換熱設(shè)備結(jié)垢機(jī)理與電磁除垢技術(shù)應(yīng)用分析

段強(qiáng)強(qiáng)　毛東旭　吳倩倩　李志浩　白玉成　來永斌

摘要：換熱設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)過程中扮演著重要的角色，但是結(jié)垢問題一直是無法避免的問題。文章從換熱設(shè)備的結(jié)垢機(jī)理入手，論述了常見水垢的分類以及形成機(jī)理，總結(jié)了生產(chǎn)實(shí)際過程中常見的水垢清理方法，最后闡述了電磁除垢技術(shù)的基本原理與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用，為電磁除垢技術(shù)在換熱設(shè)備的運(yùn)用提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：換熱設(shè)備；結(jié)垢機(jī)理；水垢清理；電磁除垢；工業(yè)生產(chǎn) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TQ051 文章編號(hào)：1009-2374（2016）08-0043-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.08.023

1 概述

換熱設(shè)備（加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器、冷凝器等）在煉油、化工、制藥、輕工、機(jī)械、食品加工、動(dòng)力以及原子能工業(yè)部門等工業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要的角色。但是換熱設(shè)備若長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)工作，因介質(zhì)的腐蝕原因、沖蝕原因、積垢原因、結(jié)焦原因，將會(huì)使管子內(nèi)部以及外部表面出現(xiàn)不同程度上的結(jié)垢現(xiàn)象，對(duì)換熱設(shè)備性能產(chǎn)生不利的影響，嚴(yán)重的甚至?xí)斐蓳Q熱設(shè)備堵塞現(xiàn)象。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，換熱設(shè)備受熱面如果結(jié)有1mm的水垢，就會(huì)使煤的消耗增加1.5%～2%，換熱效率降低10%～20%。另外，由于受熱面上結(jié)有水垢，還會(huì)使金屬管壁發(fā)生局部過熱。當(dāng)壁溫超過其工作的極限溫度時(shí)，會(huì)使管子產(chǎn)生鼓包現(xiàn)象，嚴(yán)重的會(huì)引起鍋爐爆管事故，使人身、財(cái)產(chǎn)安全受到嚴(yán)重的威脅。因此，明確換熱設(shè)備結(jié)垢的原因，采用合理的措施處理和預(yù)防結(jié)垢，對(duì)換熱設(shè)備的安全生產(chǎn)與資源的高效利用都有著重要的意義。

2 結(jié)垢機(jī)理分析

2.1 水垢的分類

水垢按其主要化學(xué)成分可分為鈣鎂水垢、硅垢、磷酸鹽垢、銅垢、鐵垢等。對(duì)于常見換熱設(shè)備來說，可以按照結(jié)垢機(jī)理的差異，將相關(guān)水垢劃分成以下四種類別：（1）析晶結(jié)垢。過飽和的溶液中，溶解的無機(jī)鹽結(jié)晶而形成的水垢；（2）化學(xué)結(jié)垢。由于流過的液體與換熱設(shè)備產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而形成的水垢；（3）微粒型結(jié)垢。溶液中由于懸浮的固體顆粒如砂粒、灰塵、炭黑，在換熱面上的聚集而形成的污垢；（4）腐蝕型結(jié)垢。由于溶液中本身具有腐蝕性或流過液體的腐蝕性而對(duì)容器產(chǎn)生腐蝕形成的水垢。以上分類只是表明單個(gè)過程致使水垢的形成，然而結(jié)垢往往是多種過程共同作用的結(jié)果，并且相互影響，換熱設(shè)備上的實(shí)際污垢中，常常是多種污垢混合在一起的。

2.2 水垢的形成機(jī)理

在硬質(zhì)水環(huán)境中，水垢的形成與水的飽和指數(shù)有關(guān)，在水的飽和指數(shù)以下或者剛好達(dá)到水的飽和指數(shù)，水垢就不會(huì)形成。如果超過水的飽和系數(shù)，水垢就容易形成。有關(guān)研究表明，常見的水垢主要有顆粒狀水垢、碳酸鹽水垢、硫酸鹽水垢、氫氧化物水垢、磷酸鹽水|

垢等。

在常溫或者比較低的溫度條件下，隨著不溶性鹽的逐漸生成，聚集于管道內(nèi)，從而形成水垢。

3 常見的水垢清理方法

在多年的生產(chǎn)實(shí)際中，人們針對(duì)水垢的形成原理進(jìn)行了比較深入的研究，得出了很多水垢的清理方法，按其工作原理大體可分為機(jī)械清洗法、化學(xué)清洗法、物理清洗法、生物清洗法等。

3.1 機(jī)械清洗法

常規(guī)的機(jī)械清洗法主要是提供一種比污垢黏附力更強(qiáng)的力有效去除附著的相關(guān)污垢。一般情況下，該種清洗方法能夠除去采用化學(xué)方法不可以有效除掉的硬質(zhì)垢、碳化污垢。從機(jī)械清洗方法分類上來看，主要包括以下兩個(gè)方面：（1）第一類屬于強(qiáng)力清洗。具體來說，強(qiáng)力清洗法主要是借助高壓噴射裝置把介質(zhì)通過極高沖擊壓力有效噴入到換熱器殼側(cè)以及管側(cè)，從而起到較強(qiáng)的除垢作用。現(xiàn)階段，常見強(qiáng)力清洗方法包括噴丸清洗方法、高壓水射流方法、噴氣清洗方法、噴砂清洗方法、強(qiáng)力清管器方法等。（2）第二類屬于軟機(jī)械清洗。該清洗方法主要是依靠插入物的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，與管子內(nèi)部的表面充分接觸，最終實(shí)現(xiàn)除污垢效果。比較常見的方法包括旋轉(zhuǎn)螺旋線清洗法、液固流態(tài)化清洗法、旋轉(zhuǎn)紐帶清洗法、螺旋彈簧振動(dòng)清洗法、海綿膠球的在線清洗方法。其清洗期間的插入物在型式上是多種多樣的，例如海綿膠球法主要是把直徑稍大于管子內(nèi)徑的海綿球有效擠入到管內(nèi)進(jìn)行除垢操作，也可以利用鋼絲刷進(jìn)行清洗硬度相對(duì)較低的污垢物。

3.2 化學(xué)清洗法

常見的化學(xué)清洗主要是借助化學(xué)清洗液，產(chǎn)生相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，從而溶解換熱器中水垢以及其他形式的沉積物，最終使其脫落或者是剝離。

3.3 物理清洗法

物理清洗法主要是指利用各種機(jī)械外力以及能量等粉碎污垢，使其與物體表面剝離，最終達(dá)到清洗效果。從常見清洗方法上來看，包括超聲波除垢方法、PIG清管技術(shù)方法、電磁除垢方法等。比如，超聲波除垢一般是借助超聲波特有的空化效應(yīng)、抑制效應(yīng)、活化效應(yīng)等進(jìn)行除垢。

3.4 微生物清洗法

微生物清洗法的清洗機(jī)制是借助微生物內(nèi)細(xì)胞產(chǎn)生的催化洗滌劑將清洗對(duì)象表面污物進(jìn)行分解，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為無毒以及無害水溶物質(zhì)。該清洗法所用的清洗劑稱為微生物催化洗滌劑（酶），可以把污染物以及有機(jī)物實(shí)施徹底分解，屬于環(huán)保型的清洗方法。

以上所述的清洗方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)與適用范圍，但是從節(jié)能高效的角度來看，在物理方法中的電磁處理法因其投資小，集防垢、除垢、殺菌等功能于一體的清理方法而受到廣泛的關(guān)注。

4 電磁除垢技術(shù)

4.1 電磁除垢技術(shù)的基本原理

眾所周知，水是由一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子組成的，通常水中80%的水分子是由氫鍵締合成水分子團(tuán)的形式，這種水分子團(tuán)對(duì)碳酸鈣（水垢）的溶解程度較低，使水垢很容易析出。變頻共振就是向水中施加一個(gè)與其自然頻率相同的頻率，從而引起水分子產(chǎn)生共振，共振的結(jié)果，使氫鍵斷開，使水分子團(tuán)變成單個(gè)的極性水分子，因而提高了水的活化性和對(duì)水垢的溶解度，極微小的水分子可以滲透、包圍、疏松、溶解、去除熱水器、鍋爐等熱交換系統(tǒng)內(nèi)的老垢。同時(shí)，浮在水中的鈣離子和碳酸根離子相互碰撞，形成特殊的文石碳酸鈣體，其表面無電荷，因此不能再吸附在管道上，從而達(dá)到除垢、防垢的目的。

4.2 電磁除垢技術(shù)的研究與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

截至目前，國(guó)內(nèi)外的眾多專家、學(xué)者對(duì)電磁除垢技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究。武漢大學(xué)的王洋等利用自行設(shè)計(jì)的高頻電磁水處理器外加電子顯微鏡與核磁共振技術(shù)，驗(yàn)證了經(jīng)過電磁水處理器處理過的水，其分子團(tuán)減小，活性增加，水的結(jié)垢現(xiàn)象將大大降低。北京工業(yè)大學(xué)的陳金輝等在自行設(shè)計(jì)建立的電磁抗垢、減垢實(shí)驗(yàn)裝置上，對(duì)冷態(tài)工況下低頻電磁抗垢、減垢技術(shù)機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低頻電磁能使污垢晶體的結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化并有抑制污垢晶體尺寸長(zhǎng)大的作用。從污垢晶體本身入手，通過實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證了電磁除垢技術(shù)在除垢、抑垢的作用。另外，電磁除垢技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)也有著較廣泛的應(yīng)用，并且取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

位于勝利油田的河采油廠某計(jì)量站，油流量為400

方/日，操作溫度為50℃～70℃，管道內(nèi)壁的結(jié)垢現(xiàn)象一直以來是非常嚴(yán)重的問題，平均來說每隔3～5個(gè)月就要對(duì)管道安排一次清垢處理。管道結(jié)垢現(xiàn)象不僅給正常生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的影響，處理后的污水對(duì)環(huán)境也造成了嚴(yán)重的污染。鑒于此，2010年4月該公司引進(jìn)了電磁防除垢裝置。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，管道內(nèi)壁的結(jié)垢層自安裝一年后從原來的5～8mm減少到1～2mm，并且水垢的清洗難度大大降低，為水垢的后續(xù)清洗也帶來了極大的便利。并且，該裝置的運(yùn)行功率為120W，只要接通220V電壓就能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，操作比較簡(jiǎn)單。

江蘇油田某鍋爐房常年在役使用，雖然已經(jīng)通過加藥劑的方法對(duì)水質(zhì)做了軟化處理，但是鍋爐內(nèi)的結(jié)垢現(xiàn)象仍然比較嚴(yán)重，水垢的厚度曾普遍達(dá)到2mm以上，鍋爐的安全生產(chǎn)存在著嚴(yán)重的威脅。在鍋爐上安裝電磁防除垢裝置工作四個(gè)月后，發(fā)現(xiàn)鍋爐內(nèi)的水垢平均厚度減少到0.52mm，并且水垢質(zhì)地蓬松變軟、厚度減小，與傳統(tǒng)的處理方法（主要是加除垢劑與防垢劑）相比較，大大降低了操作成本。據(jù)不完全估計(jì)，安裝電磁防除垢裝置可使鍋爐節(jié)煤105t/a，大大節(jié)省了能源的消耗。

5 結(jié)語

電磁除垢技術(shù)因具有投資小，操作相對(duì)簡(jiǎn)單，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，集防垢、除垢、殺菌等多種功能于一體等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注，但是電磁除垢技術(shù)的理論研究還主要局限于實(shí)驗(yàn)研究與假設(shè)論證階段，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用也暫時(shí)局限在比較小的領(lǐng)域，對(duì)于大范圍的長(zhǎng)輸天然氣、石油等管道仍沒有得到大范圍的運(yùn)用。隨著計(jì)算機(jī)模擬以及對(duì)分子動(dòng)力學(xué)研究的不斷深入，電磁除垢技術(shù)將有更加廣闊的研究前景與意義。

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基金項(xiàng)目：2014年地方高校國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（AH201410361159），2013年度安徽理工大學(xué)重大教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2013zdxm28）。

（責(zé)任編輯：蔣建華）