磁化除防垢技術(shù)在選礦廠管路上的應(yīng)用展望

毛欣鈺， 王宇斌， 衛(wèi)亞儒， 王望泊， 李淑芹

(1.西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院，陜西 西安 710055)(2.西北有色地質(zhì)礦業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 西安710054)(3.西安西北有色地質(zhì)研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引 言

硫化礦浮選和貴金屬浸出生產(chǎn)中，使用石灰乳等富含鈣離子的動(dòng)態(tài)水，易導(dǎo)致礦漿管路、冷卻水管路及鍋爐等各類輔助設(shè)備結(jié)垢[1-3]，引起管壁腐蝕和管道堵塞[4]，進(jìn)而影響礦物的選別過(guò)程、選礦廠的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益[5-6]。如國(guó)內(nèi)水口山鉛鋅礦選廠采用高堿細(xì)磨優(yōu)先浮選工藝，導(dǎo)致在鋅尾礦濃密機(jī)溢流水管道中以及通向選硫車間的管道中結(jié)垢嚴(yán)重，嚴(yán)重影響生產(chǎn)[7]。又如鐵山垅鎢礦選礦廠的回水中含有泥漿和眾多有害離子，管道在長(zhǎng)時(shí)間作用下其內(nèi)壁結(jié)有厚厚的泥垢，導(dǎo)致內(nèi)孔徑逐漸變小，水量驟減，電耗增加[8]。此外，磁選廠中循環(huán)水系統(tǒng)的供水管道和強(qiáng)磁選機(jī)齒板都存在不同程度的結(jié)垢現(xiàn)象。為保證選礦廠生產(chǎn)的順利進(jìn)行，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、指標(biāo)穩(wěn)定的目標(biāo)，探索高效的除垢工藝顯得日益重要[9-10]。常規(guī)的化學(xué)和物理除垢法存在投資成本高、處理費(fèi)用大、需處理二次污染物等問(wèn)題。新型磁化除垢工藝，可對(duì)含鈣鎂離子較高的工業(yè)用水實(shí)現(xiàn)除垢處理，且無(wú)化學(xué)藥劑的二次污染，適用范圍廣[11-12]。文章介紹了除防垢技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、存在問(wèn)題，展望了利用磁化技術(shù)去除選礦廠管路垢體的應(yīng)用前景。

1 管路常見(jiàn)除垢技術(shù)簡(jiǎn)介

目前常用的除垢技術(shù)有化學(xué)除垢和物理除垢兩種[13-15]。其中化學(xué)除垢主要包括螯合試劑除垢、堿洗除垢和酸洗除垢等，而物理除垢則主要包括機(jī)械除垢、超聲波除垢、電化學(xué)除垢和磁化除垢等。不同除垢技術(shù)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比[16-25]見(jiàn)表1。

表1 化學(xué)、物理除垢技術(shù)對(duì)比

由表1可知，上述除垢技術(shù)雖有一定的除垢效果，但也存在投資成本高、處理費(fèi)用大、需處理二次污染物等問(wèn)題，而且在不同行業(yè)的適應(yīng)性較差，只能應(yīng)用于某一行業(yè)。這些問(wèn)題均限制了上述技術(shù)在選礦廠管路除垢防垢的實(shí)際應(yīng)用。

2 磁化除垢防垢技術(shù)研究進(jìn)展

磁化法除防垢的原理是當(dāng)水溶液流過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)的凈化設(shè)備時(shí)，水中的鈣鎂離子和碳酸根等離子由于電荷不同，在洛侖茲力的作用下改變?cè)瓉?lái)的運(yùn)動(dòng)方向，而向相反方向偏離，從而失去反應(yīng)生成垢體的條件。磁化除防垢技術(shù)不僅具有可在線連續(xù)工作、不干擾正常生產(chǎn)、環(huán)保水平高、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，也避免了成本浪費(fèi)、環(huán)境污染和操作復(fù)雜等問(wèn)題[26-27]。為了有效解決結(jié)垢問(wèn)題，新型高效的磁化除(防)垢技術(shù)逐漸受到研究者的重視[28]。

2.1 磁化除垢技術(shù)研究進(jìn)展

目前磁化除垢理論方面的研究主要集中在磁場(chǎng)性質(zhì)對(duì)除垢效果的影響。王斌等[29]利用掃頻磁場(chǎng)處理水中的樣品，并對(duì)其結(jié)垢情況進(jìn)行分析研究發(fā)現(xiàn)掃頻磁場(chǎng)對(duì)含原油的污水水垢有較強(qiáng)的除垢作用。姜德寧等[30]利用麥克斯韋方程和邊界條件計(jì)算了交變磁場(chǎng)在水管中的場(chǎng)分布，并研究了水的溫度和硬度等參數(shù)與結(jié)垢量的關(guān)系，認(rèn)為當(dāng)水的硬度小于700 mg/L時(shí)，不同的管徑對(duì)應(yīng)的結(jié)垢磁感應(yīng)強(qiáng)度閾值相近，而功率閾值不同。王宇斌等[31]進(jìn)一步優(yōu)化了磁化除垢的條件，提出在磁化時(shí)間為0.5 h、電流頻率為0.6 kHz、線圈匝數(shù)為100圈、C0(Ca2+)為1 000 mg/L、波形為方波時(shí)磁化除垢的效果最好。

Clifford Y.Tai等[32]則采用不同強(qiáng)度的永磁體研究磁場(chǎng)對(duì)懸浮在流化床中方解石晶體生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)磁化處理有助于碳酸鈣從難以移除的方解石向粉末狀的文石轉(zhuǎn)變。Shahryari A等[33]在試驗(yàn)室研究了磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)磁處理裝置除垢效率的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)冷卻水流速為0.5 m/s時(shí)，換熱器中的污垢阻力降低了76.3%。若水流速度增大則會(huì)導(dǎo)致調(diào)制磁場(chǎng)的阻垢效率降低，并且在0.8 m/s和1.3 m/s水流速度下污垢阻力分別下降了64.3%和57.8%。

其他研究者則對(duì)新型磁化除垢設(shè)備的設(shè)計(jì)及其除垢效果比較關(guān)注。徐耀良等[34]通過(guò)研究電廠中應(yīng)用新型凝汽器除垢裝置的效果，分析其作用原理并與常規(guī)除垢方法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)其具有良好的除垢效果，還能起到節(jié)能減排的作用。李楊等[35]通過(guò)對(duì)永磁除垢器的磁場(chǎng)進(jìn)行有限元分析和設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)除垢器的單點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，也強(qiáng)化了磁場(chǎng)的整體分析性和磁場(chǎng)可視化。費(fèi)繼友等[36]提出了STM32F103變頻水磁化處理系統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，提高了水處理設(shè)備除垢能力和環(huán)境適應(yīng)性，使設(shè)備的阻垢率達(dá)到了78%，除垢率也達(dá)到了61%。侯宏錄等[37]針對(duì)管道結(jié)垢引起的設(shè)備腐蝕問(wèn)題，提出了一種由可變頻方波信號(hào)控制的電磁除垢電路解決新方案。王金燕等[38]設(shè)計(jì)了一套針對(duì)輸油管道的模擬電磁波除垢設(shè)備，以模擬不同線圈匝數(shù)以及不同頻段下電磁波除垢效果試驗(yàn)，并將除垢條件優(yōu)化為：線圈匝數(shù)25圈、電磁波頻段為14～16 kHz。

2.2 磁化防垢技術(shù)研究進(jìn)展

利用磁化水防垢的研究始于1945年，比利時(shí)的T.Vermeiren提出將磁化水應(yīng)用于鍋爐管路的防垢處理并申請(qǐng)了相關(guān)專利，以此為基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入研究，并取得了一定共識(shí)。

溶液中的離子種類不同，磁處理的效果也不一樣。劉有昌等[39]認(rèn)為磁場(chǎng)能影響碳酸鈣的結(jié)晶過(guò)程，但對(duì)硫酸鈣的結(jié)晶過(guò)程影響較小。張寶銘[40]也認(rèn)為磁處理對(duì)含SO42-溶液的除垢效果不佳。當(dāng)水中含有SO42-時(shí)，磁化抑垢效果被破壞，一般來(lái)說(shuō)含有SO42-的水，不要使用磁化處理抑垢。謝綺芬[41]認(rèn)為由于SO42-離子的水合能高于碳酸根的水合能，所以處理永久硬度較高的水(大于7mmol/L)，宜設(shè)計(jì)磁感應(yīng)強(qiáng)度較高，綜合磁參數(shù)較大的磁水器。林藝輝[42]借助析晶動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究了一定強(qiáng)度磁場(chǎng)對(duì)碳酸鈣過(guò)飽和溶液的析晶過(guò)程的影響。定量的、可重復(fù)的數(shù)據(jù)表明：在一定的Ca2+和CO32-濃度范圍內(nèi)，磁場(chǎng)對(duì)碳酸鈣晶體的生長(zhǎng)析出具有明顯的抑制作用。對(duì)不同溶液進(jìn)行磁處理的試驗(yàn)結(jié)果顯示，磁場(chǎng)阻垢既通過(guò)成垢陽(yáng)離子Ca2+起作用，也通過(guò)成垢陰離子CO32-起作用。

磁處理的效果與溶液pH值緊密相關(guān)。那景麗[43]等發(fā)現(xiàn)磁處理的抑垢率隨著堿度的增加而增加，當(dāng)水中堿度大于8 mmo1/L時(shí)，磁化水的抑垢效果較好。柴天禹[44]認(rèn)為pH值對(duì)磁化處理CaSO4垢體不敏感，對(duì)CaCO3垢體的影響則較為明顯。張寶銘[40]則發(fā)現(xiàn)在某地試用磁化處理設(shè)備過(guò)程中的除垢效果不佳，認(rèn)為pH值在8附近為宜，pH值過(guò)低或過(guò)高，磁處理效果均不理想。

磁化可明顯改變?nèi)芤盒再|(zhì)。如楊明等人[45]發(fā)現(xiàn)磁化前后蒸餾水、自來(lái)水和焦化廢水的電導(dǎo)率等性質(zhì)在磁化時(shí)呈現(xiàn)明顯的周期性變化，且變化情況與磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁化時(shí)間有關(guān)。其他研究人員[46-47]進(jìn)一步認(rèn)為磁化阻垢機(jī)理主要集中在磁場(chǎng)能改變成垢晶體的結(jié)晶速度、晶粒大小及晶體的晶型等。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)磁化防垢的機(jī)制展開(kāi)了較為詳細(xì)的研究。劉振法等[48]研究了稀土永磁材料與聚天冬氨酸的協(xié)同阻垢機(jī)理，他們針對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度、溫度、水質(zhì)硬度和藥劑用量下阻垢效果展開(kāi)了試驗(yàn)。Nelson Saksono等[49]圍繞磁場(chǎng)的離子機(jī)制和粒子機(jī)制對(duì)碳酸鈣沉淀的影響進(jìn)行了討論，并發(fā)現(xiàn)在磁化過(guò)程中粒子機(jī)制可降低溶液中鈣離子的濃度，而離子機(jī)制則降低了磁化分離過(guò)程中CaCO3晶體的形成。Chang M C等[50]在磁場(chǎng)作用下采用流化床結(jié)晶器對(duì)碳酸鈣的多晶型文石進(jìn)行了一系列生長(zhǎng)試驗(yàn)。研究表明：文石晶體在較低的酸堿度環(huán)境中生長(zhǎng)較快，而方解石幾乎不會(huì)生長(zhǎng)，并且高水平的過(guò)飽和度和不統(tǒng)一的活性比有利于文石生長(zhǎng)。

在此基礎(chǔ)上，有學(xué)者針對(duì)磁化防垢在實(shí)際應(yīng)用方面也進(jìn)行了探索，如王建國(guó)等[51]設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)電磁試驗(yàn)裝置，在給定試驗(yàn)條件下進(jìn)行了磁化防垢試驗(yàn)，通過(guò)理論分析確定了抑制碳酸鈣結(jié)晶的磁場(chǎng)強(qiáng)度最優(yōu)值為0.02 T。國(guó)外的Deng A H 等[52]研究了最大磁通密度為4.1 T可調(diào)恒磁場(chǎng)對(duì)硬水在無(wú)雜質(zhì)離子時(shí)碳酸鈣沉淀過(guò)程的影響。結(jié)果表明：磁場(chǎng)通過(guò)影響溶液中離子的水化過(guò)程來(lái)改變水化CaCO3作為晶核前驅(qū)體的脫水過(guò)程，進(jìn)而改變了水團(tuán)的結(jié)構(gòu)，從而影響了CaCO3的沉淀過(guò)程。

2.3 磁化除(防)垢研究存在的問(wèn)題

關(guān)于磁化除垢的研究雖然取得了較大進(jìn)展，但也存在如下問(wèn)題有待解決：

研究的試驗(yàn)方法比較單一，導(dǎo)致已有研究對(duì)磁化設(shè)備參數(shù)影響規(guī)律認(rèn)識(shí)不足，參數(shù)控制也不夠精確。已有磁化除垢研究中多采用單因素試驗(yàn)方法，而在試驗(yàn)室試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用中，由于交變磁場(chǎng)除垢的過(guò)程中影響磁化處理效果的因素較多，單因素試驗(yàn)難以揭示不同因素對(duì)磁化處理效果的影響規(guī)律，尤其是關(guān)于不同作用因素之間的交互作用對(duì)磁化除垢效果研究較少，也就難以組合最優(yōu)的除垢條件，也易造成其磁化除垢效果不夠穩(wěn)定，在工業(yè)應(yīng)用中的除垢效果差強(qiáng)人意。

磁化除垢效果適應(yīng)性差。由于不同行業(yè)的生產(chǎn)工藝、水質(zhì)不同，工藝參數(shù)比如溫度、液體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等都存在很大不同，這也使得不同行業(yè)的管路垢體多樣化。常見(jiàn)的垢體除了碳酸鈣和硫酸鈣等無(wú)機(jī)鹽垢，還有腐蝕垢和泥沙等沉積垢。由于上述不同種類垢體的成垢規(guī)律不盡相同，這就導(dǎo)致不同行業(yè)的磁化除垢設(shè)備及參數(shù)也應(yīng)根據(jù)影響磁化除垢效果的因素和實(shí)際垢體來(lái)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，但是目前的磁化除垢設(shè)備磁場(chǎng)特點(diǎn)比較單一，因此，如何研究并設(shè)計(jì)針對(duì)性強(qiáng)的磁化除垢設(shè)備也是一個(gè)迫在眉睫的難題。

磁化除垢機(jī)理研究有待深入。盡管眾多學(xué)者針對(duì)磁化除垢機(jī)理進(jìn)行了大量研究，也取得了不少成果。但是這些研究均沒(méi)有綜合考慮不同磁場(chǎng)方向、磁場(chǎng)與藥劑耦合作用等對(duì)除垢效果的影響，這導(dǎo)致他們的研究結(jié)果差異較大，甚至研究獲得的磁化除垢機(jī)理也難于統(tǒng)一。故有關(guān)磁化除垢的研究成果能否應(yīng)用于選礦廠礦漿管路也有待驗(yàn)證。

3 結(jié) 論

解決選礦廠管路結(jié)垢問(wèn)題采用的物理化學(xué)除垢工藝存在投資成本高、處理費(fèi)用大、清洗困難和需處理二次污染物等問(wèn)題。新型高效的磁化除防垢技術(shù)不僅具有可在線連續(xù)工作等優(yōu)點(diǎn)，也可避免操作復(fù)雜等問(wèn)題，并已初步應(yīng)用于鍋爐和冷卻水等系統(tǒng)管路的阻垢處理。雖然磁化除防垢技術(shù)在選礦廠礦漿管路除垢過(guò)程中有很好的應(yīng)用前景，但該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中也存在著磁化除垢效果對(duì)不同種類管路適應(yīng)性差、磁化設(shè)備參數(shù)不精確及其影響規(guī)律不明確、磁化除垢機(jī)理認(rèn)識(shí)不夠深入等問(wèn)題，而針對(duì)性強(qiáng)的高效磁化除垢設(shè)備的研發(fā)也應(yīng)受到重視。