换热设备结垢机理与电磁除垢技术应用分析

段强强　毛东旭　吴倩倩　李志浩　白玉成　来永斌

摘要：换热设备在工业生产过程中扮演着重要的角色，但是结垢问题一直是无法避免的问题。文章从换热设备的结垢机理入手，论述了常见水垢的分类以及形成机理，总结了生产实际过程中常见的水垢清理方法，最后阐述了电磁除垢技术的基本原理与现场运用，为电磁除垢技术在换热设备的运用提供了理论基础。

关键词：换热设备；结垢机理；水垢清理；电磁除垢；工业生产 文献标识码：A

中图分类号：TQ051 文章编号：1009-2374（2016）08-0043-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.08.023

1 概述

换热设备（加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器等）在炼油、化工、制药、轻工、机械、食品加工、动力以及原子能工业部门等工业生产中扮演着重要的角色。但是换热设备若长期运转工作，因介质的腐蚀原因、冲蚀原因、积垢原因、结焦原因，将会使管子内部以及外部表面出现不同程度上的结垢现象，对换热设备性能产生不利的影响，严重的甚至会造成换热设备堵塞现象。据有关数据显示，换热设备受热面如果结有1mm的水垢，就会使煤的消耗增加1.5%～2%，换热效率降低10%～20%。另外，由于受热面上结有水垢，还会使金属管壁发生局部过热。当壁温超过其工作的极限温度时，会使管子产生鼓包现象，严重的会引起锅炉爆管事故，使人身、财产安全受到严重的威胁。因此，明确换热设备结垢的原因，采用合理的措施处理和预防结垢，对换热设备的安全生产与资源的高效利用都有着重要的意义。

2 结垢机理分析

2.1 水垢的分类

水垢按其主要化学成分可分为钙镁水垢、硅垢、磷酸盐垢、铜垢、铁垢等。对于常见换热设备来说，可以按照结垢机理的差异，将相关水垢划分成以下四种类别：（1）析晶结垢。过饱和的溶液中，溶解的无机盐结晶而形成的水垢；（2）化学结垢。由于流过的液体与换热设备产生化学反应而形成的水垢；（3）微粒型结垢。溶液中由于悬浮的固体颗粒如砂粒、灰尘、炭黑，在换热面上的聚集而形成的污垢；（4）腐蚀型结垢。由于溶液中本身具有腐蚀性或流过液体的腐蚀性而对容器产生腐蚀形成的水垢。以上分类只是表明单个过程致使水垢的形成，然而结垢往往是多种过程共同作用的结果，并且相互影响，换热设备上的实际污垢中，常常是多种污垢混合在一起的。

2.2 水垢的形成机理

在硬质水环境中，水垢的形成与水的饱和指数有关，在水的饱和指数以下或者刚好达到水的饱和指数，水垢就不会形成。如果超过水的饱和系数，水垢就容易形成。有关研究表明，常见的水垢主要有颗粒状水垢、碳酸盐水垢、硫酸盐水垢、氢氧化物水垢、磷酸盐水|

垢等。

在常温或者比较低的温度条件下，随着不溶性盐的逐渐生成，聚集于管道内，从而形成水垢。

3 常见的水垢清理方法

在多年的生产实际中，人们针对水垢的形成原理进行了比较深入的研究，得出了很多水垢的清理方法，按其工作原理大体可分为机械清洗法、化学清洗法、物理清洗法、生物清洗法等。

3.1 机械清洗法

常规的机械清洗法主要是提供一种比污垢黏附力更强的力有效去除附着的相关污垢。一般情况下，该种清洗方法能够除去采用化学方法不可以有效除掉的硬质垢、碳化污垢。从机械清洗方法分类上来看，主要包括以下两个方面：（1）第一类属于强力清洗。具体来说，强力清洗法主要是借助高压喷射装置把介质通过极高冲击压力有效喷入到换热器壳侧以及管侧，从而起到较强的除垢作用。现阶段，常见强力清洗方法包括喷丸清洗方法、高压水射流方法、喷气清洗方法、喷砂清洗方法、强力清管器方法等。（2）第二类属于软机械清洗。该清洗方法主要是依靠插入物的实际运动情况，与管子内部的表面充分接触，最终实现除污垢效果。比较常见的方法包括旋转螺旋线清洗法、液固流态化清洗法、旋转纽带清洗法、螺旋弹簧振动清洗法、海绵胶球的在线清洗方法。其清洗期间的插入物在型式上是多种多样的，例如海绵胶球法主要是把直径稍大于管子内径的海绵球有效挤入到管内进行除垢操作，也可以利用钢丝刷进行清洗硬度相对较低的污垢物。

3.2 化学清洗法

常见的化学清洗主要是借助化学清洗液，产生相应的化学反应，从而溶解换热器中水垢以及其他形式的沉积物，最终使其脱落或者是剥离。

3.3 物理清洗法

物理清洗法主要是指利用各种机械外力以及能量等粉碎污垢，使其与物体表面剥离，最终达到清洗效果。从常见清洗方法上来看，包括超声波除垢方法、PIG清管技术方法、电磁除垢方法等。比如，超声波除垢一般是借助超声波特有的空化效应、抑制效应、活化效应等进行除垢。

3.4 微生物清洗法

微生物清洗法的清洗机制是借助微生物内细胞产生的催化洗涤剂将清洗对象表面污物进行分解，进而转化为无毒以及无害水溶物质。该清洗法所用的清洗剂称为微生物催化洗涤剂（酶），可以把污染物以及有机物实施彻底分解，属于环保型的清洗方法。

以上所述的清洗方法都有自己的优点与适用范围，但是从节能高效的角度来看，在物理方法中的电磁处理法因其投资小，集防垢、除垢、杀菌等功能于一体的清理方法而受到广泛的关注。

4 电磁除垢技术

4.1 电磁除垢技术的基本原理

众所周知，水是由一个氧原子和两个氢原子组成的，通常水中80%的水分子是由氢键缔合成水分子团的形式，这种水分子团对碳酸钙（水垢）的溶解程度较低，使水垢很容易析出。变频共振就是向水中施加一个与其自然频率相同的频率，从而引起水分子产生共振，共振的结果，使氢键断开，使水分子团变成单个的极性水分子，因而提高了水的活化性和对水垢的溶解度，极微小的水分子可以渗透、包围、疏松、溶解、去除热水器、锅炉等热交换系统内的老垢。同时，浮在水中的钙离子和碳酸根离子相互碰撞，形成特殊的文石碳酸钙体，其表面无电荷，因此不能再吸附在管道上，从而达到除垢、防垢的目的。

4.2 电磁除垢技术的研究与现场应用

截至目前，国内外的众多专家、学者对电磁除垢技术进行了广泛的研究。武汉大学的王洋等利用自行设计的高频电磁水处理器外加电子显微镜与核磁共振技术，验证了经过电磁水处理器处理过的水，其分子团减小，活性增加，水的结垢现象将大大降低。北京工业大学的陈金辉等在自行设计建立的电磁抗垢、减垢实验装置上，对冷态工况下低频电磁抗垢、减垢技术机理进行了实验研究。实验结果表明，低频电磁能使污垢晶体的结构发生明显变化并有抑制污垢晶体尺寸长大的作用。从污垢晶体本身入手，通过实验的方法验证了电磁除垢技术在除垢、抑垢的作用。另外，电磁除垢技术在现场也有着较广泛的应用，并且取得了良好的经济效益。

位于胜利油田的河采油厂某计量站，油流量为400

方/日，操作温度为50℃～70℃，管道内壁的结垢现象一直以来是非常严重的问题，平均来说每隔3～5个月就要对管道安排一次清垢处理。管道结垢现象不仅给正常生产带来了严重的影响，处理后的污水对环境也造成了严重的污染。鉴于此，2010年4月该公司引进了电磁防除垢装置。据有关数据显示，管道内壁的结垢层自安装一年后从原来的5～8mm减少到1～2mm，并且水垢的清洗难度大大降低，为水垢的后续清洗也带来了极大的便利。并且，该装置的运行功率为120W，只要接通220V电压就能正常运转，操作比较简单。

江苏油田某锅炉房常年在役使用，虽然已经通过加药剂的方法对水质做了软化处理，但是锅炉内的结垢现象仍然比较严重，水垢的厚度曾普遍达到2mm以上，锅炉的安全生产存在着严重的威胁。在锅炉上安装电磁防除垢装置工作四个月后，发现锅炉内的水垢平均厚度减少到0.52mm，并且水垢质地蓬松变软、厚度减小，与传统的处理方法（主要是加除垢剂与防垢剂）相比较，大大降低了操作成本。据不完全估计，安装电磁防除垢装置可使锅炉节煤105t/a，大大节省了能源的消耗。

5 结语

电磁除垢技术因具有投资小，操作相对简单，不会产生二次污染，集防垢、除垢、杀菌等多种功能于一体等优点而受到广泛的关注，但是电磁除垢技术的理论研究还主要局限于实验研究与假设论证阶段，现场运用也暂时局限在比较小的领域，对于大范围的长输天然气、石油等管道仍没有得到大范围的运用。随着计算机模拟以及对分子动力学研究的不断深入，电磁除垢技术将有更加广阔的研究前景与意义。

参考文献

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基金项目：2014年地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目（AH201410361159），2013年度安徽理工大学重大教学改革研究项目（2013zdxm28）。

（责任编辑：蒋建华）