徐相旺

（漢德森工業(yè)裝備（北京）有限公司，北京 100010）

循環(huán)冷卻水是工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的冷媒介質(zhì)。由于水中含有各種鹽類，在循環(huán)使用的過程中，鹽類物質(zhì)飽和后析出，附著在熱交換設(shè)備和管道的表面，造成設(shè)備結(jié)垢、腐蝕、滋生微生物細(xì)菌和藻類等問題，影響換熱效率，導(dǎo)致裝置產(chǎn)能降低、能源消耗增加、資源浪費(fèi)。

為解決循環(huán)水存在的問題，傳統(tǒng)的處理方式是向水中添加各類化學(xué)藥劑。隨著國(guó)家環(huán)保要求的提高，不理想的循環(huán)冷卻水處理效果和化學(xué)污染給企業(yè)造成沉重負(fù)擔(dān)。盡管企業(yè)通過中水回用、污水回用等方式降低循環(huán)冷卻水補(bǔ)水量，但未從根本上解決循環(huán)冷卻水的結(jié)垢、腐蝕、滋生細(xì)菌和藻類，以及化學(xué)污染排污等問題。

2020年12月31 日國(guó)家發(fā)改委、科技部、工業(yè)和信息化部、自然資源部等四部委聯(lián)合發(fā)布了《綠色技術(shù)推廣目錄（2020年）》的通知，其中第二項(xiàng)：“清潔生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)”第17條“利用復(fù)合交變脈沖的電磁波循環(huán)冷卻水處理技術(shù)”被列為了推薦的物理法循環(huán)水處理技術(shù)。

1 利用復(fù)合交變電磁波處理循環(huán)冷卻水的原理

電磁波是互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中衍生發(fā)射的振蕩粒子波。復(fù)合交變電磁波是隨時(shí)間變化的多個(gè)不同頻率電場(chǎng)和磁場(chǎng)。

復(fù)合交變電磁波處理工業(yè)冷卻循環(huán)水是將電磁波的特性作用于循環(huán)水，因水分子是抗磁性的，能夠受到外部磁場(chǎng)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(fā)生變化，氫鍵發(fā)生畸變，由大分子團(tuán)變成多個(gè)小分子團(tuán)，同時(shí)，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(yùn)動(dòng)，且正、負(fù)離子旋轉(zhuǎn)方向相反，水分子的偶極子極性增強(qiáng)，增加了水對(duì)鹽的溶解度，pH值上升。偶極子的負(fù)極與水中的Ca2+、Mg2+等陽(yáng)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(fù)偶極子分別包圍著Ca2+、Mg2+、CO32-離子，形成微小、針狀、松散的輕質(zhì)文石晶體結(jié)構(gòu)。隨著循環(huán)水的流動(dòng)，輕質(zhì)文石晶體被水流帶走，進(jìn)入到循環(huán)水池后由于流速的降低沉積到循環(huán)水池池底，或者是通過旁路過濾器進(jìn)行過濾，有效阻止了方解石結(jié)構(gòu)的CaCO3在換熱表面的形成，達(dá)到阻垢目的。同時(shí)，這些小分子團(tuán)的水具有更強(qiáng)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(shí)，設(shè)備表面與垢層之間產(chǎn)生應(yīng)力，在水的沖擊下垢層破裂脫落。

2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

2.1 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證其阻垢效果，利用模擬循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在不加任何藥劑的情況下對(duì)循環(huán)水進(jìn)行循環(huán)處理。將電磁波發(fā)生器串聯(lián)安裝在模擬循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，在相同的工藝運(yùn)行情況下，開啟電磁波發(fā)生器對(duì)循環(huán)水進(jìn)行處理。其中模擬換熱器內(nèi)安裝了4根換熱管，分別編號(hào)1-4號(hào)。并在模擬換熱器兩端安裝有流量計(jì)、溫度傳感器1、溫度傳感器2，監(jiān)測(cè)換熱器內(nèi)換熱管的流速、溫差。利用循環(huán)水泵進(jìn)行循環(huán)。模擬循環(huán)水系統(tǒng)工藝流程圖見圖1。補(bǔ)充水水質(zhì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 補(bǔ)充水水質(zhì)數(shù)據(jù)表

圖1 模擬循環(huán)水系統(tǒng)工藝流程圖

工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)為模擬換熱器的溫度設(shè)定為80～100℃，模擬換熱器溫差設(shè)定為10℃，換熱管流速設(shè)為0.5 m/s。在不施加復(fù)合交變電磁波的情況下運(yùn)行一段時(shí)間后的循環(huán)水的水質(zhì)數(shù)據(jù)見表2。

表2 使用復(fù)合交變電磁波處理前水質(zhì)數(shù)據(jù)表

通過數(shù)據(jù)可以看到循環(huán)水鈣硬度在逐漸降低，其余各項(xiàng)指標(biāo)都有不同程度的增長(zhǎng)。查看模擬換熱器中換熱管，發(fā)現(xiàn)換熱管內(nèi)已經(jīng)嚴(yán)重結(jié)垢。將其中一根換熱管（1號(hào)）取出，并重新安裝了一根新的換熱管（5號(hào)）到模擬換熱器內(nèi)再次運(yùn)行，并對(duì)循環(huán)水施加復(fù)合交變電磁波一段時(shí)間，水質(zhì)數(shù)據(jù)表見表3。

表3 使用復(fù)合交變電磁波處理后水質(zhì)數(shù)據(jù)表

通過施加復(fù)合交變電磁波的循環(huán)水?dāng)?shù)據(jù)可以看到循環(huán)水鈣硬度與未施加復(fù)合交變電磁波一樣始終在減少，而總硬度的增長(zhǎng)速度卻有所減緩。鈣硬度及總硬度對(duì)比圖見圖2和圖3。

圖2 鈣硬度對(duì)比圖

圖3 總硬度對(duì)比圖

通過儀器對(duì)未施加復(fù)合交變電磁波的1號(hào)換熱管進(jìn)行分析后得出結(jié)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(duì)施加復(fù)合交變電磁波5號(hào)換熱管進(jìn)行分析后得出的結(jié)果為文石狀碳酸鈣晶體見圖5。

圖5 文石狀碳酸鈣晶體

對(duì)全部參與整個(gè)過程的2-4號(hào)換熱管垢樣進(jìn)行分析后的結(jié)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(shí)驗(yàn)的水質(zhì)數(shù)據(jù)和換熱管觀察分析來(lái)看，1號(hào)換熱管未施加復(fù)合交變電磁波循環(huán)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(hào)換熱管施加了復(fù)合交變電磁波的循環(huán)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(shì)，但造成的影響截然不同。

從2-4號(hào)換熱管的情況來(lái)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(fù)合交變電磁波后能夠?qū)⒃械乃盖宄哂谐傅墓δ?，但短時(shí)間內(nèi)無(wú)法全部除掉。

3 復(fù)合交變電磁波對(duì)腐蝕的控制

3.1 控制原理

管道和換熱器的腐蝕大多數(shù)是通過預(yù)膜或添加緩蝕性藥劑來(lái)解決。而大部分緩蝕性藥劑當(dāng)中都含有磷，會(huì)給細(xì)菌和藻類提供營(yíng)養(yǎng)源，造成生物粘膩，而生物粘膩附著帶來(lái)的換熱效率的降低是方解石碳酸鈣的數(shù)倍。

冷卻循環(huán)水的腐蝕問題主要是溶解氧引起的電化學(xué)的腐蝕，即氧化和還原過程中所造成的腐蝕。而復(fù)合交變電磁波技術(shù)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(jié)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(tǒng)的進(jìn)一步腐蝕。

3Fe（OH）2→Fe3O4+2H2O+H2

對(duì)換熱管的分析結(jié)果顯示，在經(jīng)過復(fù)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(dá)到91%。但是沒有完全形成，因此Fe3O4的形成在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成。

根據(jù)復(fù)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(yīng)于該技術(shù)。因?yàn)椴煌诨瘜W(xué)方法，緩蝕劑是對(duì)有腐蝕的地方形成保護(hù)層，復(fù)合交變電磁波技術(shù)的保護(hù)層是通過犧牲一層鋼材來(lái)產(chǎn)生磁鐵礦層，如果把腐蝕的產(chǎn)物放到腐蝕率的計(jì)算中會(huì)產(chǎn)生誤差。在掛片實(shí)驗(yàn)中，沒有什么辦法可以區(qū)分磁鐵礦層和Fe2O3層，但可以根據(jù) 國(guó)標(biāo)GB/T 50050-2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》中的鐵離子含量來(lái)判斷腐蝕情況。

3.2 控制指標(biāo)分析

通過項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，在不添加任何化學(xué)藥劑的情況下利用復(fù)合交變電磁波技術(shù)對(duì)循環(huán)水進(jìn)行處理能夠符合國(guó)標(biāo)GB/T 50050-2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》控制要求。在國(guó)標(biāo)中的堿度+硬度≤1 100的指標(biāo)，在利用復(fù)合交變電磁波技術(shù)時(shí)可以相應(yīng)提高，該技術(shù)能夠促使水中鈣鎂離子與碳酸根離子提前結(jié)合形成文石晶體的碳酸鈣。

對(duì)于電導(dǎo)率，在使用藥劑處理法時(shí)電導(dǎo)率越高腐蝕也越難控制，相應(yīng)的緩蝕劑費(fèi)用也越高，復(fù)合交變電磁波技術(shù)能夠在鋼材表面形成Fe3O4防腐層，電導(dǎo)率升高不會(huì)導(dǎo)致腐蝕加快。但因Fe3O4防腐層的形成需要一定時(shí)間，提高電導(dǎo)率時(shí)需要穩(wěn)步提升的過程。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

在某企業(yè)的煤氣發(fā)電機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)中。其循環(huán)量為7 000 m3/h，保有水量為1 200 m3，溫差10℃。采用添加化學(xué)藥劑來(lái)解決循環(huán)水系統(tǒng)中的結(jié)垢、腐蝕、細(xì)菌及藻類等問題。年藥劑使用費(fèi)用30萬(wàn)元。2020年6月23日正式投運(yùn)了電磁波水處理系統(tǒng)，在完全停止添加所有化學(xué)藥劑的情況下運(yùn)行穩(wěn)定，通過對(duì)比來(lái)看，循環(huán)水系統(tǒng)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo)都在控制國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范內(nèi)，凝汽器換熱率好于添加化學(xué)藥劑同期，循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行正常。

4.1 投運(yùn)前后水質(zhì)指標(biāo)對(duì)比情況

投運(yùn)前后水質(zhì)指標(biāo)對(duì)比見表4及表5。

表4 投運(yùn)前水質(zhì)指標(biāo)表

表5 投運(yùn)后水質(zhì)指標(biāo)表

4.2 投運(yùn)前后凝汽器效果對(duì)比

在使用了復(fù)合交變電磁波處理后未出現(xiàn)硬垢，并優(yōu)于往期使用化學(xué)藥劑的水平，換熱管也形成了Fe3O4防腐層。

4.3 濃縮倍數(shù)的提高

工業(yè)循環(huán)冷卻水中，濃縮倍數(shù)是指水蒸發(fā)后濃縮的物質(zhì)含量與補(bǔ)充水中同一物質(zhì)含量的比值，或指補(bǔ)充水量與排污水量的比值。提高工業(yè)循環(huán)冷卻水的濃縮倍數(shù)，可以降低補(bǔ)充水的用量，節(jié)約水資源；可以降低排污水量，從而減少對(duì)環(huán)境的污染和廢水處理量；可以降低工業(yè)循環(huán)冷卻水處理的成本。

濃縮倍數(shù)通常是根據(jù)電導(dǎo)率或氯含量等來(lái)計(jì)算。電導(dǎo)率的測(cè)量及計(jì)算比較方便，然而要得到比較精確的結(jié)果，要根據(jù)氯含量來(lái)計(jì)算，因?yàn)樵谒新缺容^穩(wěn)定，即使?jié)饪s倍數(shù)很高或時(shí)間較長(zhǎng)，氯也不會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌衔铩?/p>

通過對(duì)該項(xiàng)目投運(yùn)前后的濃縮倍數(shù)計(jì)算得出節(jié)水情況如下。

投運(yùn)前補(bǔ)水量為175.5 m3/h。投運(yùn)后補(bǔ)水量為142 m3/h。

工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)按每年運(yùn)行350天，每天連續(xù)不間斷運(yùn)行，即每年運(yùn)行時(shí)間為8 400 h，節(jié)水12.6萬(wàn)t。

由此可以看出，提高濃縮倍數(shù)時(shí)，排放的水量減少，可起到節(jié)約用水的效果。而在使用電磁波水處理系統(tǒng)，提高濃縮倍數(shù)并不是唯一的節(jié)水方式。在濃縮倍數(shù)較低時(shí)，因?yàn)闆]有化學(xué)藥劑殘留問題，也可通過循環(huán)利用排放的水，依然達(dá)到節(jié)約用水的目的。

采用化學(xué)方法處理時(shí)，水中添加了化學(xué)藥劑，排放的水不能夠被循環(huán)利用，只能通過提高濃縮倍數(shù)來(lái)節(jié)約用水，而過高地提高冷卻水的濃縮倍數(shù)會(huì)使冷卻水中的硬度、堿度、電導(dǎo)率、氯離子太高，造成水的結(jié)垢傾向增大及腐蝕性增強(qiáng)等問題。

因此，工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用的濃縮倍數(shù)通常情況根據(jù)各企業(yè)情況而定。當(dāng)濃縮倍數(shù)達(dá)到5倍以后，節(jié)水效果明顯下降，應(yīng)綜合全面考慮、合理控制濃縮倍數(shù)，達(dá)到節(jié)能降耗阻垢的目的。

5 結(jié)論

綜合以上分析，得出利用復(fù)合交變電磁波技術(shù)處理工業(yè)循環(huán)冷卻水應(yīng)用效果如下。

（1）最直觀的經(jīng)濟(jì)效益為節(jié)省藥劑費(fèi)用，從長(zhǎng)期投入變成了一次性投入。

（2）從節(jié)約水資源來(lái)看復(fù)合交變電磁波技術(shù)能夠提高電導(dǎo)率、堿度、硬度的數(shù)據(jù)指標(biāo)，沒有外來(lái)Cl-的額外增加，相應(yīng)提高濃縮倍數(shù)，達(dá)到節(jié)水效果。

（3）排污水因?yàn)闆]有化學(xué)藥劑成分可二次利用，同時(shí)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(hù)周期、降低預(yù)處理費(fèi)用。

（5）文石狀態(tài)碳酸鈣不附著熱交換設(shè)備便于換熱器清洗，節(jié)省清洗費(fèi)用，減少停產(chǎn)，提升產(chǎn)能。

（6）熱交換設(shè)備由于循環(huán)水良好的阻垢緩蝕、殺菌抑藻的效果，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命、提高了設(shè)備的熱交換能力，提高產(chǎn)能、降低能耗，減少設(shè)備二次購(gòu)置費(fèi)、降低碳排放，符合國(guó)家政策，經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益明顯。

（7）無(wú)需購(gòu)置加藥設(shè)備及藥劑存儲(chǔ)空間。

（8）節(jié)能環(huán)保，無(wú)二次污染。