電磁除垢防垢技術(shù)的現(xiàn)狀、機(jī)理與應(yīng)用

＊?jiǎng)赠i 賈凱 高彥峰 張愷 胡政 張立強(qiáng)

（1.國(guó)家能源集團(tuán)山西電力有限公司 山西 030021 2.沈陽(yáng)化工大學(xué) 遼寧 110142）

火力發(fā)電廠的核心循環(huán)冷卻系統(tǒng)都采用除鹽水，結(jié)垢和積垢問(wèn)題不明顯。但一些外圍循環(huán)冷卻系統(tǒng)（譬如尖峰冷卻系統(tǒng)等），采用開(kāi)式循環(huán)，并使用城市中水甚至地下水作為工作用水。由于水體的硬度較高，水輸送過(guò)程中因流速、溫度和壓力等的變化，相應(yīng)位置管壁極易出現(xiàn)結(jié)垢和積垢現(xiàn)象，使得輸送管道的流通面積減小，流體流動(dòng)阻力上升，系統(tǒng)傳熱冷卻效率降低，最終造成整個(gè)發(fā)電機(jī)組的背壓升高和能耗增大。類(lèi)似的問(wèn)題也存在于其他行業(yè)，譬如化工、造紙和部分制造行業(yè)等，除垢和防垢問(wèn)題已經(jīng)成為制約相關(guān)行業(yè)發(fā)展的痛點(diǎn)。

傳統(tǒng)的除垢和防垢方法是機(jī)械沖刷與化學(xué)藥劑相配合，其短期效果良好，但其除垢過(guò)程產(chǎn)生的污水以及循環(huán)過(guò)程的高濃縮倍率廢水都會(huì)對(duì)周邊環(huán)境與水體產(chǎn)生嚴(yán)重的污染和危害。此外，化學(xué)除垢和防垢還會(huì)引起管路腐蝕等問(wèn)題，進(jìn)而釀成生產(chǎn)安全事故，造成嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。電磁防垢阻垢屬于物理防垢阻垢方法，可顯著減少化學(xué)試劑的使用量，設(shè)備操作簡(jiǎn)單，服務(wù)期長(zhǎng)，且基本零耗材，零污染，使用和運(yùn)營(yíng)成本極低。羅慶梅等[1]對(duì)變頻電磁防垢的機(jī)理進(jìn)行了解釋?zhuān)ㄟ^(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)變頻電磁防垢裝置的除垢效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)并對(duì)其效果進(jìn)行了評(píng)級(jí)。游秀芬等[2]通過(guò)量子力學(xué)方法研究表明，當(dāng)外磁場(chǎng)與水分子的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率或水流的湍流頻率一致時(shí)，水分子會(huì)吸收磁場(chǎng)能量并促進(jìn)水垢由方解石向文石的轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)磁防垢的目的。該研究為磁化水處理提供了理論基礎(chǔ)，揭示了磁場(chǎng)與水分子相互作用的機(jī)制。劉科[3]通過(guò)對(duì)當(dāng)前電磁防垢技術(shù)的調(diào)研和分析，總結(jié)了電磁防垢技術(shù)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，提出了當(dāng)前變頻電磁技術(shù)中存在的問(wèn)題。本文從電磁防垢阻垢技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其對(duì)水中所含物質(zhì)的影響入手，描述了電磁防垢阻垢的機(jī)理，然后通過(guò)兩組具體的實(shí)際使用數(shù)據(jù)介紹了電磁防垢阻垢的應(yīng)用效果。

1.電磁除垢防垢的發(fā)展過(guò)程及影響

（1）研究現(xiàn)狀。自1945年Vemeriven發(fā)現(xiàn)磁化水能減少鍋爐水垢生成以來(lái)，磁化水處理技術(shù)得到廣泛研究和發(fā)展。20世紀(jì)80年代末至90年代初，我國(guó)的大慶、遼河、勝利等油田對(duì)電磁防垢除垢技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，取得了良好的節(jié)能降耗和減少環(huán)境污染等經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。圖1展示了電磁防垢除垢設(shè)備安裝在管道上運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)。

圖1 除垢設(shè)備的工作示意圖

如圖1所示，電磁防垢阻垢設(shè)備線圈纏繞在管道外壁。在線圈內(nèi)輸入脈沖或方波型電流（電流變化率為2000～24000次/秒）。變化的電流會(huì)引起線圈內(nèi)部的磁通量快速變化，而磁場(chǎng)強(qiáng)度又與電流和線圈的匝數(shù)成正比。在電磁場(chǎng)的誘導(dǎo)下，水中的結(jié)垢離子共振碰撞，使結(jié)垢離子迅速形成粘附力弱、顆粒非常小且不會(huì)繼續(xù)生長(zhǎng)成大于150μm的“渣型”文石和齒形石晶體。懸浮在廢水中的微晶，除了小部分在管道內(nèi)壁上形成厚度小于0.1mm的保護(hù)膜外，大部分留在冷卻循環(huán)水中或待濃縮倍率達(dá)到設(shè)定值時(shí)與廢水一起排放，從而達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)防止水垢形成和抑制水垢形成的目的。

（2）電磁場(chǎng)對(duì)水溶液物理化學(xué)性質(zhì)的影響。電磁場(chǎng)通過(guò)影響水溶液的多種物理化學(xué)性質(zhì)（如pH值、電導(dǎo)率、表面張力、膠體顆粒的電位等）來(lái)直接影響垢物的形成和生長(zhǎng)。研究表明，磁場(chǎng)可使CaSO4·2H2O過(guò)飽和溶液中鈣離子減少，總懸浮固體相應(yīng)增加，電導(dǎo)率降低，并降低溶液的表面張力。而交變電磁場(chǎng)更會(huì)改變離子在水體中的遷移運(yùn)動(dòng)，引起離子在水體中的頻繁碰撞，從而改變水體的物理化學(xué)性質(zhì)。

（3）電磁場(chǎng)對(duì)結(jié)晶過(guò)程及晶形的影響。研究表明，磁場(chǎng)對(duì)于結(jié)垢物質(zhì)的晶體生長(zhǎng)過(guò)程有顯著影響。磁處理后，結(jié)垢表面生成體積較小但數(shù)量較多的晶粒，且晶粒數(shù)量隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增加而增多，但在0.3T以下范圍內(nèi)，晶粒大小隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增加而減小。交變電磁場(chǎng)因改變了水體中結(jié)垢離子的運(yùn)動(dòng)形式，也進(jìn)而改變垢體的微觀結(jié)構(gòu)及其形成機(jī)制。

（4）電磁場(chǎng)作用條件的影響。根據(jù)磁化流體動(dòng)力學(xué)原理，磁化水時(shí)應(yīng)與磁力線方向垂直?，F(xiàn)有的磁處理設(shè)備多為正交式，磁場(chǎng)強(qiáng)度是決定磁化水處理效果的重要參數(shù)，直接影響水中結(jié)晶顆粒大小和成垢速率等。研究表明，在一定范圍內(nèi)，磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，磁化水的效果越好；但增加到一定值后，進(jìn)一步增加對(duì)磁化水的效果沒(méi)有顯著提升。Knez和Polar[4]建議，使用磁處理器時(shí)，最佳流速為1.53m/s，相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到0.6～0.8T。對(duì)于交變電磁場(chǎng)而言，交變頻率是另一項(xiàng)影響除垢防垢效果的重要參數(shù)。

（5）電磁場(chǎng)作用下離子類(lèi)型對(duì)防垢阻垢效果的影響。水體中的不同結(jié)垢離子構(gòu)成會(huì)直接影響其對(duì)電磁場(chǎng)的響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，電磁場(chǎng)主要受到垢物陰離子的影響[5-9]，對(duì)Na+和CO32-的磁化效果比CaCl2更好。但也有研究發(fā)現(xiàn)，富含SO42-的水在磁化水抑垢方面效果較差，因?yàn)榱蛩猁}與電磁場(chǎng)之間作用較小。雜質(zhì)離子如Mg2+、Fe2+和Cu2+等會(huì)對(duì)電磁處理效果產(chǎn)生顯著影響，能夠阻礙方解石晶體的增長(zhǎng)速率，對(duì)文石無(wú)影響。其他雜質(zhì)離子（例如，PO43-和SiO32-）可以影響方解石的結(jié)構(gòu)，而亞硫酸鹽則會(huì)抑制CaCO3的生長(zhǎng)。

（6）電磁場(chǎng)的記憶效應(yīng)。研究表明，經(jīng)過(guò)電磁化處理的水具有“磁記憶”現(xiàn)象，防垢性質(zhì)可以持續(xù)數(shù)分鐘到數(shù)百小時(shí)不等。Barrett和Parsons[5]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，磁化效應(yīng)可持續(xù)60h以上，Coey[6]則證實(shí)了該效應(yīng)可持續(xù)超過(guò)200h。Colic和Morse[7]對(duì)水的磁記憶機(jī)理進(jìn)行專(zhuān)題研究后指出，長(zhǎng)時(shí)間效應(yīng)是由于擾動(dòng)氣-水界面的松弛所致。報(bào)道稱(chēng)，水溶液溫度越高，磁處理效果越好，但記憶效應(yīng)會(huì)受到影響。

2.電磁場(chǎng)對(duì)水體的作用機(jī)理

水體是一個(gè)復(fù)雜且多變的多相體系，這一現(xiàn)象使得對(duì)電磁場(chǎng)水處理機(jī)理的研究難以深入，現(xiàn)有機(jī)理大致可歸為以下四類(lèi)[8-10]。

原子內(nèi)效應(yīng)：即電子構(gòu)象的變化會(huì)對(duì)電磁處理效應(yīng)產(chǎn)生影響。其中存在一些爭(zhēng)議，認(rèn)為這種變化需要極高的能量輸入，不足以解釋“磁記憶”效應(yīng)。

污染物效應(yīng)：通過(guò)電磁場(chǎng)加速腐蝕溶解，利用體系中產(chǎn)生少量污染物的效應(yīng)，以此來(lái)進(jìn)行防垢阻垢。但此方式無(wú)法解釋非浸入式電磁處理器和高純度溶液的結(jié)果。

分子/離子間相互作用效應(yīng)：通過(guò)破壞垢與器壁間的結(jié)合力，提高水滲透性。但該解釋大多為定性的，且不適用于除陽(yáng)離子以外的其他情況。

界面間效應(yīng)：通過(guò)洛倫茲力改變界面處的電勢(shì)及電荷，導(dǎo)致腹層邊界短暫性變化，實(shí)現(xiàn)絮凝和結(jié)晶。這種機(jī)制提供了一個(gè)電位形式的定量化性能參數(shù)，但不能解釋靜態(tài)條件下的絮凝現(xiàn)象。

3.電磁除垢防垢技術(shù)的應(yīng)用

（1）電磁除垢防垢在電熱公司的應(yīng)用效果。某熱電公司循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的水流量為4000t/h。表1是安裝電磁除垢防垢裝置前系統(tǒng)水體的各項(xiàng)水質(zhì)主要指標(biāo)，包括濁度、pH、電導(dǎo)率、鈣硬度、總鐵和總堿度等。

表1 電磁除垢裝置安裝前系統(tǒng)水體的各項(xiàng)指標(biāo)

在電磁防垢阻垢設(shè)備安裝三個(gè)月后，對(duì)水質(zhì)的控制情況、藥劑投加變化情況、系統(tǒng)水體表觀情況，以及系統(tǒng)用冷設(shè)備運(yùn)行情況等進(jìn)行綜合檢測(cè)評(píng)估。

分析數(shù)據(jù)顯示，在不添加任何化學(xué)品的情況下，與安裝前的水質(zhì)相比，總鐵、濁度、堿度、硬度、pH、總堿度和微生物指標(biāo)的實(shí)際水平大多在要求的范圍內(nèi)。然而，總硬度、氯離子和電導(dǎo)率在三個(gè)月內(nèi)增加，總鐵濃度先上升后下降。水保持清澈，只有少量的水補(bǔ)充以平衡蒸發(fā)和滲漏。11月，循環(huán)水的濁度和懸浮物顯著增加，達(dá)到近5的濃度因子，與去年平均總硬度相比，增加了7倍以上。在強(qiáng)化污水排放作業(yè)期間，采取了補(bǔ)救措施，控制了過(guò)度的電導(dǎo)率、濁度和總硬度，使水質(zhì)恢復(fù)到控制范圍。

（2）電磁除垢防垢在腈綸生產(chǎn)企業(yè)的應(yīng)用效果。在某腈綸生產(chǎn)企業(yè)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)回水管上安裝電磁除垢技術(shù)設(shè)備后半年內(nèi)的水體各項(xiàng)參數(shù)變化如表2所示。水體參數(shù)變化情況表明：電磁防垢系統(tǒng)在循環(huán)水系統(tǒng)中表現(xiàn)出良好的運(yùn)行效果，成功解決了之前單純使用化學(xué)防垢抑垢藥劑存在的問(wèn)題。尤其，在10月份完全停藥后，觀察發(fā)現(xiàn)水池內(nèi)壁及填料層也未出現(xiàn)菌藻滋長(zhǎng)。系統(tǒng)在防銹方面的效果顯著。安裝前的腐蝕速率為0.069mm/a，而安裝后120天的腐蝕速率為0.03mm/a。此外，該系統(tǒng)還可以將原先排放的大量RO濃水循環(huán)使用，減少了廢水排放量，每年共計(jì)減少22萬(wàn)立方米，降低了企業(yè)的運(yùn)行成本。

表2 半年的內(nèi)水質(zhì)各種物質(zhì)的參數(shù)變化

4.總結(jié)

電磁除垢防垢是一種不需要額外使用化學(xué)試劑或可大幅度減少化學(xué)藥劑使用量的環(huán)保型除垢防垢方法。它不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害，可以大大降低管路維護(hù)成本和設(shè)備故障率，具有操作簡(jiǎn)單、服務(wù)期限長(zhǎng)、運(yùn)營(yíng)成本較低等優(yōu)點(diǎn)。且通過(guò)調(diào)節(jié)電流的交變頻率，電磁防垢可以適應(yīng)不同的管路材質(zhì)、不同的管道內(nèi)壁情況（如光潔度、粗糙度等）、不同的流體流速和不同的流體溫度，并獲得最佳的電磁防垢效果，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。