電磁除垢防垢技術的現(xiàn)狀、機理與應用

＊劉曉鵬 賈凱 高彥峰 張愷 胡政 張立強

（1.國家能源集團山西電力有限公司 山西 030021 2.沈陽化工大學 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，結垢和積垢問題不明顯。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，水輸送過程中因流速、溫度和壓力等的變化，相應位置管壁極易出現(xiàn)結垢和積垢現(xiàn)象，使得輸送管道的流通面積減小，流體流動阻力上升，系統(tǒng)傳熱冷卻效率降低，最終造成整個發(fā)電機組的背壓升高和能耗增大。類似的問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，除垢和防垢問題已經(jīng)成為制約相關行業(yè)發(fā)展的痛點。

傳統(tǒng)的除垢和防垢方法是機械沖刷與化學藥劑相配合，其短期效果良好，但其除垢過程產(chǎn)生的污水以及循環(huán)過程的高濃縮倍率廢水都會對周邊環(huán)境與水體產(chǎn)生嚴重的污染和危害。此外，化學除垢和防垢還會引起管路腐蝕等問題，進而釀成生產(chǎn)安全事故，造成嚴重的社會經(jīng)濟損失。電磁防垢阻垢屬于物理防垢阻垢方法，可顯著減少化學試劑的使用量，設備操作簡單，服務期長，且基本零耗材，零污染，使用和運營成本極低。羅慶梅等[1]對變頻電磁防垢的機理進行了解釋，通過室內(nèi)試驗對變頻電磁防垢裝置的除垢效果進行了實驗并對其效果進行了評級。游秀芬等[2]通過量子力學方法研究表明，當外磁場與水分子的轉動頻率或水流的湍流頻率一致時，水分子會吸收磁場能量并促進水垢由方解石向文石的轉化，從而實現(xiàn)磁防垢的目的。該研究為磁化水處理提供了理論基礎，揭示了磁場與水分子相互作用的機制。劉科[3]通過對當前電磁防垢技術的調(diào)研和分析，總結了電磁防垢技術的國內(nèi)外現(xiàn)狀，提出了當前變頻電磁技術中存在的問題。本文從電磁防垢阻垢技術的研究現(xiàn)狀及其對水中所含物質(zhì)的影響入手，描述了電磁防垢阻垢的機理，然后通過兩組具體的實際使用數(shù)據(jù)介紹了電磁防垢阻垢的應用效果。

1.電磁除垢防垢的發(fā)展過程及影響

（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，磁化水處理技術得到廣泛研究和發(fā)展。20世紀80年代末至90年代初，我國的大慶、遼河、勝利等油田對電磁防垢除垢技術進行了實驗和應用，取得了良好的節(jié)能降耗和減少環(huán)境污染等經(jīng)濟和社會效益。圖1展示了電磁防垢除垢設備安裝在管道上運行時的狀態(tài)。

圖1 除垢設備的工作示意圖

如圖1所示，電磁防垢阻垢設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）。變化的電流會引起線圈內(nèi)部的磁通量快速變化，而磁場強度又與電流和線圈的匝數(shù)成正比。在電磁場的誘導下，水中的結垢離子共振碰撞，使結垢離子迅速形成粘附力弱、顆粒非常小且不會繼續(xù)生長成大于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的保護膜外，大部分留在冷卻循環(huán)水中或待濃縮倍率達到設定值時與廢水一起排放，從而達到整個系統(tǒng)防止水垢形成和抑制水垢形成的目的。

（2）電磁場對水溶液物理化學性質(zhì)的影響。電磁場通過影響水溶液的多種物理化學性質(zhì)（如pH值、電導率、表面張力、膠體顆粒的電位等）來直接影響垢物的形成和生長。研究表明，磁場可使CaSO4·2H2O過飽和溶液中鈣離子減少，總懸浮固體相應增加，電導率降低，并降低溶液的表面張力。而交變電磁場更會改變離子在水體中的遷移運動，引起離子在水體中的頻繁碰撞，從而改變水體的物理化學性質(zhì)。

（3）電磁場對結晶過程及晶形的影響。研究表明，磁場對于結垢物質(zhì)的晶體生長過程有顯著影響。磁處理后，結垢表面生成體積較小但數(shù)量較多的晶粒，且晶粒數(shù)量隨著磁場強度增加而增多，但在0.3T以下范圍內(nèi)，晶粒大小隨著磁場強度增加而減小。交變電磁場因改變了水體中結垢離子的運動形式，也進而改變垢體的微觀結構及其形成機制。

（4）電磁場作用條件的影響。根據(jù)磁化流體動力學原理，磁化水時應與磁力線方向垂直。現(xiàn)有的磁處理設備多為正交式，磁場強度是決定磁化水處理效果的重要參數(shù)，直接影響水中結晶顆粒大小和成垢速率等。研究表明，在一定范圍內(nèi)，磁場強度越大，磁化水的效果越好；但增加到一定值后，進一步增加對磁化水的效果沒有顯著提升。Knez和Polar[4]建議，使用磁處理器時，最佳流速為1.53m/s，相應的磁場強度應達到0.6～0.8T。對于交變電磁場而言，交變頻率是另一項影響除垢防垢效果的重要參數(shù)。

（5）電磁場作用下離子類型對防垢阻垢效果的影響。水體中的不同結垢離子構成會直接影響其對電磁場的響應。實驗表明，電磁場主要受到垢物陰離子的影響[5-9]，對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，因為硫酸鹽與電磁場之間作用較小。雜質(zhì)離子如Mg2+、Fe2+和Cu2+等會對電磁處理效果產(chǎn)生顯著影響，能夠阻礙方解石晶體的增長速率，對文石無影響。其他雜質(zhì)離子（例如，PO43-和SiO32-）可以影響方解石的結構，而亞硫酸鹽則會抑制CaCO3的生長。

（6）電磁場的記憶效應。研究表明，經(jīng)過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)百小時不等。Barrett和Parsons[5]的實驗結果顯示，磁化效應可持續(xù)60h以上，Coey[6]則證實了該效應可持續(xù)超過200h。Colic和Morse[7]對水的磁記憶機理進行專題研究后指出，長時間效應是由于擾動氣-水界面的松弛所致。報道稱，水溶液溫度越高，磁處理效果越好，但記憶效應會受到影響。

2.電磁場對水體的作用機理

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

原子內(nèi)效應：即電子構象的變化會對電磁處理效應產(chǎn)生影響。其中存在一些爭議，認為這種變化需要極高的能量輸入，不足以解釋“磁記憶”效應。

污染物效應：通過電磁場加速腐蝕溶解，利用體系中產(chǎn)生少量污染物的效應，以此來進行防垢阻垢。但此方式無法解釋非浸入式電磁處理器和高純度溶液的結果。

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

界面間效應：通過洛倫茲力改變界面處的電勢及電荷，導致腹層邊界短暫性變化，實現(xiàn)絮凝和結晶。這種機制提供了一個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.電磁除垢防垢技術的應用

（1）電磁除垢防垢在電熱公司的應用效果。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)水體的各項水質(zhì)主要指標，包括濁度、pH、電導率、鈣硬度、總鐵和總堿度等。

表1 電磁除垢裝置安裝前系統(tǒng)水體的各項指標

在電磁防垢阻垢設備安裝三個月后，對水質(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)用冷設備運行情況等進行綜合檢測評估。

分析數(shù)據(jù)顯示，在不添加任何化學品的情況下，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的實際水平大多在要求的范圍內(nèi)。然而，總硬度、氯離子和電導率在三個月內(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。在強化污水排放作業(yè)期間，采取了補救措施，控制了過度的電導率、濁度和總硬度，使水質(zhì)恢復到控制范圍。

（2）電磁除垢防垢在腈綸生產(chǎn)企業(yè)的應用效果。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設備后半年內(nèi)的水體各項參數(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)出良好的運行效果，成功解決了之前單純使用化學防垢抑垢藥劑存在的問題。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。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，每年共計減少22萬立方米，降低了企業(yè)的運行成本。

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

4.總結

電磁除垢防垢是一種不需要額外使用化學試劑或可大幅度減少化學藥劑使用量的環(huán)保型除垢防垢方法。它不會對環(huán)境產(chǎn)生危害，可以大大降低管路維護成本和設備故障率，具有操作簡單、服務期限長、運營成本較低等優(yōu)點。且通過調(diào)節(jié)電流的交變頻率，電磁防垢可以適應不同的管路材質(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，具有廣闊的市場應用前景。