电磁场协同处理电厂循环冷却水阻垢实验

杨星，刘智安，龙山，邵晓珏，马文博，孔德豪，牛慧杰

（内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古呼和浩特010051）

电磁场协同处理电厂循环冷却水阻垢实验

杨星，刘智安，龙山，邵晓珏，马文博，孔德豪，牛慧杰

（内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古呼和浩特010051）

采用自制的双通道工业循环冷却水分析实验台和磁电协同式工业循环冷却水阻垢处理器对火电厂循环冷却水进行了动态模拟阻垢实验研究。通过正交实验，优化了影响阻垢率的实验参数；通过对换热铜管表面的CaCO3水垢晶体所进行的SEM和XRD分析，研究了经电磁场协同处理后，水垢晶体中文石和方解石含量的变化。研究表明，在脉冲方波占空比为70%，脉冲方波频率为100 Hz，水流速度为0.870 m/s，离子棒电压为5 kV时，在动态模拟实验运行30 h后，阻垢率可达78.23%。经最佳方案组处理后的方解石晶体的生长受到抑制，促进了文石晶体的生长。

循环冷却水；阻垢；电磁场协同；方解石；文石

火力发电厂的循环冷却水使用过程中，经常遇到污垢沉积、淤泥、生物黏泥和腐蚀产物等问题〔1〕。污垢沉积在换热面上将使换热器总传热系数降低，换热效率下降，严重时污垢还会造成管道阻塞，增大水泵的功率消耗〔2〕。

循环冷却水中的水垢主要由CaCO3、Ca3（PO4）2、CaSO4等微溶盐组成〔3〕。当循环冷却水流经换热器时，达到过饱和状态的CaCO3结晶析出，从而沉积在换热器表面形成水垢〔4〕。水垢控制就是抑制这些结晶的析出。目前工业中常用的阻垢方法主要为化学药剂法，此法向水中添加阻垢剂可以达到阻垢的目的，但存在着化学药剂消耗量大、对水环境造成二次污染等弊端〔5〕。目前广泛兴起的物理阻垢法由于具有无二次污染、运行成本较低等优点〔6〕，已经成为工业循环冷却阻垢技术的主要研究方向。

笔者以火电厂循环冷却水为研究对象，利用实验室内自制的双通道工业循环冷却水分析实验台和磁电协同式工业循环冷却水阻垢处理器对火电厂循环冷却水进行了动态模拟阻垢实验研究，并对换热器铜管表面的CaCO3水垢晶体进行了扫描电镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）分析，观察水中CaCO3垢样晶体中方解石、文石的形貌及晶体的变化。

1　水质分析方法及实验水质

实验用水水质及水质检测方法如表1所示。

表1　实验用水水质及水质检测方法

2　实验流程及实验方法

2.1实验装置及流程

利用实验室内自制的双通道工业循环冷却水分析实验台（简称实验台）和磁电协同式工业循环冷却水阻垢处理器（简称阻垢处理器）对循环冷却水进行动态模拟阻垢实验。实验台主要由5部分组成：循环水系统、加热水系统、补水系统、补钙离子碱度系统、数据采集系统。实验台的流程如图1所示。

图1　实验流程示意

由图1可见，循环冷却水经水泵，再经过处理器进行阻垢处理，通过电磁流量计后，进入换热器内与加热水进行热量交换（换热器内装有换热铜管），再进入冷却塔，经喷头喷入填料层进行散热，回到集水池中，完成一次循环。冷却塔上部装有轴流风机以保证循环冷却水温度恒定。

阻垢处理器是实验室内自行设计的阻垢处理装置，其主要作用是将高压静电场和脉冲磁场结合在一起，利用电、磁场进行阻垢处理。阻垢处理器结构如图2所示。

图2　阻垢处理器结构

2.2实验方法

2.2.1正交实验

实验中，影响电磁场协同阻垢处理的主要因素有离子棒电压（U）、脉冲方波频率（f）、脉冲方波占空比（Z）和水流速度（v）。实验中以污垢热阻法阻垢率为指标，采用四因素四水平正交实验确定各因素对CaCO3水垢晶体的抑制作用。正交实验因素水平如表2所示。

表2　正交实验因素水平

其他实验参数为：运行时间t=30 h，加热水温度Th=91℃，循环冷却水温度Tc=30℃。实验中因蒸发而损失的循环冷却水通过补水箱补足。

2.2.2阻垢率的计算

实验结束后，根据传热学的热平衡条件，由实验组和对照组的污垢热阻值得出阻垢率，计算公式如式（1）所示。

式中：η——阻垢率，%；

Rf，Tr（t）——实验组的污垢热阻值，（m2·K）/W；

Rf，Un（t）——对照组的污垢热阻值，（m2·K）/W。

3　实验结果及分析

正交实验结果如表3所示。

表3　正交实验结果

由表3可见，通过极差分析可确定影响的主次因素，极差越大，对阻垢率影响越显著。对正交实验阻垢效果影响依次是：U＞f＞v＞Z；控制循环冷却水中CaCO3水垢产生的优化组合为（U2f2v2Z3），即电压4 kV、脉冲频率100 Hz、循环冷却水流速0.401 m/s、占空比为70%。从实验结果来看，第10组实验最接近优化组合参数，阻垢率达到78.23%。

4　垢样的X射线衍射分析

循环冷却水冷却过程中产生的CaCO3水垢晶体主要以方解石和文石形式存在，主要成分都是碳酸钙。其中文石晶体结构疏松，易随水流冲走，减少了在换热器表面的沉积。方解石晶体的结构稳定，易在换热器表面沉积，从而影响换热效果〔7〕。

为了确定在正交实验条件下CaCO3水垢晶体的存在形式，对正交实验第10组的CaCO3水垢晶体进行了XRD分析。由X射线衍射〔8〕可知，实验组文石特征峰的峰面积大于对照组文石特征峰的峰面积。实验组方解石特征峰的峰面积小于对照组方解石特征峰的峰面积。由此可知，经过正交实验条件处理后，方解石晶体的生长受到抑制，促进了文石晶体的生长。

5　垢样的电镜扫描分析

正交实验第10组的CaCO3水垢晶体，处理组和对照组10 000倍下的SEM如图3所示。

图3　垢样的SEM

由图3可见，实验组垢样主要呈断裂棒状，颗粒尺寸较小；对照组垢样主要呈不规则的块状，颗粒尺寸较大。从垢样形貌特征来看，实验组垢样与典型文石形貌特征相似，对照组垢样与典型方解石形貌特征相似。由此可知，经过电磁场阻垢处理后，方解石的生长受到抑制，文石的生长受到促进。

6　结论

研究表明，当脉冲方波占空比为70%，脉冲方波频率为100 Hz，水流速度为0.870 m/s，离子棒工作电压为5 kV时，在动态模拟实验运行30 h后的阻垢率达到78.23%，表现出良好的阻垢性能。XRD研究结果表明，循环冷却水中的方解石生长受到抑制，促进了文石的生长。因此，高压静电场与脉冲变频磁场协同作用具有良好的阻垢效果，是一种环保、经济的污垢处理方法。

［1］刘智安.电厂水处理技术［M］.北京：中国水利水电出版社，2009：243-292.

［2］安慧凤，刘智安，赵巨东，等.高压静电场对火电厂循环冷却水阻垢效果及机理［J］.环境工程学报，2013，7（11）：4295-4305.

［3］Macadam J，Parsons S A.Calcium carbonate scale control，effect of material and inhibitors［J］.Water Science and Technology，2004，49（2）：153-159.

［4］刘智安，赵婧，赵巨东，等.高压静电水处理器腔内电场分布分析与阻垢效果研究［J］.中国电机工程学报，2014，34（35）：6296-6303.

［5］何俊，赵宗泽，李跃华，等.物理方法除垢阻垢技术的研究现状及进展［J］.工业水处理，2010，30（9）：5-9.

［6］张旭，刘智安，赵巨东，等.磁电复合式循环冷却水阻垢处理装置及阻垢实验研究［J］.工业水处理，2013，33（10）：34-36.

［7］何为，王博.工业循环水高频电磁场阻垢机理和试验分析［J］.重庆大学学报，2012，35（1）：45-51.

［8］陈敬中.现代晶体化学［M］.北京：科学出版社，2010：324-331.

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

国家自然科学基金（51068020，51268040）；内蒙古自然科学基金（2009MS0605）

杨星（1992—），硕士。E-mail：270788680@qq.com。通讯联系人：刘智安。E-mail：Lza1232003@aliyun.com。

2016-02-12（修改稿）