楊星，劉智安，龍山，邵曉玨，馬文博，孔德豪，牛慧杰

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051）

電磁場(chǎng)協(xié)同處理電廠循環(huán)冷卻水阻垢實(shí)驗(yàn)

楊星，劉智安，龍山，邵曉玨，馬文博，孔德豪，?；劢?/p>

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051）

采用自制的雙通道工業(yè)循環(huán)冷卻水分析實(shí)驗(yàn)臺(tái)和磁電協(xié)同式工業(yè)循環(huán)冷卻水阻垢處理器對(duì)火電廠循環(huán)冷卻水進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬阻垢實(shí)驗(yàn)研究。通過正交實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化了影響阻垢率的實(shí)驗(yàn)參數(shù)；通過對(duì)換熱銅管表面的CaCO3水垢晶體所進(jìn)行的SEM和XRD分析，研究了經(jīng)電磁場(chǎng)協(xié)同處理后，水垢晶體中文石和方解石含量的變化。研究表明，在脈沖方波占空比為70%，脈沖方波頻率為100 Hz，水流速度為0.870 m/s，離子棒電壓為5 kV時(shí)，在動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)行30 h后，阻垢率可達(dá)78.23%。經(jīng)最佳方案組處理后的方解石晶體的生長(zhǎng)受到抑制，促進(jìn)了文石晶體的生長(zhǎng)。

循環(huán)冷卻水；阻垢；電磁場(chǎng)協(xié)同；方解石；文石

火力發(fā)電廠的循環(huán)冷卻水使用過程中，經(jīng)常遇到污垢沉積、淤泥、生物黏泥和腐蝕產(chǎn)物等問題〔1〕。污垢沉積在換熱面上將使換熱器總傳熱系數(shù)降低，換熱效率下降，嚴(yán)重時(shí)污垢還會(huì)造成管道阻塞，增大水泵的功率消耗〔2〕。

循環(huán)冷卻水中的水垢主要由CaCO3、Ca3（PO4）2、CaSO4等微溶鹽組成〔3〕。當(dāng)循環(huán)冷卻水流經(jīng)換熱器時(shí)，達(dá)到過飽和狀態(tài)的CaCO3結(jié)晶析出，從而沉積在換熱器表面形成水垢〔4〕。水垢控制就是抑制這些結(jié)晶的析出。目前工業(yè)中常用的阻垢方法主要為化學(xué)藥劑法，此法向水中添加阻垢劑可以達(dá)到阻垢的目的，但存在著化學(xué)藥劑消耗量大、對(duì)水環(huán)境造成二次污染等弊端〔5〕。目前廣泛興起的物理阻垢法由于具有無二次污染、運(yùn)行成本較低等優(yōu)點(diǎn)〔6〕，已經(jīng)成為工業(yè)循環(huán)冷卻阻垢技術(shù)的主要研究方向。

筆者以火電廠循環(huán)冷卻水為研究對(duì)象，利用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自制的雙通道工業(yè)循環(huán)冷卻水分析實(shí)驗(yàn)臺(tái)和磁電協(xié)同式工業(yè)循環(huán)冷卻水阻垢處理器對(duì)火電廠循環(huán)冷卻水進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬阻垢實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)換熱器銅管表面的CaCO3水垢晶體進(jìn)行了掃描電鏡（SEM）和X射線衍射儀（XRD）分析，觀察水中CaCO3垢樣晶體中方解石、文石的形貌及晶體的變化。

1　水質(zhì)分析方法及實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)及水質(zhì)檢測(cè)方法如表1所示。

表1　實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)及水質(zhì)檢測(cè)方法

2　實(shí)驗(yàn)流程及實(shí)驗(yàn)方法

2.1實(shí)驗(yàn)裝置及流程

利用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自制的雙通道工業(yè)循環(huán)冷卻水分析實(shí)驗(yàn)臺(tái)（簡(jiǎn)稱實(shí)驗(yàn)臺(tái)）和磁電協(xié)同式工業(yè)循環(huán)冷卻水阻垢處理器（簡(jiǎn)稱阻垢處理器）對(duì)循環(huán)冷卻水進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬阻垢實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由5部分組成：循環(huán)水系統(tǒng)、加熱水系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)、補(bǔ)鈣離子堿度系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的流程如圖1所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)流程示意

由圖1可見，循環(huán)冷卻水經(jīng)水泵，再經(jīng)過處理器進(jìn)行阻垢處理，通過電磁流量計(jì)后，進(jìn)入換熱器內(nèi)與加熱水進(jìn)行熱量交換（換熱器內(nèi)裝有換熱銅管），再進(jìn)入冷卻塔，經(jīng)噴頭噴入填料層進(jìn)行散熱，回到集水池中，完成一次循環(huán)。冷卻塔上部裝有軸流風(fēng)機(jī)以保證循環(huán)冷卻水溫度恒定。

阻垢處理器是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自行設(shè)計(jì)的阻垢處理裝置，其主要作用是將高壓靜電場(chǎng)和脈沖磁場(chǎng)結(jié)合在一起，利用電、磁場(chǎng)進(jìn)行阻垢處理。阻垢處理器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　阻垢處理器結(jié)構(gòu)

2.2實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1正交實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中，影響電磁場(chǎng)協(xié)同阻垢處理的主要因素有離子棒電壓（U）、脈沖方波頻率（f）、脈沖方波占空比（Z）和水流速度（v）。實(shí)驗(yàn)中以污垢熱阻法阻垢率為指標(biāo)，采用四因素四水平正交實(shí)驗(yàn)確定各因素對(duì)CaCO3水垢晶體的抑制作用。正交實(shí)驗(yàn)因素水平如表2所示。

表2　正交實(shí)驗(yàn)因素水平

其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：運(yùn)行時(shí)間t=30 h，加熱水溫度Th=91℃，循環(huán)冷卻水溫度Tc=30℃。實(shí)驗(yàn)中因蒸發(fā)而損失的循環(huán)冷卻水通過補(bǔ)水箱補(bǔ)足。

2.2.2阻垢率的計(jì)算

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)傳熱學(xué)的熱平衡條件，由實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的污垢熱阻值得出阻垢率，計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：η——阻垢率，%；

Rf，Tr（t）——實(shí)驗(yàn)組的污垢熱阻值，（m2·K）/W；

Rf，Un（t）——對(duì)照組的污垢熱阻值，（m2·K）/W。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3　正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3可見，通過極差分析可確定影響的主次因素，極差越大，對(duì)阻垢率影響越顯著。對(duì)正交實(shí)驗(yàn)阻垢效果影響依次是：U＞f＞v＞Z；控制循環(huán)冷卻水中CaCO3水垢產(chǎn)生的優(yōu)化組合為（U2f2v2Z3），即電壓4 kV、脈沖頻率100 Hz、循環(huán)冷卻水流速0.401 m/s、占空比為70%。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，第10組實(shí)驗(yàn)最接近優(yōu)化組合參數(shù)，阻垢率達(dá)到78.23%。

4　垢樣的X射線衍射分析

循環(huán)冷卻水冷卻過程中產(chǎn)生的CaCO3水垢晶體主要以方解石和文石形式存在，主要成分都是碳酸鈣。其中文石晶體結(jié)構(gòu)疏松，易隨水流沖走，減少了在換熱器表面的沉積。方解石晶體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，易在換熱器表面沉積，從而影響換熱效果〔7〕。

為了確定在正交實(shí)驗(yàn)條件下CaCO3水垢晶體的存在形式，對(duì)正交實(shí)驗(yàn)第10組的CaCO3水垢晶體進(jìn)行了XRD分析。由X射線衍射〔8〕可知，實(shí)驗(yàn)組文石特征峰的峰面積大于對(duì)照組文石特征峰的峰面積。實(shí)驗(yàn)組方解石特征峰的峰面積小于對(duì)照組方解石特征峰的峰面積。由此可知，經(jīng)過正交實(shí)驗(yàn)條件處理后，方解石晶體的生長(zhǎng)受到抑制，促進(jìn)了文石晶體的生長(zhǎng)。

5　垢樣的電鏡掃描分析

正交實(shí)驗(yàn)第10組的CaCO3水垢晶體，處理組和對(duì)照組10 000倍下的SEM如圖3所示。

圖3　垢樣的SEM

由圖3可見，實(shí)驗(yàn)組垢樣主要呈斷裂棒狀，顆粒尺寸較小；對(duì)照組垢樣主要呈不規(guī)則的塊狀，顆粒尺寸較大。從垢樣形貌特征來看，實(shí)驗(yàn)組垢樣與典型文石形貌特征相似，對(duì)照組垢樣與典型方解石形貌特征相似。由此可知，經(jīng)過電磁場(chǎng)阻垢處理后，方解石的生長(zhǎng)受到抑制，文石的生長(zhǎng)受到促進(jìn)。

6　結(jié)論

研究表明，當(dāng)脈沖方波占空比為70%，脈沖方波頻率為100 Hz，水流速度為0.870 m/s，離子棒工作電壓為5 kV時(shí)，在動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)行30 h后的阻垢率達(dá)到78.23%，表現(xiàn)出良好的阻垢性能。XRD研究結(jié)果表明，循環(huán)冷卻水中的方解石生長(zhǎng)受到抑制，促進(jìn)了文石的生長(zhǎng)。因此，高壓靜電場(chǎng)與脈沖變頻磁場(chǎng)協(xié)同作用具有良好的阻垢效果，是一種環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的污垢處理方法。

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Anti-scaling experiments on the cooperative treatment of the circulating cooling water in power plants by electromagnetic fields

Yang Xing，Liu Zhian，Long Shan，Shao Xiaojue，Ma Wenbo，Kong Dehao，Niu Huijie
（College of Energy and Power Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China）

Dynamic simulated anti-scaling experimental research has been conducted by using the home-made dual channel industrial circulating cooling water test bench and magneto-electric cooperative-type industrial circulating cooling water anti-scaling processor for the circulating cooling water in power plants.By orthogonal tests，the experimental parameters that affect anti-scaling rate are optimized.CaCO3water scale crystals on the surface of heat exchange copper pipes are analyzed with SEM and XRD.The changes in the contents of calcite and aragonite in water scale crystals are studied，after treated by electro-magnetic field cooperatively.The results reveal that when the square pulse duty ratio is 70%，the square pulse frequency is 100 Hz，the water flow velocity is 0.870 m/s，and the voltage of ionic bar is 5 kV，the anti-scaling rate can reach 78.23%after the dynamic simulated experiment works for 30 h.After treated by the optimized program group，the growth of calcite crystal is restrained and the growth of aragonite is promoted.Thus，from the view of environment and economy，applying the magneto-electric field cooperatively to the circulating cooling water in power plants has very good anti-scaling effect.

circulating cooling water；anti-scaling；integrated magnetoelectric filed；calcite；aragonite

X703.1

A

1005-829X（2016）05-0044-03

國(guó)家自然科學(xué)基金（51068020，51268040）；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金（2009MS0605）

楊星（1992—），碩士。E-mail：270788680@qq.com。通訊聯(lián)系人：劉智安。E-mail：Lza1232003@aliyun.com。

2016-02-12（修改稿）