磁化除防垢技術在選礦廠管路上的應用展望

毛欣鈺， 王宇斌， 衛亞儒， 王望泊， 李淑芹

(1.西安建筑科技大學 資源工程學院，陜西 西安 710055)(2.西北有色地質礦業集團有限公司，陜西 西安710054)(3.西安西北有色地質研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引 言

硫化礦浮選和貴金屬浸出生產中，使用石灰乳等富含鈣離子的動態水，易導致礦漿管路、冷卻水管路及鍋爐等各類輔助設備結垢[1-3]，引起管壁腐蝕和管道堵塞[4]，進而影響礦物的選別過程、選礦廠的安全運行和經濟效益[5-6]。如國內水口山鉛鋅礦選廠采用高堿細磨優先浮選工藝，導致在鋅尾礦濃密機溢流水管道中以及通向選硫車間的管道中結垢嚴重，嚴重影響生產[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，管道在長時間作用下其內壁結有厚厚的泥垢，導致內孔徑逐漸變小，水量驟減，電耗增加[8]。此外，磁選廠中循環水系統的供水管道和強磁選機齒板都存在不同程度的結垢現象。為保證選礦廠生產的順利進行，并實現節能環保、指標穩定的目標，探索高效的除垢工藝顯得日益重要[9-10]。常規的化學和物理除垢法存在投資成本高、處理費用大、需處理二次污染物等問題。新型磁化除垢工藝，可對含鈣鎂離子較高的工業用水實現除垢處理，且無化學藥劑的二次污染，適用范圍廣[11-12]。文章介紹了除防垢技術的發展現狀、存在問題，展望了利用磁化技術去除選礦廠管路垢體的應用前景。

1 管路常見除垢技術簡介

目前常用的除垢技術有化學除垢和物理除垢兩種[13-15]。其中化學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械除垢、超聲波除垢、電化學除垢和磁化除垢等。不同除垢技術的原理及優缺點對比[16-25]見表1。

表1 化學、物理除垢技術對比

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

2 磁化除垢防垢技術研究進展

磁化法除防垢的原理是當水溶液流過強磁場的凈化設備時，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原來的運動方向，而向相反方向偏離，從而失去反應生成垢體的條件。磁化除防垢技術不僅具有可在線連續工作、不干擾正常生產、環保水平高、運行成本低等優點，也避免了成本浪費、環境污染和操作復雜等問題[26-27]。為了有效解決結垢問題，新型高效的磁化除(防)垢技術逐漸受到研究者的重視[28]。

2.1 磁化除垢技術研究進展

目前磁化除垢理論方面的研究主要集中在磁場性質對除垢效果的影響。王斌等[29]利用掃頻磁場處理水中的樣品，并對其結垢情況進行分析研究發現掃頻磁場對含原油的污水水垢有較強的除垢作用。姜德寧等[30]利用麥克斯韋方程和邊界條件計算了交變磁場在水管中的場分布，并研究了水的溫度和硬度等參數與結垢量的關系，認為當水的硬度小于700 mg/L時，不同的管徑對應的結垢磁感應強度閾值相近，而功率閾值不同。王宇斌等[31]進一步優化了磁化除垢的條件，提出在磁化時間為0.5 h、電流頻率為0.6 kHz、線圈匝數為100圈、C0(Ca2+)為1 000 mg/L、波形為方波時磁化除垢的效果最好。

Clifford Y.Tai等[32]則采用不同強度的永磁體研究磁場對懸浮在流化床中方解石晶體生長的影響，發現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變。Shahryari A等[33]在試驗室研究了磁流體動力學效應對磁處理裝置除垢效率的影響，發現當冷卻水流速為0.5 m/s時，換熱器中的污垢阻力降低了76.3%。若水流速度增大則會導致調制磁場的阻垢效率降低，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%。

其他研究者則對新型磁化除垢設備的設計及其除垢效果比較關注。徐耀良等[34]通過研究電廠中應用新型凝汽器除垢裝置的效果，分析其作用原理并與常規除垢方法進行比較，發現其具有良好的除垢效果，還能起到節能減排的作用。李楊等[35]通過對永磁除垢器的磁場進行有限元分析和設計，從而實現了對除垢器的單點進行測試，也強化了磁場的整體分析性和磁場可視化。費繼友等[36]提出了STM32F103變頻水磁化處理系統的試驗設計方案，提高了水處理設備除垢能力和環境適應性，使設備的阻垢率達到了78%，除垢率也達到了61%。侯宏錄等[37]針對管道結垢引起的設備腐蝕問題，提出了一種由可變頻方波信號控制的電磁除垢電路解決新方案。王金燕等[38]設計了一套針對輸油管道的模擬電磁波除垢設備，以模擬不同線圈匝數以及不同頻段下電磁波除垢效果試驗，并將除垢條件優化為：線圈匝數25圈、電磁波頻段為14～16 kHz。

2.2 磁化防垢技術研究進展

利用磁化水防垢的研究始于1945年，比利時的T.Vermeiren提出將磁化水應用于鍋爐管路的防垢處理并申請了相關專利，以此為基礎，國內外眾多學者對此進行了深入研究，并取得了一定共識。

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]認為磁場能影響碳酸鈣的結晶過程，但對硫酸鈣的結晶過程影響較小。張寶銘[40]也認為磁處理對含SO42-溶液的除垢效果不佳。當水中含有SO42-時，磁化抑垢效果被破壞，一般來說含有SO42-的水，不要使用磁化處理抑垢。謝綺芬[41]認為由于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)，宜設計磁感應強度較高，綜合磁參數較大的磁水器。林藝輝[42]借助析晶動力學監測系統，研究了一定強度磁場對碳酸鈣過飽和溶液的析晶過程的影響。定量的、可重復的數據表明：在一定的Ca2+和CO32-濃度范圍內，磁場對碳酸鈣晶體的生長析出具有明顯的抑制作用。對不同溶液進行磁處理的試驗結果顯示，磁場阻垢既通過成垢陽離子Ca2+起作用，也通過成垢陰離子CO32-起作用。

磁處理的效果與溶液pH值緊密相關。那景麗[43]等發現磁處理的抑垢率隨著堿度的增加而增加，當水中堿度大于8 mmo1/L時，磁化水的抑垢效果較好。柴天禹[44]認為pH值對磁化處理CaSO4垢體不敏感，對CaCO3垢體的影響則較為明顯。張寶銘[40]則發現在某地試用磁化處理設備過程中的除垢效果不佳，認為pH值在8附近為宜，pH值過低或過高，磁處理效果均不理想。

磁化可明顯改變溶液性質。如楊明等人[45]發現磁化前后蒸餾水、自來水和焦化廢水的電導率等性質在磁化時呈現明顯的周期性變化，且變化情況與磁場強度和磁化時間有關。其他研究人員[46-47]進一步認為磁化阻垢機理主要集中在磁場能改變成垢晶體的結晶速度、晶粒大小及晶體的晶型等。

國內外眾多學者針對磁化防垢的機制展開了較為詳細的研究。劉振法等[48]研究了稀土永磁材料與聚天冬氨酸的協同阻垢機理，他們針對磁場強度、溫度、水質硬度和藥劑用量下阻垢效果展開了試驗。Nelson Saksono等[49]圍繞磁場的離子機制和粒子機制對碳酸鈣沉淀的影響進行了討論，并發現在磁化過程中粒子機制可降低溶液中鈣離子的濃度，而離子機制則降低了磁化分離過程中CaCO3晶體的形成。Chang M C等[50]在磁場作用下采用流化床結晶器對碳酸鈣的多晶型文石進行了一系列生長試驗。研究表明：文石晶體在較低的酸堿度環境中生長較快，而方解石幾乎不會生長，并且高水平的過飽和度和不統一的活性比有利于文石生長。

在此基礎上，有學者針對磁化防垢在實際應用方面也進行了探索，如王建國等[51]設計了動態電磁試驗裝置，在給定試驗條件下進行了磁化防垢試驗，通過理論分析確定了抑制碳酸鈣結晶的磁場強度最優值為0.02 T。國外的Deng A H 等[52]研究了最大磁通密度為4.1 T可調恒磁場對硬水在無雜質離子時碳酸鈣沉淀過程的影響。結果表明：磁場通過影響溶液中離子的水化過程來改變水化CaCO3作為晶核前驅體的脫水過程，進而改變了水團的結構，從而影響了CaCO3的沉淀過程。

2.3 磁化除(防)垢研究存在的問題

關于磁化除垢的研究雖然取得了較大進展，但也存在如下問題有待解決：

研究的試驗方法比較單一，導致已有研究對磁化設備參數影響規律認識不足，參數控制也不夠精確。已有磁化除垢研究中多采用單因素試驗方法，而在試驗室試驗和工業應用中，由于交變磁場除垢的過程中影響磁化處理效果的因素較多，單因素試驗難以揭示不同因素對磁化處理效果的影響規律，尤其是關于不同作用因素之間的交互作用對磁化除垢效果研究較少，也就難以組合最優的除垢條件，也易造成其磁化除垢效果不夠穩定，在工業應用中的除垢效果差強人意。

磁化除垢效果適應性差。由于不同行業的生產工藝、水質不同，工藝參數比如溫度、液體運動狀態等都存在很大不同，這也使得不同行業的管路垢體多樣化。常見的垢體除了碳酸鈣和硫酸鈣等無機鹽垢，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律不盡相同，這就導致不同行業的磁化除垢設備及參數也應根據影響磁化除垢效果的因素和實際垢體來進行研究和設計，但是目前的磁化除垢設備磁場特點比較單一，因此，如何研究并設計針對性強的磁化除垢設備也是一個迫在眉睫的難題。

磁化除垢機理研究有待深入。盡管眾多學者針對磁化除垢機理進行了大量研究，也取得了不少成果。但是這些研究均沒有綜合考慮不同磁場方向、磁場與藥劑耦合作用等對除垢效果的影響，這導致他們的研究結果差異較大，甚至研究獲得的磁化除垢機理也難于統一。故有關磁化除垢的研究成果能否應用于選礦廠礦漿管路也有待驗證。

3 結 論

解決選礦廠管路結垢問題采用的物理化學除垢工藝存在投資成本高、處理費用大、清洗困難和需處理二次污染物等問題。新型高效的磁化除防垢技術不僅具有可在線連續工作等優點，也可避免操作復雜等問題，并已初步應用于鍋爐和冷卻水等系統管路的阻垢處理。雖然磁化除防垢技術在選礦廠礦漿管路除垢過程中有很好的應用前景，但該技術在實際應用中也存在著磁化除垢效果對不同種類管路適應性差、磁化設備參數不精確及其影響規律不明確、磁化除垢機理認識不夠深入等問題，而針對性強的高效磁化除垢設備的研發也應受到重視。