＊曹偉 賈繼年 王飛 張愷 胡政 張立強(qiáng)

（1.國家能源集團(tuán)山西電力有限公司 山西 030021 2.沈陽化工大學(xué) 遼寧 110142）

燃煤發(fā)電仍然是我國主要的電力生產(chǎn)方式。由于燃煤中含有多種雜質(zhì)，如硫、鈣等元素，且部分附屬輔助系統(tǒng)（譬如尖峰冷卻循環(huán)系統(tǒng)、沖灰系統(tǒng)等）采用城市中水甚至地下水作為工作介質(zhì)，這使得燃煤發(fā)電廠的部分系統(tǒng)在正常運(yùn)行過程中存在嚴(yán)重的結(jié)垢問題。結(jié)垢會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組背壓，降低換熱器的換熱效能，惡化機(jī)組的燃煤經(jīng)濟(jì)性，甚至釀成生產(chǎn)安全事故，造成嚴(yán)重的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)影響。因此，對燃煤發(fā)電廠各系統(tǒng)的結(jié)垢問題及防垢方法進(jìn)行研究是非常緊迫且必要的。

燃煤發(fā)電廠目前采用的防垢方法主要包括傳統(tǒng)的化學(xué)藥劑法（包括阻垢劑、緩蝕劑、抗菌劑等）和物理方法。孫小明等[1]對工業(yè)鍋爐的成垢原因及危害進(jìn)行了闡述，概述了當(dāng)前階段的除垢方法，最后對除垢后的結(jié)垢效果進(jìn)行試驗(yàn)。夏小春[2]等從除垢原理、分類及特點(diǎn)的角度出發(fā)，敘述了國外化學(xué)防垢劑擠注工藝的研究進(jìn)展。楊曉云等[3]通過對超聲、電磁防垢技術(shù)進(jìn)行仿真分析，設(shè)計(jì)了電磁-超聲結(jié)合的防垢裝置并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析總結(jié)。

然而，當(dāng)前文獻(xiàn)對燃煤發(fā)電廠結(jié)垢問題及物理防垢方法的研究還存在很大的不足之處（譬如對各物理防垢方法的適用范圍、效率等問題尚無明確界定和計(jì)算方法），對電磁與超聲相結(jié)合的防垢方法也缺乏深入的試驗(yàn)和理論研究[4-7]。為此，本文對燃煤發(fā)電廠各個(gè)系統(tǒng)的結(jié)垢情況和處理方法進(jìn)行了闡述，總結(jié)當(dāng)前各種物理除垢防垢方法的原理、區(qū)別及優(yōu)缺點(diǎn)，提出將超聲波除垢技術(shù)和電磁除垢技術(shù)二者相結(jié)合的可能性與可行性，以期為燃煤發(fā)電廠的結(jié)垢問題提供更科學(xué)、更有效的解決方案。

1.燃煤發(fā)電廠各系統(tǒng)結(jié)垢與處理方法

燃煤發(fā)電廠存在多個(gè)系統(tǒng)，包括發(fā)電機(jī)組（鍋爐及沖灰系統(tǒng)）、循環(huán)冷卻系統(tǒng)（冷凝器及相應(yīng)泵、閥和管道等）、煙氣脫硫系統(tǒng)、尖峰冷卻系統(tǒng)等。具體流程為：（1）煤炭在鍋爐中燃燒產(chǎn)生大量熱量將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能；（2）鍋爐中的水產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，蒸汽通過汽輪機(jī)又將熱能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，高壓蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能后，形成凝結(jié)水汽。圖1為燃煤發(fā)電廠各個(gè)系統(tǒng)的流程分布圖。

圖1 燃煤發(fā)電廠流程圖

這些系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可能會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢問題，影響其運(yùn)行效率和壽命。以下是常見的燃煤發(fā)電廠系統(tǒng)結(jié)垢情況及處理方法。

（1）鍋爐沖灰系統(tǒng)：煤粉燃燒后產(chǎn)生的飛灰和灰渣多采用水力沖灰。煤粉中夾雜的CaO成分與沖灰水中CO3

2-結(jié)合形成CaCO3，過飽和后便結(jié)晶沉積在管路上面，形成堅(jiān)硬灰垢。除垢防垢方法包括：定期清洗和添加化學(xué)抗結(jié)垢劑等。

（2）冷凝器循環(huán)冷卻系統(tǒng)和尖峰循環(huán)冷卻系統(tǒng)：冷凝器內(nèi)部的水管可能出現(xiàn)碳酸鹽和硫酸鹽等沉積物，增加水泵負(fù)荷，降低換熱效率，惡化發(fā)電機(jī)組燃煤經(jīng)濟(jì)性。處理方法包括：定期清洗和添加化學(xué)防垢劑。

（3）煙氣脫硫系統(tǒng)：國內(nèi)火電廠的石灰石－石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的煙氣－煙氣再熱器（GGH）大多運(yùn)行情況不好，換熱面出現(xiàn)不同程度的積灰、結(jié)垢，造成堵塞，嚴(yán)重影響脫硫系統(tǒng)的安全運(yùn)行。處理方法包括：定期清洗和添加防垢劑。

2.現(xiàn)有的防垢方法及區(qū)別

防垢是解決燃煤發(fā)電廠各系統(tǒng)垢積問題的積極手段。本文也對現(xiàn)有的防垢方法進(jìn)行了研究，并總結(jié)了各個(gè)方式的特點(diǎn)與區(qū)別。

(1)物理方法

當(dāng)前階段，物理防垢方法主要包括水處理、超聲波防垢、電磁防垢等。水處理法包括反滲透、對水進(jìn)行軟化等技術(shù)。目前，大多數(shù)燃煤發(fā)電廠物理防垢的方法一般采用聲處理法和磁處理法。

①聲處理法

聲處理方法往往是利用超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，使媒質(zhì)產(chǎn)生受迫振動(dòng)，促使粒子間產(chǎn)生相互作用。當(dāng)超聲波的機(jī)械能振動(dòng)使媒質(zhì)中的粒子加速達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，就會(huì)在媒質(zhì)中產(chǎn)生一系列的物理和化學(xué)效應(yīng)，從而達(dá)到防垢除垢的目的。圖2為超聲波防垢阻垢技術(shù)的原理圖。

圖2 超聲波除垢原理圖

②磁處理法

磁處理法是一種利用電磁學(xué)原理進(jìn)行水垢去除的方法。其原理是通過在水流中加入固定或交變電磁場，使水中的結(jié)垢離子、鐵銹等雜質(zhì)發(fā)生頻繁碰撞，進(jìn)而形成絮狀垢體，避免在管壁上形成堅(jiān)硬的硬垢，從而起到防垢的目的。圖3為電磁防垢阻垢設(shè)備的原理分析圖。

圖3 電磁防垢原理圖

物理防垢方法的優(yōu)點(diǎn)：無需添加任何化學(xué)品，不會(huì)對環(huán)境造成污染；操作簡單，易于維護(hù)。物理防垢方法的缺點(diǎn)：只適用于輕度結(jié)垢，無法徹底清除重度結(jié)垢；部分物理防垢方法需要停機(jī)并破壞現(xiàn)有管道進(jìn)行安裝；實(shí)際防垢效果受管徑、管材和管內(nèi)液體參數(shù)影響很大。

(2)化學(xué)方法

化學(xué)方法一般是加入化學(xué)防垢劑和基于表面的防垢技術(shù)。目前主要采用羥基螯合劑如DTPA和EDTA，或者含有羧基的物質(zhì)來對溶液中的成垢陽離子進(jìn)行螯合。基于表面的防垢技術(shù)是通過改變材料的表面特性以達(dá)到防垢的效果。

化學(xué)防垢除垢方法的優(yōu)點(diǎn)：能夠快速有效地清除各種類型的垢積；可以在設(shè)備運(yùn)行時(shí)進(jìn)行，無需停機(jī)維護(hù)。

化學(xué)防垢除垢方法的缺點(diǎn)：需要添加化學(xué)藥劑，可能對環(huán)境造成污染；需要特別注意化學(xué)藥劑的使用量和濃度，否則會(huì)對設(shè)備造成腐蝕等損害。

總之，物理方法和化學(xué)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體情況選擇。輕度結(jié)垢可以采用物理清洗方法，而重度結(jié)垢則需要采用化學(xué)清洗方法。同時(shí)，為了減少對環(huán)境的影響和設(shè)備安全性，應(yīng)注意化學(xué)藥劑的使用量和濃度。

3.電磁與超聲相結(jié)合的新型防垢方法

(1)電磁除垢與超聲除垢的結(jié)合

本次提出了將電磁與超聲除垢方式相結(jié)合的新型防垢阻垢方式，并將其與單獨(dú)的電磁除垢方式進(jìn)行了對比，通過相關(guān)數(shù)據(jù)來反映這種新型的除垢方式在相同條件下的除菌率、除藻率以及CaCO3和CaSO4晶體的析出速度。

(2)電磁-超聲結(jié)合除垢效果討論

將電磁-超聲相結(jié)合的除垢裝置應(yīng)用于尖峰冷卻循環(huán)系統(tǒng)的防垢、阻垢、殺菌、滅藻等方面進(jìn)行試驗(yàn)，圖4是除垢裝置作用下鈣離子的濃度變化圖。

圖4 溶液中鈣離子的濃度變化

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

①使用脈沖高壓靜電場、磁場、超聲復(fù)合場處理循環(huán)水可以有效防止CaCO3晶體的析出。在比較處理和未處理溶液的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和電導(dǎo)率變化方面，可以看出該處理方式對抑制CaCO3晶體析出方面具有良好效果。為了進(jìn)一步提高處理效果，可以嘗試降低重復(fù)率并優(yōu)化處理參數(shù)。

②經(jīng)過電、磁和超聲波復(fù)合處理后，水中含有CaCO3和CaSO4的兩相溶液的電導(dǎo)率隨著處理時(shí)間的增加而增大，表明離子濃度增加。這意味著水溶解這些晶體的能力增強(qiáng)，從而使得CaCO3和CaSO4晶體在水中的溶解度增加。這種現(xiàn)象是由于電、磁和超聲波復(fù)合處理改變了水的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了更多的鈣水合離子，這是電、磁和超聲波復(fù)合處理能夠溶解老垢和除垢的原因。

③電磁超聲復(fù)合處理比單獨(dú)使用電磁處理殺菌效果提高了40小時(shí)。在該實(shí)驗(yàn)中，電磁超聲組的殺菌率達(dá)到了98.6%，而使用電磁處理的組殺菌率僅為91.1%。

④單獨(dú)使用脈沖高壓靜電場處理時(shí)，224小時(shí)滅藻率為64.2%。而電磁超聲復(fù)合處理時(shí)，160小時(shí)滅藻率最高，達(dá)到了94.9%。

⑤經(jīng)過電磁和超聲復(fù)合處理后，通過顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)絲狀藍(lán)藻細(xì)胞的絲狀體斷裂，并釋放出其內(nèi)容物。隨著處理時(shí)間的延長，藻體碎片變小，顏色逐漸變淺，這可能是由于細(xì)胞膜穿孔和氧化破裂所致，也可能是由于產(chǎn)生的強(qiáng)氧化物如超氧陰離子自由基和烴自由基以及過氧化氫等作用導(dǎo)致藍(lán)藻死亡。

4.總結(jié)

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：在運(yùn)用電磁-超聲結(jié)合除垢后，CaCO3和CaSO4晶體的析出速度大大提高，其殺菌率比單獨(dú)用電磁處理法高了7.5%，這表明前者這種除垢方式相比現(xiàn)有技術(shù)的除菌率大大提升，而98.6%的殺菌率側(cè)面說明電磁-超聲結(jié)合除垢方法可基本實(shí)現(xiàn)大面積的殺菌。而電磁-超聲結(jié)合除垢方法在比單獨(dú)使用電磁處理法時(shí)間短了60多個(gè)小時(shí)的情況下依然能實(shí)現(xiàn)滅藻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后者，說明這種復(fù)合除垢方式除垢效率高，效果明顯。

電磁-超聲結(jié)合除垢技術(shù)是一種利用電磁場和超聲波相互作用的新型除垢技術(shù)，具有高效、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。未來該技術(shù)在工業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，可以替代傳統(tǒng)的化學(xué)清洗方法。該技術(shù)目前已經(jīng)有了一定的實(shí)踐應(yīng)用，并取得了一定的成果，因此其可行性較高。然而，該技術(shù)也存在一些問題，例如設(shè)備成本高、工藝流程復(fù)雜等，需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。