復合交變電磁波技術處理循環冷卻水的研究與應用

徐相旺

（漢德森工業裝備（北京）有限公司，北京 100010）

循環冷卻水是工業生產過程中必不可少的冷媒介質。由于水中含有各種鹽類，在循環使用的過程中，鹽類物質飽和后析出，附著在熱交換設備和管道的表面，造成設備結垢、腐蝕、滋生微生物細菌和藻類等問題，影響換熱效率，導致裝置產能降低、能源消耗增加、資源浪費。

為解決循環水存在的問題，傳統的處理方式是向水中添加各類化學藥劑。隨著國家環保要求的提高，不理想的循環冷卻水處理效果和化學污染給企業造成沉重負擔。盡管企業通過中水回用、污水回用等方式降低循環冷卻水補水量，但未從根本上解決循環冷卻水的結垢、腐蝕、滋生細菌和藻類，以及化學污染排污等問題。

2020年12月31 日國家發改委、科技部、工業和信息化部、自然資源部等四部委聯合發布了《綠色技術推廣目錄（2020年）》的通知，其中第二項：“清潔生產產業”第17條“利用復合交變脈沖的電磁波循環冷卻水處理技術”被列為了推薦的物理法循環水處理技術。

1 利用復合交變電磁波處理循環冷卻水的原理

電磁波是互相垂直的電場與磁場在空間中衍生發射的振蕩粒子波。復合交變電磁波是隨時間變化的多個不同頻率電場和磁場。

復合交變電磁波處理工業冷卻循環水是將電磁波的特性作用于循環水，因水分子是抗磁性的，能夠受到外部磁場的作用但是不能夠維持磁力，故水分子受到洛侖茲力的影響，使偶極的取向發生變化，氫鍵發生畸變，由大分子團變成多個小分子團，同時，存在于水中的水合離子也受到洛侖茲力影響，作螺旋式的圓周運動，且正、負離子旋轉方向相反，水分子的偶極子極性增強，增加了水對鹽的溶解度，pH值上升。偶極子的負極與水中的Ca2+、Mg2+等陽離子親和，偶極子的正極與水中的CO32-等陰離子親和，大量的正負偶極子分別包圍著Ca2+、Mg2+、CO32-離子，形成微小、針狀、松散的輕質文石晶體結構。隨著循環水的流動，輕質文石晶體被水流帶走，進入到循環水池后由于流速的降低沉積到循環水池池底，或者是通過旁路過濾器進行過濾，有效阻止了方解石結構的CaCO3在換熱表面的形成，達到阻垢目的。同時，這些小分子團的水具有更強的滲透能力，更容易滲入水垢與容器壁的間隙，使垢層松散，溫度變化時，設備表面與垢層之間產生應力，在水的沖擊下垢層破裂脫落。

2 驗證實驗及結果

2.1 驗證實驗

為驗證其阻垢效果，利用模擬循環冷卻水系統在不加任何藥劑的情況下對循環水進行循環處理。將電磁波發生器串聯安裝在模擬循環冷卻水系統中，在相同的工藝運行情況下，開啟電磁波發生器對循環水進行處理。其中模擬換熱器內安裝了4根換熱管，分別編號1-4號。并在模擬換熱器兩端安裝有流量計、溫度傳感器1、溫度傳感器2，監測換熱器內換熱管的流速、溫差。利用循環水泵進行循環。模擬循環水系統工藝流程圖見圖1。補充水水質數據見表1。

表1 補充水水質數據表

圖1 模擬循環水系統工藝流程圖

工藝運行數據為模擬換熱器的溫度設定為80～100℃，模擬換熱器溫差設定為10℃，換熱管流速設為0.5 m/s。在不施加復合交變電磁波的情況下運行一段時間后的循環水的水質數據見表2。

表2 使用復合交變電磁波處理前水質數據表

通過數據可以看到循環水鈣硬度在逐漸降低，其余各項指標都有不同程度的增長。查看模擬換熱器中換熱管，發現換熱管內已經嚴重結垢。將其中一根換熱管（1號）取出，并重新安裝了一根新的換熱管（5號）到模擬換熱器內再次運行，并對循環水施加復合交變電磁波一段時間，水質數據表見表3。

表3 使用復合交變電磁波處理后水質數據表

通過施加復合交變電磁波的循環水數據可以看到循環水鈣硬度與未施加復合交變電磁波一樣始終在減少，而總硬度的增長速度卻有所減緩。鈣硬度及總硬度對比圖見圖2和圖3。

圖2 鈣硬度對比圖

圖3 總硬度對比圖

通過儀器對未施加復合交變電磁波的1號換熱管進行分析后得出結果為方解石狀的碳酸鈣晶體見圖4。

圖4 方解石狀的碳酸鈣晶體圖

同樣又對施加復合交變電磁波5號換熱管進行分析后得出的結果為文石狀碳酸鈣晶體見圖5。

圖5 文石狀碳酸鈣晶體

對全部參與整個過程的2-4號換熱管垢樣進行分析后的結果為方解石碳酸鈣晶體占換熱管垢樣的45.6%，文石狀碳酸鈣晶體占54.4%。

2.2 阻垢除垢效果

通過實驗的水質數據和換熱管觀察分析來看，1號換熱管未施加復合交變電磁波循環水的鈣離子形成了方解石碳酸鈣晶體，堆積附著在換熱管。5號換熱管施加了復合交變電磁波的循環水形成了文石碳酸鈣晶體，未附著而是停水后沉積在了管壁上，用高壓水槍水沖洗后均可以掉落且沒有堆積在換熱器管壁。雖然兩者的鈣離子含量都呈下降趨勢，但造成的影響截然不同。

從2-4號換熱管的情況來看方解石碳酸鈣晶體占換熱管垢樣的45.6%，而文石狀碳酸鈣晶體占54.4%，施加復合交變電磁波后能夠將原有的水垢清除，具有除垢的功能，但短時間內無法全部除掉。

3 復合交變電磁波對腐蝕的控制

3.1 控制原理

管道和換熱器的腐蝕大多數是通過預膜或添加緩蝕性藥劑來解決。而大部分緩蝕性藥劑當中都含有磷，會給細菌和藻類提供營養源，造成生物粘膩，而生物粘膩附著帶來的換熱效率的降低是方解石碳酸鈣的數倍。

冷卻循環水的腐蝕問題主要是溶解氧引起的電化學的腐蝕，即氧化和還原過程中所造成的腐蝕。而復合交變電磁波技術是在氧化還原的過程促使更多的氧原子與鋼材表面的鐵離子結合提高氧原子的還原能力，從而形成致密磁鐵礦，而磁鐵礦的主要成分是Fe3O4，可以有效控制換熱系統的進一步腐蝕。

3Fe（OH）2→Fe3O4+2H2O+H2

對換熱管的分析結果顯示，在經過復合交變電磁波處理后，能夠在鋼材表面形成Fe3O4，其中的Fe3O4占比達到91%。但是沒有完全形成，因此Fe3O4的形成在短時間內無法完成。

根據復合交變電磁波的防腐原理利用掛片的形式判斷腐蝕情況不適應于該技術。因為不同于化學方法，緩蝕劑是對有腐蝕的地方形成保護層，復合交變電磁波技術的保護層是通過犧牲一層鋼材來產生磁鐵礦層，如果把腐蝕的產物放到腐蝕率的計算中會產生誤差。在掛片實驗中，沒有什么辦法可以區分磁鐵礦層和Fe2O3層，但可以根據 國標GB/T 50050-2017《工業循環冷卻水處理設計規范》中的鐵離子含量來判斷腐蝕情況。

3.2 控制指標分析

通過項目的實際應用和實驗結果看，在不添加任何化學藥劑的情況下利用復合交變電磁波技術對循環水進行處理能夠符合國標GB/T 50050-2017《工業循環冷卻水處理設計規范》控制要求。在國標中的堿度+硬度≤1 100的指標，在利用復合交變電磁波技術時可以相應提高，該技術能夠促使水中鈣鎂離子與碳酸根離子提前結合形成文石晶體的碳酸鈣。

對于電導率，在使用藥劑處理法時電導率越高腐蝕也越難控制，相應的緩蝕劑費用也越高，復合交變電磁波技術能夠在鋼材表面形成Fe3O4防腐層，電導率升高不會導致腐蝕加快。但因Fe3O4防腐層的形成需要一定時間，提高電導率時需要穩步提升的過程。

4 經濟效益分析

在某企業的煤氣發電機組循環水系統中。其循環量為7 000 m3/h，保有水量為1 200 m3，溫差10℃。采用添加化學藥劑來解決循環水系統中的結垢、腐蝕、細菌及藻類等問題。年藥劑使用費用30萬元。2020年6月23日正式投運了電磁波水處理系統，在完全停止添加所有化學藥劑的情況下運行穩定，通過對比來看，循環水系統各項監測數據指標都在控制國標準規范內，凝汽器換熱率好于添加化學藥劑同期，循環水系統運行正常。

4.1 投運前后水質指標對比情況

投運前后水質指標對比見表4及表5。

表4 投運前水質指標表

表5 投運后水質指標表

4.2 投運前后凝汽器效果對比

在使用了復合交變電磁波處理后未出現硬垢，并優于往期使用化學藥劑的水平，換熱管也形成了Fe3O4防腐層。

4.3 濃縮倍數的提高

工業循環冷卻水中，濃縮倍數是指水蒸發后濃縮的物質含量與補充水中同一物質含量的比值，或指補充水量與排污水量的比值。提高工業循環冷卻水的濃縮倍數，可以降低補充水的用量，節約水資源；可以降低排污水量，從而減少對環境的污染和廢水處理量；可以降低工業循環冷卻水處理的成本。

濃縮倍數通常是根據電導率或氯含量等來計算。電導率的測量及計算比較方便，然而要得到比較精確的結果，要根據氯含量來計算，因為在水中氯比較穩定，即使濃縮倍數很高或時間較長，氯也不會轉變為其他化合物。

通過對該項目投運前后的濃縮倍數計算得出節水情況如下。

投運前補水量為175.5 m3/h。投運后補水量為142 m3/h。

工業循環冷卻水系統按每年運行350天，每天連續不間斷運行，即每年運行時間為8 400 h，節水12.6萬t。

由此可以看出，提高濃縮倍數時，排放的水量減少，可起到節約用水的效果。而在使用電磁波水處理系統，提高濃縮倍數并不是唯一的節水方式。在濃縮倍數較低時，因為沒有化學藥劑殘留問題，也可通過循環利用排放的水，依然達到節約用水的目的。

采用化學方法處理時，水中添加了化學藥劑，排放的水不能夠被循環利用，只能通過提高濃縮倍數來節約用水，而過高地提高冷卻水的濃縮倍數會使冷卻水中的硬度、堿度、電導率、氯離子太高，造成水的結垢傾向增大及腐蝕性增強等問題。

因此，工業循環冷卻水系統采用的濃縮倍數通常情況根據各企業情況而定。當濃縮倍數達到5倍以后，節水效果明顯下降，應綜合全面考慮、合理控制濃縮倍數，達到節能降耗阻垢的目的。

5 結論

綜合以上分析，得出利用復合交變電磁波技術處理工業循環冷卻水應用效果如下。

（1）最直觀的經濟效益為節省藥劑費用，從長期投入變成了一次性投入。

（2）從節約水資源來看復合交變電磁波技術能夠提高電導率、堿度、硬度的數據指標，沒有外來Cl-的額外增加，相應提高濃縮倍數，達到節水效果。

（3）排污水因為沒有化學藥劑成分可二次利用，同時也減輕了污水處理廠的處理壓力。

（4）一邊使用一邊形成防腐層的功能可以縮短維護周期、降低預處理費用。

（5）文石狀態碳酸鈣不附著熱交換設備便于換熱器清洗，節省清洗費用，減少停產，提升產能。

（6）熱交換設備由于循環水良好的阻垢緩蝕、殺菌抑藻的效果，延長了設備的使用壽命、提高了設備的熱交換能力，提高產能、降低能耗，減少設備二次購置費、降低碳排放，符合國家政策，經濟效益及社會效益明顯。

（7）無需購置加藥設備及藥劑存儲空間。

（8）節能環保，無二次污染。