电磁除垢防垢技术的现状、机理与应用

＊刘晓鹏 贾凯 高彦峰 张恺 胡政 张立强

（1.国家能源集团山西电力有限公司 山西 030021 2.沈阳化工大学 辽宁 110142）

火力发电厂的核心循环冷却系统都采用除盐水，结垢和积垢问题不明显。但一些外围循环冷却系统（譬如尖峰冷却系统等），采用开式循环，并使用城市中水甚至地下水作为工作用水。由于水体的硬度较高，水输送过程中因流速、温度和压力等的变化，相应位置管壁极易出现结垢和积垢现象，使得输送管道的流通面积减小，流体流动阻力上升，系统传热冷却效率降低，最终造成整个发电机组的背压升高和能耗增大。类似的问题也存在于其他行业，譬如化工、造纸和部分制造行业等，除垢和防垢问题已经成为制约相关行业发展的痛点。

传统的除垢和防垢方法是机械冲刷与化学药剂相配合，其短期效果良好，但其除垢过程产生的污水以及循环过程的高浓缩倍率废水都会对周边环境与水体产生严重的污染和危害。此外，化学除垢和防垢还会引起管路腐蚀等问题，进而酿成生产安全事故，造成严重的社会经济损失。电磁防垢阻垢属于物理防垢阻垢方法，可显著减少化学试剂的使用量，设备操作简单，服务期长，且基本零耗材，零污染，使用和运营成本极低。罗庆梅等[1]对变频电磁防垢的机理进行了解释，通过室内试验对变频电磁防垢装置的除垢效果进行了实验并对其效果进行了评级。游秀芬等[2]通过量子力学方法研究表明，当外磁场与水分子的转动频率或水流的湍流频率一致时，水分子会吸收磁场能量并促进水垢由方解石向文石的转化，从而实现磁防垢的目的。该研究为磁化水处理提供了理论基础，揭示了磁场与水分子相互作用的机制。刘科[3]通过对当前电磁防垢技术的调研和分析，总结了电磁防垢技术的国内外现状，提出了当前变频电磁技术中存在的问题。本文从电磁防垢阻垢技术的研究现状及其对水中所含物质的影响入手，描述了电磁防垢阻垢的机理，然后通过两组具体的实际使用数据介绍了电磁防垢阻垢的应用效果。

1.电磁除垢防垢的发展过程及影响

（1）研究现状。自1945年Vemeriven发现磁化水能减少锅炉水垢生成以来，磁化水处理技术得到广泛研究和发展。20世纪80年代末至90年代初，我国的大庆、辽河、胜利等油田对电磁防垢除垢技术进行了实验和应用，取得了良好的节能降耗和减少环境污染等经济和社会效益。图1展示了电磁防垢除垢设备安装在管道上运行时的状态。

图1 除垢设备的工作示意图

如图1所示，电磁防垢阻垢设备线圈缠绕在管道外壁。在线圈内输入脉冲或方波型电流（电流变化率为2000～24000次/秒）。变化的电流会引起线圈内部的磁通量快速变化，而磁场强度又与电流和线圈的匝数成正比。在电磁场的诱导下，水中的结垢离子共振碰撞，使结垢离子迅速形成粘附力弱、颗粒非常小且不会继续生长成大于150μm的“渣型”文石和齿形石晶体。悬浮在废水中的微晶，除了小部分在管道内壁上形成厚度小于0.1mm的保护膜外，大部分留在冷却循环水中或待浓缩倍率达到设定值时与废水一起排放，从而达到整个系统防止水垢形成和抑制水垢形成的目的。

（2）电磁场对水溶液物理化学性质的影响。电磁场通过影响水溶液的多种物理化学性质（如pH值、电导率、表面张力、胶体颗粒的电位等）来直接影响垢物的形成和生长。研究表明，磁场可使CaSO4·2H2O过饱和溶液中钙离子减少，总悬浮固体相应增加，电导率降低，并降低溶液的表面张力。而交变电磁场更会改变离子在水体中的迁移运动，引起离子在水体中的频繁碰撞，从而改变水体的物理化学性质。

（3）电磁场对结晶过程及晶形的影响。研究表明，磁场对于结垢物质的晶体生长过程有显著影响。磁处理后，结垢表面生成体积较小但数量较多的晶粒，且晶粒数量随着磁场强度增加而增多，但在0.3T以下范围内，晶粒大小随着磁场强度增加而减小。交变电磁场因改变了水体中结垢离子的运动形式，也进而改变垢体的微观结构及其形成机制。

（4）电磁场作用条件的影响。根据磁化流体动力学原理，磁化水时应与磁力线方向垂直。现有的磁处理设备多为正交式，磁场强度是决定磁化水处理效果的重要参数，直接影响水中结晶颗粒大小和成垢速率等。研究表明，在一定范围内，磁场强度越大，磁化水的效果越好；但增加到一定值后，进一步增加对磁化水的效果没有显著提升。Knez和Polar[4]建议，使用磁处理器时，最佳流速为1.53m/s，相应的磁场强度应达到0.6～0.8T。对于交变电磁场而言，交变频率是另一项影响除垢防垢效果的重要参数。

（5）电磁场作用下离子类型对防垢阻垢效果的影响。水体中的不同结垢离子构成会直接影响其对电磁场的响应。实验表明，电磁场主要受到垢物阴离子的影响[5-9]，对Na+和CO32-的磁化效果比CaCl2更好。但也有研究发现，富含SO42-的水在磁化水抑垢方面效果较差，因为硫酸盐与电磁场之间作用较小。杂质离子如Mg2+、Fe2+和Cu2+等会对电磁处理效果产生显著影响，能够阻碍方解石晶体的增长速率，对文石无影响。其他杂质离子（例如，PO43-和SiO32-）可以影响方解石的结构，而亚硫酸盐则会抑制CaCO3的生长。

（6）电磁场的记忆效应。研究表明，经过电磁化处理的水具有“磁记忆”现象，防垢性质可以持续数分钟到数百小时不等。Barrett和Parsons[5]的实验结果显示，磁化效应可持续60h以上，Coey[6]则证实了该效应可持续超过200h。Colic和Morse[7]对水的磁记忆机理进行专题研究后指出，长时间效应是由于扰动气-水界面的松弛所致。报道称，水溶液温度越高，磁处理效果越好，但记忆效应会受到影响。

2.电磁场对水体的作用机理

水体是一个复杂且多变的多相体系，这一现象使得对电磁场水处理机理的研究难以深入，现有机理大致可归为以下四类[8-10]。

原子内效应：即电子构象的变化会对电磁处理效应产生影响。其中存在一些争议，认为这种变化需要极高的能量输入，不足以解释“磁记忆”效应。

污染物效应：通过电磁场加速腐蚀溶解，利用体系中产生少量污染物的效应，以此来进行防垢阻垢。但此方式无法解释非浸入式电磁处理器和高纯度溶液的结果。

分子/离子间相互作用效应：通过破坏垢与器壁间的结合力，提高水渗透性。但该解释大多为定性的，且不适用于除阳离子以外的其他情况。

界面间效应：通过洛伦兹力改变界面处的电势及电荷，导致腹层边界短暂性变化，实现絮凝和结晶。这种机制提供了一个电位形式的定量化性能参数，但不能解释静态条件下的絮凝现象。

3.电磁除垢防垢技术的应用

（1）电磁除垢防垢在电热公司的应用效果。某热电公司循环冷却水系统的水流量为4000t/h。表1是安装电磁除垢防垢装置前系统水体的各项水质主要指标，包括浊度、pH、电导率、钙硬度、总铁和总碱度等。

表1 电磁除垢装置安装前系统水体的各项指标

在电磁防垢阻垢设备安装三个月后，对水质的控制情况、药剂投加变化情况、系统水体表观情况，以及系统用冷设备运行情况等进行综合检测评估。

分析数据显示，在不添加任何化学品的情况下，与安装前的水质相比，总铁、浊度、碱度、硬度、pH、总碱度和微生物指标的实际水平大多在要求的范围内。然而，总硬度、氯离子和电导率在三个月内增加，总铁浓度先上升后下降。水保持清澈，只有少量的水补充以平衡蒸发和渗漏。11月，循环水的浊度和悬浮物显著增加，达到近5的浓度因子，与去年平均总硬度相比，增加了7倍以上。在强化污水排放作业期间，采取了补救措施，控制了过度的电导率、浊度和总硬度，使水质恢复到控制范围。

（2）电磁除垢防垢在腈纶生产企业的应用效果。在某腈纶生产企业的循环冷却水系统回水管上安装电磁除垢技术设备后半年内的水体各项参数变化如表2所示。水体参数变化情况表明：电磁防垢系统在循环水系统中表现出良好的运行效果，成功解决了之前单纯使用化学防垢抑垢药剂存在的问题。尤其，在10月份完全停药后，观察发现水池内壁及填料层也未出现菌藻滋长。系统在防锈方面的效果显著。安装前的腐蚀速率为0.069mm/a，而安装后120天的腐蚀速率为0.03mm/a。此外，该系统还可以将原先排放的大量RO浓水循环使用，减少了废水排放量，每年共计减少22万立方米，降低了企业的运行成本。

表2 半年的内水质各种物质的参数变化

4.总结

电磁除垢防垢是一种不需要额外使用化学试剂或可大幅度减少化学药剂使用量的环保型除垢防垢方法。它不会对环境产生危害，可以大大降低管路维护成本和设备故障率，具有操作简单、服务期限长、运营成本较低等优点。且通过调节电流的交变频率，电磁防垢可以适应不同的管路材质、不同的管道内壁情况（如光洁度、粗糙度等）、不同的流体流速和不同的流体温度，并获得最佳的电磁防垢效果，具有广阔的市场应用前景。