利用研制出的高效催化树脂进行锅炉补给水除氧，克服了传统的单纯投加亚硫酸钠除氧存在的各种弊端。试验结果表明，该技术具有催化树脂性能稳定、除氧效果好、药剂投加量低、催化反应时间短等优点。
亚硫酸钠（Na2SO3）是一种较强的还原剂，与水中溶解氧反应生成硫酸钠（Na2SO4），从而使其消失。在中小型锅炉中常作为除氧辅助药剂来使用，但在常温条件下，单纯投加Na2SO3，存在下列问题[1~2]：①尽管其投加量很高（约为理论值的2~3倍），但无论是软化水还是自来水，其出水溶解氧含量都达不到《工业锅炉水质》（GB 1576-2001）标准（≤0.1mg/L或0.05mg/L）。②Na2SO3与水中溶解氧的反应速度慢，反应时间至少需要3min，才可使氧的去除率达到。
本文介绍了针对单纯投加Na2SO3除氧存在的上述问题，研制出了具有较高性能的催化树脂，在常温条件下，经实验室静态、动态及现场中试试验，探索了该处理技术的可行性，并对催化树脂的稳定性进行了测试，确定出了除氧设备的设计参数。试验结果及实际应用表明，该技术可明显降低药剂投加量、大大加快除氧反应速度、使催化反应时间大为缩短，且除氧彻底，催化树脂性能稳定。
1.化学催化除氧的实验室试验
1.1 催化树脂的制备
催化树脂是以强酸性阳离子交换树脂为载体，在特定条件下，通过一定方法将催化剂固定到载体上面。该催化剂能在一定空间内自由活动，在溶解氧与化学还原剂（Na2SO3）所进行的化学反应中起催化作用。
1.2 静态试验
在系列三角瓶中，各加入10mL催化树脂和500mL软化水（溶解氧含量等于6.56mg/L），然后加入无水Na2SO3，盖上瓶塞，不问断地振摇反应若干时问，静置片刻，即进行溶解氧测定。
Na2SO3投加量、反应时间及溶解氧测定结果见表1。由表1可见，除Na2SO3投量为27mg时出现有氧以外，其余各组水中均未检出溶解氧。而经济的方案是Na2SO3投量为30mg（相当于60mg/L），即去除1mg/L溶解氧，所需Na2SO3投加量约为10mg/L。考虑到药剂的纯度，仅比理论投加量多10%，投加量比单纯投加Na2SO3时大幅度降低；反应时间仅为0.5min，这是由于催化树脂中催化剂的作用，虽然在整个化学反应过程中其自身的组成、化学性质不发生变化，但它可以改变反应的历程，降低反应的活化能，由此增大了活化分子数，使分子间有效碰撞增加，从而提高了化学反应速度，使反应时间大幅度缩短。
表1 Na2SO3投加量、反应时间及溶解氧测定
|
Na2SO3投加量 /mg |
45 |
40 |
35 |
30 |
27 |
||||||||||
|
反应时间/min |
2 |
1 |
0.5 |
2 |
1 |
0.5 |
2 |
1 |
0.5 |
2 |
1 |
0.5 |
2 |
1 |
0.5 |
|
溶解氧/mg/L |
0 |
0 |
0 |
0 |
>0 |
||||||||||
为了检验催化树脂的稳定性能，用同一份催化树脂（10mL）反复进行了204次试验。此时，累计处理水体积相当于树脂体积的10200倍，各组试验水中均未检出溶解氧，说明催化树脂仍具有良好的催化稳定性能。
1.3 动态试验
在小型有机玻璃柱中，装填的催化填料高1m。软化水中溶解氧含量在6.7~7.0mg/L的范围内。水中Na2SO3投加量为70mg/L。总通水量相当于填料体积的4250倍，而此时填料仍具有催化性能。
2.化学催化除氧的生产性中间试验
2.1 工艺流程与试验设备
根据实验室静态及动态试验结果，初步确定了设计参数，设计出中试试验装置，并在我院锅炉房水处理车间实际进行了应用。
1。主要设备及参数见表2。此外，还装有水射器、流量计及相应的阀门等。
图1 化学催化除氧中试试验工艺流程
表2 中试主要设备参数
|
名 称 |
尺 寸/mm |
参 数 |
|
催化反应器 配药箱 管道混合器 |
Φ×H=300×1600 L×B×H=350×350×850 D×H=300×480 |
填料高1.2m 有效容积78L |
其工作的基本原理为:向含有溶解氧的软化水中加入具有较强还原性能的化学还原剂（Na2SO3），通过管道混合器快速混合，流经装有催化填料的反应器，在接触催化作用下，使得溶解氧与化学还原剂快速反应，达到在进入锅炉之前即去除水中溶解氧的目的。
2.2 中试过程及结果
中间试验历时近1个月，共运行了11个周期，出水量为2.4m3/h，在试验期间，软化水硬度c(1/2Ca2+)≤0.03mmol/L，软化水溶解氧含量变化在7~8 mg/L的范围内，水温为8~10℃。主要运行参数运行流速为34m/h；根据静态试验结果，为安全起见，取催化反应器空塔停留时间为2min(实际反应时间约为1min)，则催化填料高1.2m；进水压力为0.18~0.2 MPa。试验数据见表3。
运行数据表明，在Na2SO3耗量为70~80mg/L的条件下，出水溶解氧含量均未检出。整个装置在运行期间，极少反冲洗，催化树脂也不需要再生，运行稳定可靠。
表3 化学催化除氧装置中试试验运行结果
|
运行周期序号 |
运行时间/h |
出水量/m3/h |
周期产水量/m3 |
进水压 力/MPa |
出 水 溶解氧/mg/L |
Na2SO3 单位耗量/mg/L |
检测水样数/个 |
|
1 |
5.50 |
2.4 |
13.2 |
0.18 |
0 |
68.0 |
5 |
|
2 |
7.43 |
2.4 |
17.8 |
0.18~0.19 |
0 |
70.2 |
5 |
|
3 |
7.50 |
2.4 |
18.0 |
0.19 |
0 |
78.7 |
7 |
|
4 |
7.75 |
2.4 |
18.6 |
0.19 |
0 |
69.4 |
7 |
|
5 |
7.50 |
2.4 |
18.0 |
0.19~0.2 |
0 |
76.6 |
8 |
|
6 |
7.53 |
2.4 |
18.7 |
0.19 |
0 |
75.4 |
7 |
|
7 |
7.25 |
2.4 |
17.4 |
0.19 |
0 |
76.6 |
7 |
|
8 |
7.33 |
2.4 |
17.65 |
0.19 |
0 |
77.5 |
7 |
|
9 |
7.40 |
2.4 |
17.8 |
0.19~0.2 |
0 |
81.4 |
7 |
|
10 |
6.72 |
2.4 |
16.1 |
0.19 |
0 |
75.3 |
6 |
|
11 |
7.60 |
2.4 |
18.2 |
0.19 |
0 |
80.5 |
7 |
3.成本分析
以产水量为10m3/h的装置为例，采暖期为4个月(120天)；原水溶解氧以8mg/L计算，则亚硫酸钠投加量为80mg/L。催化树脂装量为0.32t。
(1)所需亚硫酸钠费用：10m3/h×80g/m3×24h/d×120d×10-3×2.3元/kg=5 299.2元。
(2)为安全起见，催化剂用量按一个采暖期再生催化树脂1次计算，催化剂费用：0.32m3×8kg/m3×400元/kg=1024元。
(3)除氧装置按每月反冲洗2次计算，每次耗软化水量为0.55m3，反冲软化水费用：0.55m3/次×2次/月×4月×1元/m3=4.4元。
(4)水泵吨水耗电量为0.15kW·h，进水泵电费：0.15kW·h/m3×10 m3/h×24h/d×120d×0.5元/(kW·h)=2160元。
合计:5299.2+1024+4.4+2160=8487.6元。
整个采暖期总产水量为10×24×120=28800m3。则吨水成本为：8487.6/28800 =0.29元。
若进水压力满足要求（≥0.2MPa），且不考虑树脂的再生催化，则吨水成本仅为：（5299.24+4.4）/28800=0.18元，与其它除氧方法相比，其处理成本处于较低水平。
除氧装置自用水率为：0.55×2×4/28800=0.15‰。，极少。
4结语
通过化学催化除氧实验室静态试验、动态试验以及中试试验，可以认为该除氧工艺是可行的。试验中所取得的基本数据与有关参数可应用于生产性装置的设计计算和作为运行操作的依据。
该化学催化除氧技术具有如下特点：
(1)由于采用催化除氧，大大加快了反应速度，软化水可在常温或低温下进行除氧，出水溶解氧含量≤0.05mg/L，除氧效果稳定可靠。
(2)每去除1mg/L溶解氧，该技术所需Na2SO3投加量为10mg/L，仅略大于化学反应所需的理论值，因而制水成本较低。
(3)催化反应器无需再生，也极少反冲洗，故水利用率高，同时使装置的操作管理大为简化。
(4)催化树脂性能稳定，可长期运行。
(5)该催化除氧技术可看作是炉外与炉内除氧处理的结合。锅炉外，经过化学催化反应，软化水中溶解氧即已去除，而反应过程中剩余的少量Na2SO3仍可在管道系统中继续进行化学除氧反应。
(6)催化反应器运行流速为25~35m/h ,催化树脂层高1.2m。