合金阻垢技術(shù)在煤礦冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

寇建偉 秦 峰 李曉東 馬立博

（國家能源集團寶日希勒能源有限公司，呼倫貝爾 021599）

煤礦冷卻系統(tǒng)受水質(zhì)、溫度等條件的影響，易出現(xiàn)管道和換熱器結(jié)垢。統(tǒng)計顯示，水垢每年在換熱設(shè)備和管道中的沉積厚度在4 mm 以上，且水垢每增加1 mm，換熱系數(shù)下降9.0%～9.6%，能耗將增加10%以上，嚴(yán)重影響換熱效果和生產(chǎn)效率，同時增加了后期清洗維護量。目前，冷卻系統(tǒng)常規(guī)水垢治理方法中，化學(xué)試劑清洗需停機且腐蝕性高，而超聲波除垢、磁力除垢等方式功耗高、效果差，均難以保證冷卻系統(tǒng)長期高效穩(wěn)定作業(yè)。基于此，提出應(yīng)用合金阻垢技術(shù)治理水垢，研究合金阻垢機理、結(jié)構(gòu)特性等，分析其在冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢與特點，為煤礦水垢治理提供一種新型解決方案。

1 煤礦領(lǐng)域水垢治理方式

煤礦領(lǐng)域冷卻系統(tǒng)水垢治理主要分為化學(xué)試劑除垢和物理除垢兩種方式。

化學(xué)試劑除垢應(yīng)用廣泛，施工方便，費用合理，主要指采用化學(xué)藥劑對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進行處理，達到除垢、阻垢的目的。酸化法是常用的化學(xué)試劑除垢方法，即通過酸性清洗劑與沉積水垢發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[1]，生成可溶于水的酸式鹽或非碳酸鹽，將硬鹽轉(zhuǎn)換成易溶于水的鹽，從而達到除垢的目的。酸化處理的化學(xué)試劑通常使用硫酸或鹽酸，酸性較強，控制不當(dāng)易造成設(shè)備腐蝕，嚴(yán)重時會導(dǎo)致設(shè)備穿孔，縮短冷卻器使用壽命，對循環(huán)水造成二次污染，增加企業(yè)污水處理難度和污水處理成本。

物理防垢方法主要有磁場作用除垢、高頻電場除垢以及超聲波除垢[2]。磁場作用除垢通過磁場影響水溶液的理化性質(zhì)、成垢物質(zhì)的結(jié)晶成核和垢的晶體生長過程[3-4]，達到除垢的目的，但有效期只有半年左右，且高硬度、大流量防垢效果較差，存在磁場污染。高頻電場除垢通過高頻電場增大水中鹽類結(jié)晶微粒的電負性[5-6]，從而增加微粒間的電斥力，使形成鹽垢的晶體發(fā)生畸變來破壞晶體的增長，從而降低晶體增長速度，減緩污垢的形成，但耗能大。超聲波防垢是在液體介質(zhì)中通過空化效應(yīng)和凝聚作用[7]，增加水溶解能力，提高溶垢能力，爭奪水中離子，延緩并防止生成新垢，缺點是需要接電且耗電量較大，實際應(yīng)用較少。

近年來，利用合金材料進行阻垢的方法在國內(nèi)外逐步發(fā)展并獲得了廣泛關(guān)注[8]。該方法具有無污染、無腐蝕、無須外界能源供給、純物理式阻垢的特點，使用時無須停機，不受任何工況條件因素影響，不影響正常生產(chǎn)，是一種新式綠色環(huán)保型阻垢技術(shù)，成為煤礦裝備水垢治理的重要手段。

2 合金阻垢機理

合金阻垢裝置基于亞穩(wěn)多主元合金電位差形成純物理電催化反應(yīng)，改變從裝置內(nèi)部表面流過水中鈣鎂等離子的結(jié)晶狀態(tài)，形成不致密、低強度、與管壁結(jié)合不牢固的鈣鎂類垢晶體，在水流沖擊下剝離，使管壁不結(jié)垢，達到防結(jié)垢和防腐蝕的目的。

2.1 增加溶解度

在亞穩(wěn)功能合金的電化學(xué)作用下產(chǎn)生電化學(xué)氧化-還原反應(yīng)[9]，流體經(jīng)過時進行電子轉(zhuǎn)移，從而在洛倫茲力的作用下，降低pH 值，改變活化能，使得離子的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，流體特性改變，打破原來以H 鍵締合的大型水分子團，使得以H 鍵締合的水分子團發(fā)生極化變形，增加了原有礦物質(zhì)的溶解度。

2.2 釋放自由電子

合金中以銅、鋅、錫、鎳為元素的合金材料的電極電位存在差異[10]。合金釋放出的“自由電子”能被電負性小的離子如Ca2+、Mg2+等捕獲，使得Ca2+、Mg2+脫離和形成原子結(jié)構(gòu)（CaO、MgO）。當(dāng)處于水溶液中時，它們的離子鍵斷裂?；蛘弋?dāng)它們處于沉淀的固體即垢狀態(tài)時，它們的晶格鍵斷裂。這從根本上改變了垢體結(jié)晶成核的趨勢，不易形成大尺度晶核。

2.3 軟化硬垢

由于合金中特殊元素的溶出，水中Zn 離子的存在改變了垢的晶體生長機理，使水中的碳酸鹽垢以文石的結(jié)晶形態(tài)產(chǎn)生沉淀，在器壁上形成疏松的文石狀軟垢，而不是方解石結(jié)構(gòu)的硬垢，不易附著在器壁上。文石結(jié)構(gòu)和方解石結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 結(jié)垢狀態(tài)的變化

2.4 紊流結(jié)構(gòu)

合金阻垢裝置的核心部件采用特殊紊流設(shè)計，流體經(jīng)過時能形成高速的紊流，如圖2 所示。一方面，增加水中的離子和分子與裝置核心部分的接觸，提升電子交換效率；另一方面，液體在紊流狀態(tài)下能夠降低分子凝結(jié)的概率。

如圖3 所示，通過對合金阻垢裝置建模仿真分析發(fā)現(xiàn)，進口段的壓強比出口段大，流體經(jīng)過防垢裝置后，在管道內(nèi)的壓強梯度大，脈動大，增加了流體與芯軸的接觸率。

圖3 壓強分析

如圖4 所示，經(jīng)過合金阻垢裝置后，流體的流速增加，速度的方向紊亂，在阻垢裝置芯軸的旋轉(zhuǎn)作用下，流體以旋轉(zhuǎn)運動方式流出，管道內(nèi)的液體紊流流動加強，更有利于管內(nèi)的垢、固體氧化物等隨流體一起流出，減少附著和沉積在管壁上的概率。

3 合金阻垢技術(shù)在冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用

以合金阻垢技術(shù)為基礎(chǔ)的裝置，安裝在阻垢防護的設(shè)備進水前端或管線中，簡單方便，無須外界能源供給。合金阻垢裝置在煤礦換熱中心的換熱器中應(yīng)用廣泛，原有換熱器結(jié)垢情況嚴(yán)重，盤管外壁附著白色硬質(zhì)水垢，使用尖錘敲擊水垢脫落2 cm2露出管道金屬本體。安裝合金阻垢裝置在換熱器進水管線中，施工作業(yè)3 h。正常投入運行90 d，盤管外壁所結(jié)硬垢被軟化變得蓬松并脫落，金屬本體無新垢凝結(jié)，如圖5 所示。

經(jīng)過后期長時間應(yīng)用驗證，安裝合金阻垢裝置前，換熱器清洗周期為3 個月。安裝后，清洗周期可延長至1 年，同時提高了熱交換效率，日處理量增加了72 t，阻垢效果顯著，延長了設(shè)備的維護周期，減少了維護量，實現(xiàn)了降本增效，達到了預(yù)期效果。

4 結(jié)語

現(xiàn)場應(yīng)用和試驗驗證表明，合金阻垢技術(shù)裝備無須外界能源供給、無二次污染且安裝簡便，阻垢率在85%以上，腐蝕速率降低50%以上，延長了設(shè)備水垢清洗周期，減少了用戶設(shè)備維護量，提高了設(shè)備生產(chǎn)效率。與化學(xué)除垢抑垢相比，它無須投加藥劑，不存在環(huán)境污染問題。與物理法如超聲波、電磁等除垢工藝相比，它不需要能量投入，降低了能耗，同時減少了碳排放，在煤礦領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。