換熱設備結(jié)垢機理與電磁除垢技術(shù)應用分析

段強強　毛東旭　吳倩倩　李志浩　白玉成　來永斌

摘要：換熱設備在工業(yè)生產(chǎn)過程中扮演著重要的角色，但是結(jié)垢問題一直是無法避免的問題。文章從換熱設備的結(jié)垢機理入手，論述了常見水垢的分類以及形成機理，總結(jié)了生產(chǎn)實際過程中常見的水垢清理方法，最后闡述了電磁除垢技術(shù)的基本原理與現(xiàn)場運用，為電磁除垢技術(shù)在換熱設備的運用提供了理論基礎。

關(guān)鍵詞：換熱設備；結(jié)垢機理；水垢清理；電磁除垢；工業(yè)生產(chǎn) 文獻標識碼：A

中圖分類號：TQ051 文章編號：1009-2374（2016）08-0043-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.08.023

1 概述

換熱設備（加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器、冷凝器等）在煉油、化工、制藥、輕工、機械、食品加工、動力以及原子能工業(yè)部門等工業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要的角色。但是換熱設備若長期運轉(zhuǎn)工作，因介質(zhì)的腐蝕原因、沖蝕原因、積垢原因、結(jié)焦原因，將會使管子內(nèi)部以及外部表面出現(xiàn)不同程度上的結(jié)垢現(xiàn)象，對換熱設備性能產(chǎn)生不利的影響，嚴重的甚至會造成換熱設備堵塞現(xiàn)象。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，換熱設備受熱面如果結(jié)有1mm的水垢，就會使煤的消耗增加1.5%～2%，換熱效率降低10%～20%。另外，由于受熱面上結(jié)有水垢，還會使金屬管壁發(fā)生局部過熱。當壁溫超過其工作的極限溫度時，會使管子產(chǎn)生鼓包現(xiàn)象，嚴重的會引起鍋爐爆管事故，使人身、財產(chǎn)安全受到嚴重的威脅。因此，明確換熱設備結(jié)垢的原因，采用合理的措施處理和預防結(jié)垢，對換熱設備的安全生產(chǎn)與資源的高效利用都有著重要的意義。

2 結(jié)垢機理分析

2.1 水垢的分類

水垢按其主要化學成分可分為鈣鎂水垢、硅垢、磷酸鹽垢、銅垢、鐵垢等。對于常見換熱設備來說，可以按照結(jié)垢機理的差異，將相關(guān)水垢劃分成以下四種類別：（1）析晶結(jié)垢。過飽和的溶液中，溶解的無機鹽結(jié)晶而形成的水垢；（2）化學結(jié)垢。由于流過的液體與換熱設備產(chǎn)生化學反應而形成的水垢；（3）微粒型結(jié)垢。溶液中由于懸浮的固體顆粒如砂粒、灰塵、炭黑，在換熱面上的聚集而形成的污垢；（4）腐蝕型結(jié)垢。由于溶液中本身具有腐蝕性或流過液體的腐蝕性而對容器產(chǎn)生腐蝕形成的水垢。以上分類只是表明單個過程致使水垢的形成，然而結(jié)垢往往是多種過程共同作用的結(jié)果，并且相互影響，換熱設備上的實際污垢中，常常是多種污垢混合在一起的。

2.2 水垢的形成機理

在硬質(zhì)水環(huán)境中，水垢的形成與水的飽和指數(shù)有關(guān)，在水的飽和指數(shù)以下或者剛好達到水的飽和指數(shù)，水垢就不會形成。如果超過水的飽和系數(shù)，水垢就容易形成。有關(guān)研究表明，常見的水垢主要有顆粒狀水垢、碳酸鹽水垢、硫酸鹽水垢、氫氧化物水垢、磷酸鹽水|

垢等。

在常溫或者比較低的溫度條件下，隨著不溶性鹽的逐漸生成，聚集于管道內(nèi)，從而形成水垢。

3 常見的水垢清理方法

在多年的生產(chǎn)實際中，人們針對水垢的形成原理進行了比較深入的研究，得出了很多水垢的清理方法，按其工作原理大體可分為機械清洗法、化學清洗法、物理清洗法、生物清洗法等。

3.1 機械清洗法

常規(guī)的機械清洗法主要是提供一種比污垢黏附力更強的力有效去除附著的相關(guān)污垢。一般情況下，該種清洗方法能夠除去采用化學方法不可以有效除掉的硬質(zhì)垢、碳化污垢。從機械清洗方法分類上來看，主要包括以下兩個方面：（1）第一類屬于強力清洗。具體來說，強力清洗法主要是借助高壓噴射裝置把介質(zhì)通過極高沖擊壓力有效噴入到換熱器殼側(cè)以及管側(cè)，從而起到較強的除垢作用?，F(xiàn)階段，常見強力清洗方法包括噴丸清洗方法、高壓水射流方法、噴氣清洗方法、噴砂清洗方法、強力清管器方法等。（2）第二類屬于軟機械清洗。該清洗方法主要是依靠插入物的實際運動情況，與管子內(nèi)部的表面充分接觸，最終實現(xiàn)除污垢效果。比較常見的方法包括旋轉(zhuǎn)螺旋線清洗法、液固流態(tài)化清洗法、旋轉(zhuǎn)紐帶清洗法、螺旋彈簧振動清洗法、海綿膠球的在線清洗方法。其清洗期間的插入物在型式上是多種多樣的，例如海綿膠球法主要是把直徑稍大于管子內(nèi)徑的海綿球有效擠入到管內(nèi)進行除垢操作，也可以利用鋼絲刷進行清洗硬度相對較低的污垢物。

3.2 化學清洗法

常見的化學清洗主要是借助化學清洗液，產(chǎn)生相應的化學反應，從而溶解換熱器中水垢以及其他形式的沉積物，最終使其脫落或者是剝離。

3.3 物理清洗法

物理清洗法主要是指利用各種機械外力以及能量等粉碎污垢，使其與物體表面剝離，最終達到清洗效果。從常見清洗方法上來看，包括超聲波除垢方法、PIG清管技術(shù)方法、電磁除垢方法等。比如，超聲波除垢一般是借助超聲波特有的空化效應、抑制效應、活化效應等進行除垢。

3.4 微生物清洗法

微生物清洗法的清洗機制是借助微生物內(nèi)細胞產(chǎn)生的催化洗滌劑將清洗對象表面污物進行分解，進而轉(zhuǎn)化為無毒以及無害水溶物質(zhì)。該清洗法所用的清洗劑稱為微生物催化洗滌劑（酶），可以把污染物以及有機物實施徹底分解，屬于環(huán)保型的清洗方法。

以上所述的清洗方法都有自己的優(yōu)點與適用范圍，但是從節(jié)能高效的角度來看，在物理方法中的電磁處理法因其投資小，集防垢、除垢、殺菌等功能于一體的清理方法而受到廣泛的關(guān)注。

4 電磁除垢技術(shù)

4.1 電磁除垢技術(shù)的基本原理

眾所周知，水是由一個氧原子和兩個氫原子組成的，通常水中80%的水分子是由氫鍵締合成水分子團的形式，這種水分子團對碳酸鈣（水垢）的溶解程度較低，使水垢很容易析出。變頻共振就是向水中施加一個與其自然頻率相同的頻率，從而引起水分子產(chǎn)生共振，共振的結(jié)果，使氫鍵斷開，使水分子團變成單個的極性水分子，因而提高了水的活化性和對水垢的溶解度，極微小的水分子可以滲透、包圍、疏松、溶解、去除熱水器、鍋爐等熱交換系統(tǒng)內(nèi)的老垢。同時，浮在水中的鈣離子和碳酸根離子相互碰撞，形成特殊的文石碳酸鈣體，其表面無電荷，因此不能再吸附在管道上，從而達到除垢、防垢的目的。

4.2 電磁除垢技術(shù)的研究與現(xiàn)場應用

截至目前，國內(nèi)外的眾多專家、學者對電磁除垢技術(shù)進行了廣泛的研究。武漢大學的王洋等利用自行設計的高頻電磁水處理器外加電子顯微鏡與核磁共振技術(shù)，驗證了經(jīng)過電磁水處理器處理過的水，其分子團減小，活性增加，水的結(jié)垢現(xiàn)象將大大降低。北京工業(yè)大學的陳金輝等在自行設計建立的電磁抗垢、減垢實驗裝置上，對冷態(tài)工況下低頻電磁抗垢、減垢技術(shù)機理進行了實驗研究。實驗結(jié)果表明，低頻電磁能使污垢晶體的結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化并有抑制污垢晶體尺寸長大的作用。從污垢晶體本身入手，通過實驗的方法驗證了電磁除垢技術(shù)在除垢、抑垢的作用。另外，電磁除垢技術(shù)在現(xiàn)場也有著較廣泛的應用，并且取得了良好的經(jīng)濟效益。

位于勝利油田的河采油廠某計量站，油流量為400

方/日，操作溫度為50℃～70℃，管道內(nèi)壁的結(jié)垢現(xiàn)象一直以來是非常嚴重的問題，平均來說每隔3～5個月就要對管道安排一次清垢處理。管道結(jié)垢現(xiàn)象不僅給正常生產(chǎn)帶來了嚴重的影響，處理后的污水對環(huán)境也造成了嚴重的污染。鑒于此，2010年4月該公司引進了電磁防除垢裝置。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，管道內(nèi)壁的結(jié)垢層自安裝一年后從原來的5～8mm減少到1～2mm，并且水垢的清洗難度大大降低，為水垢的后續(xù)清洗也帶來了極大的便利。并且，該裝置的運行功率為120W，只要接通220V電壓就能正常運轉(zhuǎn)，操作比較簡單。

江蘇油田某鍋爐房常年在役使用，雖然已經(jīng)通過加藥劑的方法對水質(zhì)做了軟化處理，但是鍋爐內(nèi)的結(jié)垢現(xiàn)象仍然比較嚴重，水垢的厚度曾普遍達到2mm以上，鍋爐的安全生產(chǎn)存在著嚴重的威脅。在鍋爐上安裝電磁防除垢裝置工作四個月后，發(fā)現(xiàn)鍋爐內(nèi)的水垢平均厚度減少到0.52mm，并且水垢質(zhì)地蓬松變軟、厚度減小，與傳統(tǒng)的處理方法（主要是加除垢劑與防垢劑）相比較，大大降低了操作成本。據(jù)不完全估計，安裝電磁防除垢裝置可使鍋爐節(jié)煤105t/a，大大節(jié)省了能源的消耗。

5 結(jié)語

電磁除垢技術(shù)因具有投資小，操作相對簡單，不會產(chǎn)生二次污染，集防垢、除垢、殺菌等多種功能于一體等優(yōu)點而受到廣泛的關(guān)注，但是電磁除垢技術(shù)的理論研究還主要局限于實驗研究與假設論證階段，現(xiàn)場運用也暫時局限在比較小的領(lǐng)域，對于大范圍的長輸天然氣、石油等管道仍沒有得到大范圍的運用。隨著計算機模擬以及對分子動力學研究的不斷深入，電磁除垢技術(shù)將有更加廣闊的研究前景與意義。

參考文獻

[1]蔣偉，徐軍，翟軍.管道中水垢形成機理及清理方法分析[J].清洗世界，2008，（12）.

[2]李曉潔.水垢的形成及處理方法[J].酒鋼科技，2005，（3）.

[3]張山.電磁除防垢機理及其在油田應用技術(shù)研究[D].中國石油大學，2012.

[4]黃嘉順，袁善慶.變頻式直流脈沖電磁水處理技術(shù)

[J].工業(yè)水處理，2007，（3）.

[5]王洋，黃陽波，于萍.高頻電磁阻垢及其機理研究

[J].工業(yè)水處理，2015，（2）.

[6]陳金輝，王湛，馬重芳，等.電磁抗垢強化傳熱技術(shù)機理的實驗研究[J].工程熱物理學報，2002，（9）.

基金項目：2014年地方高校國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（AH201410361159），2013年度安徽理工大學重大教學改革研究項目（2013zdxm28）。

（責任編輯：蔣建華）