小型核電站熱力除氧器、真空除氧器、電化學(xué)除氧器及解析除氧器選型研究分析

      簡述了核電站對于小型除氧器的要求，對熱力除氧、化學(xué)除氧等技術(shù)成熟的傳統(tǒng)除氧工藝進(jìn)行了總結(jié)，并對催化加氫除氧、解析除氧、膜法除氧等新技術(shù)進(jìn)行剖析，給出了核電站小型除氧器的推薦選擇，以供設(shè)計(jì)人員在工程設(shè)計(jì)或核電站除氧器改造時(shí)參考。
1、傳統(tǒng)除氧工藝的分析和比較
1.1物理除氧
      根據(jù)亨利定律，在恒溫和平衡狀態(tài)下，氧氣在水中的溶解度與該氣體在氣水界面上的分壓成正比；隨著水溫的升高，氧氣在水中的溶解度降低。
1.1.1熱力除氧
      熱力除氧就是將水加熱到一定壓力下的飽和溫度，使氣水界面上水蒸氣的分壓接近水面上的全壓力，此時(shí)，水面上其它氣體的分壓力接近于零，水中溶解的氣體將全部分離出來，從而達(dá)到除去水中溶氧的目的。熱力除氧從形式上分為臥式和立式2種，大流量的除氧器均采用臥式，如，國內(nèi)核電站主給水的除氧器一般采用淋水盤式或內(nèi)置噴霧式，均為臥式；一般小處理量的除氧器大多采用立式，見圖1。
圖1立式除氧器工作示意
熱力除氧四要素：
      ①水充分被分散成細(xì)小的水霧或水滴（噴霧區(qū)）；
      ②足夠的交換空間，保證熱交換及氧氣的逸出時(shí)間（填料區(qū)）；
      ③水必須時(shí)刻維持在相應(yīng)壓力的飽和溫度（蒸發(fā)區(qū)）；
      ④分離出的氣體能順利排出。
優(yōu)點(diǎn)：
      ①技術(shù)成熟，是目前應(yīng)用廣的一種除氧方式；
      ②對特定處理負(fù)荷的除氧效果能得到保證；
      ③能除氧和二氧化碳等氣體，凈化水質(zhì)。
      同時(shí)，對于小流量和間斷供水要求的系統(tǒng)，熱力除氧具有自身的局限性，分析如下：
      ①熱力除氧裝置的配套輔助設(shè)備較多，保養(yǎng)維護(hù)工作量大，同時(shí)需高位布置，占地面積較大，對于小流量供水工況，熱力除氧法經(jīng)濟(jì)性較差。
      ②如果除氧水的下游用戶需常溫水，處理過程中需將水先加熱，處理完再降溫，造成能源的極大浪費(fèi)，不符合節(jié)能減排的要求；
      ③不能適應(yīng)間歇式供水需求，熱力除氧器啟動(dòng)工序較為復(fù)雜，且耗時(shí)一般為數(shù)小時(shí)，因此對于間歇式用水的工況，熱力除氧法不能滿足要求。如需處理負(fù)荷波動(dòng)較大的除氧水，可設(shè)置內(nèi)循環(huán)管線，此種做法的缺點(diǎn)是比較浪費(fèi)。
1.1.2真空除氧
      真空除氧的核心原理同熱力除氧相同，同時(shí)，由于“隨著壓力降低，水的沸點(diǎn)也降低”的基本原理，真空除氧所需的溫度一般為30~60℃,節(jié)省了大量熱蒸汽。真空除氧對系統(tǒng)的密封性能要求較高，相應(yīng)的設(shè)備造價(jià)也大幅提高；同時(shí)也具有熱力除氧的需高位布置、管理復(fù)雜等特點(diǎn)，對核電站而言，真空除氧對熱力除氧的優(yōu)勢不夠明顯。
1.2化學(xué)除氧
      化學(xué)方法除氧主要是利用氧化還原反應(yīng)除去水中的溶解氧。
1.2.1聯(lián)氨除氧
      聯(lián)氨在堿性溶液中顯示出很強(qiáng)的還原性，可以直接把水中的溶解氧還原，反應(yīng)式：
N2H4+O2=N2+2H2O（堿性條件）(1)聯(lián)氨除氧速度快，不會(huì)增加水中含鹽量；同時(shí)，聯(lián)氨有劇毒，有爆炸風(fēng)險(xiǎn)，易揮發(fā)燃燒，不易運(yùn)輸、儲(chǔ)存。聯(lián)氨的這些特點(diǎn)限制了其大范圍使用的可能。聯(lián)氨作為除氧劑來除氧，一般作為其它除氧工藝的輔助措施或維持水中低氧的手段，例如，在核電站從冷停堆啟動(dòng)時(shí)，用聯(lián)氨作除氧劑保障化容系統(tǒng)和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的低含氧量。
1.2.2亞硫酸鈉除氧
      傳統(tǒng)的除氧藥劑為亞硫酸鈉，反應(yīng)公式如下：2Na2SO3+O2=2Na2SO4（催化劑銅、鈷、錳、錫）(2)亞硫酸鈉除氧需在催化劑的作用下進(jìn)行，催化劑本身也成為了水中的雜質(zhì)；生成產(chǎn)物及未反應(yīng)的亞硫酸鈉也在所處理的水中引入了鹽；對負(fù)荷波動(dòng)較大的工藝，準(zhǔn)確的加藥量控制較為困難。因此，對于水質(zhì)要求較高的核電站，一般不考慮該方法。
2、除氧新技術(shù)的分析及研究
2.1催化加氫除氧
      催化加氫的原理就是在金屬鈀為催化劑的條件下，氫氣與水中的溶解氧反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)除氧目的的方法。經(jīng)研究，附著于離子交換樹脂上的金屬鈀，對H2和O2的反應(yīng)具有很好的催化作用。
      催化加氫所用的樹脂又稱為觸媒型除氧樹脂，是以有堅(jiān)實(shí)骨架結(jié)構(gòu)的樹脂為母體，將起催化作用的金屬鈀離子牢固的吸附在其表面，后對金屬鈀進(jìn)行催化活性的活化處理。在靜態(tài)混合器中充分混合的氫氣和溶解氧經(jīng)過載有催化樹脂的樹脂罐時(shí)，借助于強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂所提供的巨大的表面積，催化劑鈀實(shí)現(xiàn)對氫氣和氧氣很強(qiáng)的吸附能力，保證了氫氣、氧氣和催化劑的充分接觸，催化活性很高，除氧效果良好。催化加氫除氧示意見圖2。
圖2催化加氫除氧示意
      鈀－離子交換樹脂催化加氫除氧技術(shù)能在常溫條件下高效除氧，效果穩(wěn)定，已經(jīng)在國內(nèi)AP1000堆型中使用[2],具有良好的應(yīng)用實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)反饋。催化加氫除氧工藝可模塊化設(shè)計(jì)及生產(chǎn)，占地面積小，供貨周期短；通過系統(tǒng)優(yōu)化及儀控邏輯優(yōu)化，根據(jù)除鹽水進(jìn)水量調(diào)整氫氣供應(yīng)量，避免氫氣的浪費(fèi)，同時(shí)能夠滿足負(fù)荷波動(dòng)較大的工藝要求，適應(yīng)核島系統(tǒng)間歇式用水的供水特點(diǎn)；可一鍵啟動(dòng)，運(yùn)行維護(hù)管理方便。
2.2解析除氧
      解析除氧主要由2部分組成：
      ①基于亨利原理，在解析器內(nèi)將氣體（不含氧）與待除氧水充分混合，是水中的溶解氧解析至氣體中；
      ②基于化學(xué)反應(yīng)，將帶氧的氣體引入裝有炙熱木炭的反應(yīng)器，使O2與C發(fā)生反應(yīng)終生成CO2,除氧后的氣體再返回步驟①中的解析器進(jìn)行循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)除氧的目的。
      解析除氧屬于近年來發(fā)展起來的新技術(shù)，經(jīng)過不斷改進(jìn)優(yōu)化后的工藝，對于小處理量的應(yīng)用需求具有較好的發(fā)展前景。解析除氧后的出水中CO2含量會(huì)增加，不滿足核島部分系統(tǒng)對于水質(zhì)的要求；如需使用，需加設(shè)1套除CO2裝置。
2.3膜法除氧
      膜法除氧裝置的核心部件是脫氣膜組件，見圖3。
圖3膜法除氧示意
      脫氣膜組件中實(shí)現(xiàn)除氧功能的是中空纖維膜。有研究人員利用疏水性聚4-甲基式烯-1或改性聚丙烯生產(chǎn)出的具有疏水特性的中空纖維膜[3-4],這些具有疏水特性的中空纖維膜帶有微孔，具有透氣性。當(dāng)中空膜外側(cè)為液體時(shí)，膜內(nèi)側(cè)抽真空或吹掃氣體，就形成了氣液兩相間的氣壓梯度，即產(chǎn)生傳質(zhì)作用的驅(qū)動(dòng)力，從而驅(qū)動(dòng)水中的溶解氧從水中析出并通過微孔進(jìn)入纖維膜的中空部分，在真空泵或吹掃氣體作用下被帶走，從而實(shí)現(xiàn)除氧的目的。
      膜法除氧利用具有特殊性能的的纖維膜，能夠在常溫下對給水進(jìn)行除氧，同時(shí)去除水中的CO2等氣體，并且裝置結(jié)構(gòu)緊湊，自動(dòng)化程度高，高效節(jié)能，與熱力除氧技術(shù)相比，有較大的優(yōu)勢。
      同時(shí)作為除氧的新技術(shù)，膜法除氧雖然在環(huán)保領(lǐng)域有較多的應(yīng)用案例，但仍存在如下局限性：
      ①缺乏相應(yīng)的行業(yè)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，膜領(lǐng)域內(nèi)的工作者需積極推動(dòng)行業(yè)建設(shè)；
      ②膜材料的穩(wěn)定性還有待試驗(yàn)。膜材料是否會(huì)由于老化等原因而向除氧水中融入雜質(zhì)。鑒于核電站的特殊性，需對膜材料的可靠性、穩(wěn)定性進(jìn)行充分的試驗(yàn)和驗(yàn)證。
3、結(jié)論及探討
      工程應(yīng)用中，需要根據(jù)具體用戶的用水特點(diǎn)，因地制宜的選擇工藝合理、安全、經(jīng)濟(jì)的除氧方式�？紤]到核電站的重要性和特殊性，對于核電站小流量、負(fù)荷波動(dòng)大、間歇式的除氧用水需求，下述除氧工藝可供參考：
      (1)催化加氫除氧，自動(dòng)化程度高，負(fù)荷波動(dòng)承受能力強(qiáng)，進(jìn)行合理的系統(tǒng)優(yōu)化后可滿足除氧要求；
      (2)熱力除氧技術(shù)成熟可靠，考慮到該法對負(fù)荷沖擊承受能力較差、啟動(dòng)時(shí)間長的不足，負(fù)荷波動(dòng)較大的除氧器不宜采用熱力除氧法；
      (3)膜法除氧，節(jié)能高效，處理效果穩(wěn)定，需考慮膜組件老化等問題，可作為除氧工藝的技術(shù)儲(chǔ)備。