杨军
[摘 要]除氧器是火力发电厂的一项重要辅助设备。通过对除氧器除氧传质理论的研究，可以为后续除氧器的设计优化提供准确的理论支撑。
[关键词]除氧器、除氧传质理论
中图分类号：TF 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）11-0287-01
0 引言
除氧器是火电厂和核电厂的重要辅助设备，其利用汽轮机抽汽加热凝结水或补水，使凝结水或补水达到相应工作压力下的饱和温度，以便除去凝结水或补水中的氧气和其它不凝结气体，以防止或减轻锅炉或蒸汽器、汽轮机及其附属阀门管道等的氧腐蚀。另外，除氧器作为一级加热器，提高了给水温度，进而提高了发电机组的热效率。
目前，除氧器的形式种类众多，但从除氧器除氧传质过程分析，各种形式除氧器的传质理论基本是一致的，通过对除氧器除氧传质理论的研究，可以为后续除氧器的设计优化及新型除氧器的开发提供准确地理论支撑。
1 传质方程建立
传质学“双膜理论”是以吸收质在滞流（相当于传热学边界层）中的分子扩散的概念为基础而推导得出的。被除氧的水在蒸汽空间中除去氧气的过程分三个步骤：水主体中的氧分子运动到液膜面，再以分子扩散的方式通过液膜面到达水、汽两相界面（水面）；在水面上的氧气分子离开水面进入蒸汽膜；最后氧分子以分子扩散通过蒸汽膜进入蒸汽主体。具体过程如下图所示：
从上图中可以看出，氧气在水面处于平衡状态，即水面的含氧量Ci是该处氧气分压下的饱和浓度。也可以说，水面的氧气分压力Pi等于水面饱和状态下的氧气分压力。水面两侧存在“液膜”和“汽膜”，“液膜”和“汽膜”的厚度或状态会受主流体的滞流或湍流程度的影响，但膜层总是存在，氧气分子以分子扩散通过“液膜”和“汽膜”。
在膜层中存在着含氧量大小的差别，传质阻力主要来自于膜层处。水主体含氧量CL与水面含氧量Ci存在浓度差，即（CL-Ci）为水侧除氧过程的推动力。水面氧气的分压力Pi与蒸汽主体氧气分压力PG存在压力差，即（Pi-PG）为蒸汽侧除氧过程的推动力。当CL>CG和Pi>PG时，氧气析出过程（即除氧过程）才能持续进行。分析“双膜理论”还可以看出：
a.传质过程的机理和传热过程的机理相类似，它们具有与传热过程类似的相似准则和准则方程式；
b.根据“双膜理论”，可以在水、汽两相分别写出单相除氧速率方程；
c.若水、汽相间具有稳定的界面，要想加强传质过程，只有改进设备结构，加大水、汽有效接触面积；
根据“双膜理论”，在除氧器连续稳定运行条件下，可以在水、汽两侧分别写出单项的除氧速率方程：
式中：NZ——除氧量，mg/m2·s；
KZL——水侧传质分系数，mg/（m2·s·ΔC浓度单位）；
KZG——汽侧传质分系数，mg/（m2·s·ΔP浓度单位）；
（CL-Ci）——连续除去水中氧气所需要的推动力，mg/m3；
（Pi-PG）——将水面氧气传递到蒸汽主体所需要的推动力，Pa。
因为从水中除去的氧气量等于蒸汽侧带走的氧气量，所以水、汽系统的除氧速率方程，可以从水侧考虑，也可以从蒸汽侧考虑。为了探讨水中含氧量的变化规律和影响因素，只研究以水侧传质推动力表示的水、汽系统除氧速率方程：
式中：KL——水汽相际的传质系数，mg/（m2·s·ΔC）；
C*——与蒸汽主体氧气分压力PG相平衡的含氧量，mg/m3。
对水汽系统来说，氧的溶解系数E很小，而用于除氧的蒸汽流量较大，流速较快，蒸汽中的含氧量极微，因此，蒸汽能及时将水面上逃逸出来的氧气及时带走，即传质阻力趋近于零。可见KZL< 2传质方程的应用 因为被除氧的水在喷雾空间内几乎瞬间被加热到接近对应工作压力下的饱和温度，在喷雾区能维持一定的停留时间，因此，在某一稳定工况下，可近似地认为通过除氧器各段的水容积流量不变，即除氧器出力不变。假定除氧器喷雾区横断面积为A，其高度为H0，喷雾区单位体积有效传质面积，即体积比表面积为a m2/m3。当除氧器在某一工况下稳定运行时，在除氧器喷雾空间内任意处截取一段高度为dH的喷雾段，这微元段水流当然覆盖该段能完全有效地参与传质的面积为aAdH。令微元段水流单位体积所含的氧气量（含氧量）为C（H）。由于微元水流段无论流到除氧器喷雾区中什么位置，其传质系数KL维持不变，因此，该微元段有效面积aAdH上平均除去的氧气量为dM（H） 。 对整个除氧器进行氧量平衡，将各个微元段水流除去的氧量相叠加，即，它们之和应该等于进入除氧器的氧气量V*C1与除氧器出口被带走的氧气量V*C2之差，即 所以 因为，，所以 上式称为传质公式。 从传质公式可以看出，除氧器除去氧气量M的多少，决定于传质系数KL，有效传质面积S和传质推动力ΔC，它与传热学的传热公式相类似。有了传质公式，便于想方设法提高除氧器单 位时间内除去的氧气量。 3 结论 通过上述推导可以看出，除氧器除去氧气量由传质系数、有效传质面积和传质推动力决定。 在工况一定的情况下，传质推动力一般为定值，通过对除氧器结构的改进使得喷雾效果更好可以相应的提高传质系数和有效传质面积，进而提高除氧器的性能指标。 参考文献 [1] 蔡锡琮，蔡文钢. 火电厂除氧器. 中国电力出版社，2007. [2] 刘启军. 新型内置式无头除氧器在电厂中的应用. 吉林电力，2005， 4 （2）： [3] 郑玉彬， 杜付. 除氧器改造实例浅析. 发电设备，2004， 18（6）： 382-384. [4] 张卫灵. 浙江国华宁海发电厂（4×600MW）无头除氧器和常规有头除氧器的比选专题论述. 热机技术，2003， （3）： 30-34. [5] 杨世铭，陶文铨.传热学.高等教育出版社，2006. [6] Hughmark G A. Holdup and mass transfer in bubble columns. Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development， 1967， 6（2）： 218-220.
