)的單純投加亞硫酸鈉除氧存在的各種弊端。試驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)具有催化樹脂性能穩(wěn)定、除氧效果好、藥劑投加量低、催化反應(yīng)時間短等優(yōu)點(diǎn)。

    亞硫酸鈉（Na₂SO₃）是一種較強(qiáng)的還原劑，與水中溶解氧反應(yīng)生成硫酸鈉（Na₂SO₄），從而使其消失。在中小型鍋爐中常作為除氧輔助藥劑來使用，但在常溫條件下，單純投加Na₂SO₃，存在下列問題^[1~2]：①盡管其投加量很高（約為理論值的2~3倍），但無論是軟化水還是自來水，其出水溶解氧含量都達(dá)不到《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》（GB 1576-2001）標(biāo)準(zhǔn)（≤0.1mg/L或0.05mg/L）。②Na₂SO₃與水中溶解氧的反應(yīng)速度慢，反應(yīng)時間至少需要3min，才可使氧的去除率達(dá)到。

本文介紹了針對單純投加Na₂SO₃除氧存在的上述問題，研制出了具有較高性能的催化樹脂，在常溫條件下，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)、動態(tài)及現(xiàn)場中試試驗(yàn)，探索了該處理技術(shù)的可行性，并對催化樹脂的穩(wěn)定性進(jìn)行了測試，確定出了除氧設(shè)備的設(shè)計參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果及實(shí)際應(yīng)用表明，該技術(shù)可明顯降低藥劑投加量、大大加快除氧反應(yīng)速度、使催化反應(yīng)時間大為縮短，且除氧徹底，催化樹脂性能穩(wěn)定。

1.化學(xué)催化除氧的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

1.1 催化樹脂的制備

    催化樹脂是以強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂為載體，在特定條件下，通過一定方法將催化劑固定到載體上面。該催化劑能在一定空間內(nèi)自由活動，在溶解氧與化學(xué)還原劑（Na₂SO₃）所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)中起催化作用。

1.2 靜態(tài)試驗(yàn)

    在系列三角瓶中，各加入10mL催化樹脂和500mL軟化水（溶解氧含量等于6.56mg/L），然后加入無水Na₂SO₃，蓋上瓶塞，不問斷地振搖反應(yīng)若干時問，靜置片刻，即進(jìn)行溶解氧測定。

    Na₂SO₃投加量、反應(yīng)時間及溶解氧測定結(jié)果見表1。由表1可見，除Na₂SO₃投量為27mg時出現(xiàn)有氧以外，其余各組水中均未檢出溶解氧。而經(jīng)濟(jì)的方案是Na₂SO₃投量為30mg（相當(dāng)于60mg/L），即去除1mg/L溶解氧，所需Na₂SO₃投加量約為10mg/L。考慮到藥劑的純度，僅比理論投加量多10%，投加量比單純投加Na₂SO₃時大幅度降低；反應(yīng)時間僅為0.5min，這是由于催化樹脂中催化劑的作用，雖然在整個化學(xué)反應(yīng)過程中其自身的組成、化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生變化，但它可以改變反應(yīng)的歷程，降低反應(yīng)的活化能，由此增大了活化分子數(shù)，使分子間有效碰撞增加，從而提高了化學(xué)反應(yīng)速度，使反應(yīng)時間大幅度縮短。

表1  Na₂SO₃投加量、反應(yīng)時間及溶解氧測定

    為了檢驗(yàn)催化樹脂的穩(wěn)定性能，用同一份催化樹脂（10mL）反復(fù)進(jìn)行了204次試驗(yàn)。此時，累計處理水體積相當(dāng)于樹脂體積的10200倍，各組試驗(yàn)水中均未檢出溶解氧，說明催化樹脂仍具有良好的催化穩(wěn)定性能。

1.3 動態(tài)試驗(yàn)

在小型有機(jī)玻璃柱中，裝填的催化填料高1m。軟化水中溶解氧含量在6.7~7.0mg/L的范圍內(nèi)。水中Na₂SO₃投加量為70mg/L。總通水量相當(dāng)于填料體積的4250倍，而此時填料仍具有催化性能。

2.化學(xué)催化除氧的生產(chǎn)性中間試驗(yàn)

2.1 工藝流程與試驗(yàn)設(shè)備

    根據(jù)實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)及動態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，初步確定了設(shè)計參數(shù)，設(shè)計出中試試驗(yàn)裝置，并在我院鍋爐房水處理車間實(shí)際進(jìn)行了應(yīng)用。

1。主要設(shè)備及參數(shù)見表2。此外，還裝有水射器、流量計及相應(yīng)的閥門等。

圖1   化學(xué)催化除氧中試試驗(yàn)工藝流程

表2   中試主要設(shè)備參數(shù)

    其工作的基本原理為:向含有溶解氧的軟化水中加入具有較強(qiáng)還原性能的化學(xué)還原劑（Na₂SO₃），通過管道混合器快速混合，流經(jīng)裝有催化填料的反應(yīng)器，在接觸催化作用下，使得溶解氧與化學(xué)還原劑快速反應(yīng)，達(dá)到在進(jìn)入鍋爐之前即去除水中溶解氧的目的。

2.2 中試過程及結(jié)果

    中間試驗(yàn)歷時近1個月，共運(yùn)行了11個周期，出水量為2.4m³/h，在試驗(yàn)期間，軟化水硬度c(1/2Ca²⁺)≤0.03mmol/L，軟化水溶解氧含量變化在7~8 mg/L的范圍內(nèi)，水溫為8~10℃。主要運(yùn)行參數(shù)運(yùn)行流速為34m/h；根據(jù)靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，為安全起見，取催化反應(yīng)器空塔停留時間為2min(實(shí)際反應(yīng)時間約為1min)，則催化填料高1.2m；進(jìn)水壓力為0.18~0.2 MPa。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

    運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，在Na₂SO₃耗量為70~80mg/L的條件下，出水溶解氧含量均未檢出。整個裝置在運(yùn)行期間，極少反沖洗，催化樹脂也不需要再生，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

表3  化學(xué)催化除氧裝置中試試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果

3.成本分析

    以產(chǎn)水量為10m³/h的裝置為例，采暖期為4個月(120天)；原水溶解氧以8mg/L計算，則亞硫酸鈉投加量為80mg/L。催化樹脂裝量為0.32t。

    (1)所需亞硫酸鈉費(fèi)用：10m³/h×80g/m³×24h/d×120d×10^-3×2.3元/kg=5 299.2元。

    (2)為安全起見，催化劑用量按一個采暖期再生催化樹脂1次計算，催化劑費(fèi)用：0.32m³×8kg/m³×400元/kg=1024元。

    (3)除氧裝置按每月反沖洗2次計算，每次耗軟化水量為0.55m³，反沖軟化水費(fèi)用：0.55m³/次×2次/月×4月×1元/m³=4.4元。

    (4)水泵噸水耗電量為0.15kW·h，進(jìn)水泵電費(fèi)：0.15kW·h/m³×10 m³/h×24h/d×120d×0.5元/(kW·h)=2160元。

    合計:5299.2+1024+4.4+2160=8487.6元。

    整個采暖期總產(chǎn)水量為10×24×120=28800m³。則噸水成本為：8487.6/28800 =0.29元。

    若進(jìn)水壓力滿足要求（≥0.2MPa），且不考慮樹脂的再生催化，則噸水成本僅為：（5299.24+4.4）/28800=0.18元，與其它除氧方法相比，其處理成本處于較低水平。

    除氧裝置自用水率為：0.55×2×4/28800=0.15‰。，極少。

4結(jié)語

    通過化學(xué)催化除氧實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)試驗(yàn)、動態(tài)試驗(yàn)以及中試試驗(yàn)，可以認(rèn)為該除氧工藝是可行的。試驗(yàn)中所取得的基本數(shù)據(jù)與有關(guān)參數(shù)可應(yīng)用于生產(chǎn)性裝置的設(shè)計計算和作為運(yùn)行操作的依據(jù)。

    該化學(xué)催化除氧技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

    (1)由于采用催化除氧，大大加快了反應(yīng)速度，軟化水可在常溫或低溫下進(jìn)行除氧，出水溶解氧含量≤0.05mg/L，除氧效果穩(wěn)定可靠。

    (2)每去除1mg/L溶解氧，該技術(shù)所需Na₂SO₃投加量為10mg/L，僅略大于化學(xué)反應(yīng)所需的理論值，因而制水成本較低。

    (3)催化反應(yīng)器無需再生，也極少反沖洗，故水利用率高，同時使裝置的操作管理大為簡化。

    (4)催化樹脂性能穩(wěn)定，可長期運(yùn)行。

    (5)該催化除氧技術(shù)可看作是爐外與爐內(nèi)除氧處理的結(jié)合。鍋爐外，經(jīng)過化學(xué)催化反應(yīng)，軟化水中溶解氧即已去除，而反應(yīng)過程中剩余的少量Na₂SO₃仍可在管道系統(tǒng)中繼續(xù)進(jìn)行化學(xué)除氧反應(yīng)。

(6)催化反應(yīng)器運(yùn)行流速為25~35m/h ,催化樹脂層高1.2m。