電磁場協(xié)同處理電廠循環(huán)冷卻水阻垢實驗

楊星，劉智安，龍山，邵曉玨，馬文博，孔德豪，?；劢?/p>

（內蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院，內蒙古呼和浩特010051）

電磁場協(xié)同處理電廠循環(huán)冷卻水阻垢實驗

楊星，劉智安，龍山，邵曉玨，馬文博，孔德豪，?；劢?/p>

（內蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院，內蒙古呼和浩特010051）

采用自制的雙通道工業(yè)循環(huán)冷卻水分析實驗臺和磁電協(xié)同式工業(yè)循環(huán)冷卻水阻垢處理器對火電廠循環(huán)冷卻水進行了動態(tài)模擬阻垢實驗研究。通過正交實驗，優(yōu)化了影響阻垢率的實驗參數；通過對換熱銅管表面的CaCO3水垢晶體所進行的SEM和XRD分析，研究了經電磁場協(xié)同處理后，水垢晶體中文石和方解石含量的變化。研究表明，在脈沖方波占空比為70%，脈沖方波頻率為100 Hz，水流速度為0.870 m/s，離子棒電壓為5 kV時，在動態(tài)模擬實驗運行30 h后，阻垢率可達78.23%。經最佳方案組處理后的方解石晶體的生長受到抑制，促進了文石晶體的生長。

循環(huán)冷卻水；阻垢；電磁場協(xié)同；方解石；文石

火力發(fā)電廠的循環(huán)冷卻水使用過程中，經常遇到污垢沉積、淤泥、生物黏泥和腐蝕產物等問題〔1〕。污垢沉積在換熱面上將使換熱器總傳熱系數降低，換熱效率下降，嚴重時污垢還會造成管道阻塞，增大水泵的功率消耗〔2〕。

循環(huán)冷卻水中的水垢主要由CaCO3、Ca3（PO4）2、CaSO4等微溶鹽組成〔3〕。當循環(huán)冷卻水流經換熱器時，達到過飽和狀態(tài)的CaCO3結晶析出，從而沉積在換熱器表面形成水垢〔4〕。水垢控制就是抑制這些結晶的析出。目前工業(yè)中常用的阻垢方法主要為化學藥劑法，此法向水中添加阻垢劑可以達到阻垢的目的，但存在著化學藥劑消耗量大、對水環(huán)境造成二次污染等弊端〔5〕。目前廣泛興起的物理阻垢法由于具有無二次污染、運行成本較低等優(yōu)點〔6〕，已經成為工業(yè)循環(huán)冷卻阻垢技術的主要研究方向。

筆者以火電廠循環(huán)冷卻水為研究對象，利用實驗室內自制的雙通道工業(yè)循環(huán)冷卻水分析實驗臺和磁電協(xié)同式工業(yè)循環(huán)冷卻水阻垢處理器對火電廠循環(huán)冷卻水進行了動態(tài)模擬阻垢實驗研究，并對換熱器銅管表面的CaCO3水垢晶體進行了掃描電鏡（SEM）和X射線衍射儀（XRD）分析，觀察水中CaCO3垢樣晶體中方解石、文石的形貌及晶體的變化。

1　水質分析方法及實驗水質

實驗用水水質及水質檢測方法如表1所示。

表1　實驗用水水質及水質檢測方法

2　實驗流程及實驗方法

2.1實驗裝置及流程

利用實驗室內自制的雙通道工業(yè)循環(huán)冷卻水分析實驗臺（簡稱實驗臺）和磁電協(xié)同式工業(yè)循環(huán)冷卻水阻垢處理器（簡稱阻垢處理器）對循環(huán)冷卻水進行動態(tài)模擬阻垢實驗。實驗臺主要由5部分組成：循環(huán)水系統(tǒng)、加熱水系統(tǒng)、補水系統(tǒng)、補鈣離子堿度系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)。實驗臺的流程如圖1所示。

圖1　實驗流程示意

由圖1可見，循環(huán)冷卻水經水泵，再經過處理器進行阻垢處理，通過電磁流量計后，進入換熱器內與加熱水進行熱量交換（換熱器內裝有換熱銅管），再進入冷卻塔，經噴頭噴入填料層進行散熱，回到集水池中，完成一次循環(huán)。冷卻塔上部裝有軸流風機以保證循環(huán)冷卻水溫度恒定。

阻垢處理器是實驗室內自行設計的阻垢處理裝置，其主要作用是將高壓靜電場和脈沖磁場結合在一起，利用電、磁場進行阻垢處理。阻垢處理器結構如圖2所示。

圖2　阻垢處理器結構

2.2實驗方法

2.2.1正交實驗

實驗中，影響電磁場協(xié)同阻垢處理的主要因素有離子棒電壓（U）、脈沖方波頻率（f）、脈沖方波占空比（Z）和水流速度（v）。實驗中以污垢熱阻法阻垢率為指標，采用四因素四水平正交實驗確定各因素對CaCO3水垢晶體的抑制作用。正交實驗因素水平如表2所示。

表2　正交實驗因素水平

其他實驗參數為：運行時間t=30 h，加熱水溫度Th=91℃，循環(huán)冷卻水溫度Tc=30℃。實驗中因蒸發(fā)而損失的循環(huán)冷卻水通過補水箱補足。

2.2.2阻垢率的計算

實驗結束后，根據傳熱學的熱平衡條件，由實驗組和對照組的污垢熱阻值得出阻垢率，計算公式如式（1）所示。

式中：η——阻垢率，%；

Rf，Tr（t）——實驗組的污垢熱阻值，（m2·K）/W；

Rf，Un（t）——對照組的污垢熱阻值，（m2·K）/W。

3　實驗結果及分析

正交實驗結果如表3所示。

表3　正交實驗結果

由表3可見，通過極差分析可確定影響的主次因素，極差越大，對阻垢率影響越顯著。對正交實驗阻垢效果影響依次是：U＞f＞v＞Z；控制循環(huán)冷卻水中CaCO3水垢產生的優(yōu)化組合為（U2f2v2Z3），即電壓4 kV、脈沖頻率100 Hz、循環(huán)冷卻水流速0.401 m/s、占空比為70%。從實驗結果來看，第10組實驗最接近優(yōu)化組合參數，阻垢率達到78.23%。

4　垢樣的X射線衍射分析

循環(huán)冷卻水冷卻過程中產生的CaCO3水垢晶體主要以方解石和文石形式存在，主要成分都是碳酸鈣。其中文石晶體結構疏松，易隨水流沖走，減少了在換熱器表面的沉積。方解石晶體的結構穩(wěn)定，易在換熱器表面沉積，從而影響換熱效果〔7〕。

為了確定在正交實驗條件下CaCO3水垢晶體的存在形式，對正交實驗第10組的CaCO3水垢晶體進行了XRD分析。由X射線衍射〔8〕可知，實驗組文石特征峰的峰面積大于對照組文石特征峰的峰面積。實驗組方解石特征峰的峰面積小于對照組方解石特征峰的峰面積。由此可知，經過正交實驗條件處理后，方解石晶體的生長受到抑制，促進了文石晶體的生長。

5　垢樣的電鏡掃描分析

正交實驗第10組的CaCO3水垢晶體，處理組和對照組10 000倍下的SEM如圖3所示。

圖3　垢樣的SEM

由圖3可見，實驗組垢樣主要呈斷裂棒狀，顆粒尺寸較小；對照組垢樣主要呈不規(guī)則的塊狀，顆粒尺寸較大。從垢樣形貌特征來看，實驗組垢樣與典型文石形貌特征相似，對照組垢樣與典型方解石形貌特征相似。由此可知，經過電磁場阻垢處理后，方解石的生長受到抑制，文石的生長受到促進。

6　結論

研究表明，當脈沖方波占空比為70%，脈沖方波頻率為100 Hz，水流速度為0.870 m/s，離子棒工作電壓為5 kV時，在動態(tài)模擬實驗運行30 h后的阻垢率達到78.23%，表現出良好的阻垢性能。XRD研究結果表明，循環(huán)冷卻水中的方解石生長受到抑制，促進了文石的生長。因此，高壓靜電場與脈沖變頻磁場協(xié)同作用具有良好的阻垢效果，是一種環(huán)保、經濟的污垢處理方法。

［1］劉智安.電廠水處理技術［M］.北京：中國水利水電出版社，2009：243-292.

［2］安慧鳳，劉智安，趙巨東，等.高壓靜電場對火電廠循環(huán)冷卻水阻垢效果及機理［J］.環(huán)境工程學報，2013，7（11）：4295-4305.

［3］Macadam J，Parsons S A.Calcium carbonate scale control，effect of material and inhibitors［J］.Water Science and Technology，2004，49（2）：153-159.

［4］劉智安，趙婧，趙巨東，等.高壓靜電水處理器腔內電場分布分析與阻垢效果研究［J］.中國電機工程學報，2014，34（35）：6296-6303.

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［6］張旭，劉智安，趙巨東，等.磁電復合式循環(huán)冷卻水阻垢處理裝置及阻垢實驗研究［J］.工業(yè)水處理，2013，33（10）：34-36.

［7］何為，王博.工業(yè)循環(huán)水高頻電磁場阻垢機理和試驗分析［J］.重慶大學學報，2012，35（1）：45-51.

［8］陳敬中.現代晶體化學［M］.北京：科學出版社，2010：324-331.

Anti-scaling experiments on the cooperative treatment of the circulating cooling water in power plants by electromagnetic fields

Yang Xing，Liu Zhian，Long Shan，Shao Xiaojue，Ma Wenbo，Kong Dehao，Niu Huijie
（College of Energy and Power Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China）

Dynamic simulated anti-scaling experimental research has been conducted by using the home-made dual channel industrial circulating cooling water test bench and magneto-electric cooperative-type industrial circulating cooling water anti-scaling processor for the circulating cooling water in power plants.By orthogonal tests，the experimental parameters that affect anti-scaling rate are optimized.CaCO3water scale crystals on the surface of heat exchange copper pipes are analyzed with SEM and XRD.The changes in the contents of calcite and aragonite in water scale crystals are studied，after treated by electro-magnetic field cooperatively.The results reveal that when the square pulse duty ratio is 70%，the square pulse frequency is 100 Hz，the water flow velocity is 0.870 m/s，and the voltage of ionic bar is 5 kV，the anti-scaling rate can reach 78.23%after the dynamic simulated experiment works for 30 h.After treated by the optimized program group，the growth of calcite crystal is restrained and the growth of aragonite is promoted.Thus，from the view of environment and economy，applying the magneto-electric field cooperatively to the circulating cooling water in power plants has very good anti-scaling effect.

circulating cooling water；anti-scaling；integrated magnetoelectric filed；calcite；aragonite

X703.1

A

1005-829X（2016）05-0044-03

國家自然科學基金（51068020，51268040）；內蒙古自然科學基金（2009MS0605）

楊星（1992—），碩士。E-mail：270788680@qq.com。通訊聯系人：劉智安。E-mail：Lza1232003@aliyun.com。

2016-02-12（修改稿）