磁化除防垢技术在选矿厂管路上的应用展望

毛欣钰， 王宇斌， 卫亚儒， 王望泊， 李淑芹

(1.西安建筑科技大学 资源工程学院，陕西 西安 710055)(2.西北有色地质矿业集团有限公司，陕西 西安710054)(3.西安西北有色地质研究院有限公司，陕西 西安 710054)

0 引 言

硫化矿浮选和贵金属浸出生产中，使用石灰乳等富含钙离子的动态水，易导致矿浆管路、冷却水管路及锅炉等各类辅助设备结垢[1-3]，引起管壁腐蚀和管道堵塞[4]，进而影响矿物的选别过程、选矿厂的安全运行和经济效益[5-6]。如国内水口山铅锌矿选厂采用高碱细磨优先浮选工艺，导致在锌尾矿浓密机溢流水管道中以及通向选硫车间的管道中结垢严重，严重影响生产[7]。又如铁山垅钨矿选矿厂的回水中含有泥浆和众多有害离子，管道在长时间作用下其内壁结有厚厚的泥垢，导致内孔径逐渐变小，水量骤减，电耗增加[8]。此外，磁选厂中循环水系统的供水管道和强磁选机齿板都存在不同程度的结垢现象。为保证选矿厂生产的顺利进行，并实现节能环保、指标稳定的目标，探索高效的除垢工艺显得日益重要[9-10]。常规的化学和物理除垢法存在投资成本高、处理费用大、需处理二次污染物等问题。新型磁化除垢工艺，可对含钙镁离子较高的工业用水实现除垢处理，且无化学药剂的二次污染，适用范围广[11-12]。文章介绍了除防垢技术的发展现状、存在问题，展望了利用磁化技术去除选矿厂管路垢体的应用前景。

1 管路常见除垢技术简介

目前常用的除垢技术有化学除垢和物理除垢两种[13-15]。其中化学除垢主要包括螯合试剂除垢、碱洗除垢和酸洗除垢等，而物理除垢则主要包括机械除垢、超声波除垢、电化学除垢和磁化除垢等。不同除垢技术的原理及优缺点对比[16-25]见表1。

表1 化学、物理除垢技术对比

由表1可知，上述除垢技术虽有一定的除垢效果，但也存在投资成本高、处理费用大、需处理二次污染物等问题，而且在不同行业的适应性较差，只能应用于某一行业。这些问题均限制了上述技术在选矿厂管路除垢防垢的实际应用。

2 磁化除垢防垢技术研究进展

磁化法除防垢的原理是当水溶液流过强磁场的净化设备时，水中的钙镁离子和碳酸根等离子由于电荷不同，在洛仑兹力的作用下改变原来的运动方向，而向相反方向偏离，从而失去反应生成垢体的条件。磁化除防垢技术不仅具有可在线连续工作、不干扰正常生产、环保水平高、运行成本低等优点，也避免了成本浪费、环境污染和操作复杂等问题[26-27]。为了有效解决结垢问题，新型高效的磁化除(防)垢技术逐渐受到研究者的重视[28]。

2.1 磁化除垢技术研究进展

目前磁化除垢理论方面的研究主要集中在磁场性质对除垢效果的影响。王斌等[29]利用扫频磁场处理水中的样品，并对其结垢情况进行分析研究发现扫频磁场对含原油的污水水垢有较强的除垢作用。姜德宁等[30]利用麦克斯韦方程和边界条件计算了交变磁场在水管中的场分布，并研究了水的温度和硬度等参数与结垢量的关系，认为当水的硬度小于700 mg/L时，不同的管径对应的结垢磁感应强度阈值相近，而功率阈值不同。王宇斌等[31]进一步优化了磁化除垢的条件，提出在磁化时间为0.5 h、电流频率为0.6 kHz、线圈匝数为100圈、C0(Ca2+)为1 000 mg/L、波形为方波时磁化除垢的效果最好。

Clifford Y.Tai等[32]则采用不同强度的永磁体研究磁场对悬浮在流化床中方解石晶体生长的影响，发现磁化处理有助于碳酸钙从难以移除的方解石向粉末状的文石转变。Shahryari A等[33]在试验室研究了磁流体动力学效应对磁处理装置除垢效率的影响，发现当冷却水流速为0.5 m/s时，换热器中的污垢阻力降低了76.3%。若水流速度增大则会导致调制磁场的阻垢效率降低，并且在0.8 m/s和1.3 m/s水流速度下污垢阻力分别下降了64.3%和57.8%。

其他研究者则对新型磁化除垢设备的设计及其除垢效果比较关注。徐耀良等[34]通过研究电厂中应用新型凝汽器除垢装置的效果，分析其作用原理并与常规除垢方法进行比较，发现其具有良好的除垢效果，还能起到节能减排的作用。李杨等[35]通过对永磁除垢器的磁场进行有限元分析和设计，从而实现了对除垢器的单点进行测试，也强化了磁场的整体分析性和磁场可视化。费继友等[36]提出了STM32F103变频水磁化处理系统的试验设计方案，提高了水处理设备除垢能力和环境适应性，使设备的阻垢率达到了78%，除垢率也达到了61%。侯宏录等[37]针对管道结垢引起的设备腐蚀问题，提出了一种由可变频方波信号控制的电磁除垢电路解决新方案。王金燕等[38]设计了一套针对输油管道的模拟电磁波除垢设备，以模拟不同线圈匝数以及不同频段下电磁波除垢效果试验，并将除垢条件优化为：线圈匝数25圈、电磁波频段为14～16 kHz。

2.2 磁化防垢技术研究进展

利用磁化水防垢的研究始于1945年，比利时的T.Vermeiren提出将磁化水应用于锅炉管路的防垢处理并申请了相关专利，以此为基础，国内外众多学者对此进行了深入研究，并取得了一定共识。

溶液中的离子种类不同，磁处理的效果也不一样。刘有昌等[39]认为磁场能影响碳酸钙的结晶过程，但对硫酸钙的结晶过程影响较小。张宝铭[40]也认为磁处理对含SO42-溶液的除垢效果不佳。当水中含有SO42-时，磁化抑垢效果被破坏，一般来说含有SO42-的水，不要使用磁化处理抑垢。谢绮芬[41]认为由于SO42-离子的水合能高于碳酸根的水合能，所以处理永久硬度较高的水(大于7mmol/L)，宜设计磁感应强度较高，综合磁参数较大的磁水器。林艺辉[42]借助析晶动力学监测系统，研究了一定强度磁场对碳酸钙过饱和溶液的析晶过程的影响。定量的、可重复的数据表明：在一定的Ca2+和CO32-浓度范围内，磁场对碳酸钙晶体的生长析出具有明显的抑制作用。对不同溶液进行磁处理的试验结果显示，磁场阻垢既通过成垢阳离子Ca2+起作用，也通过成垢阴离子CO32-起作用。

磁处理的效果与溶液pH值紧密相关。那景丽[43]等发现磁处理的抑垢率随着碱度的增加而增加，当水中碱度大于8 mmo1/L时，磁化水的抑垢效果较好。柴天禹[44]认为pH值对磁化处理CaSO4垢体不敏感，对CaCO3垢体的影响则较为明显。张宝铭[40]则发现在某地试用磁化处理设备过程中的除垢效果不佳，认为pH值在8附近为宜，pH值过低或过高，磁处理效果均不理想。

磁化可明显改变溶液性质。如杨明等人[45]发现磁化前后蒸馏水、自来水和焦化废水的电导率等性质在磁化时呈现明显的周期性变化，且变化情况与磁场强度和磁化时间有关。其他研究人员[46-47]进一步认为磁化阻垢机理主要集中在磁场能改变成垢晶体的结晶速度、晶粒大小及晶体的晶型等。

国内外众多学者针对磁化防垢的机制展开了较为详细的研究。刘振法等[48]研究了稀土永磁材料与聚天冬氨酸的协同阻垢机理，他们针对磁场强度、温度、水质硬度和药剂用量下阻垢效果展开了试验。Nelson Saksono等[49]围绕磁场的离子机制和粒子机制对碳酸钙沉淀的影响进行了讨论，并发现在磁化过程中粒子机制可降低溶液中钙离子的浓度，而离子机制则降低了磁化分离过程中CaCO3晶体的形成。Chang M C等[50]在磁场作用下采用流化床结晶器对碳酸钙的多晶型文石进行了一系列生长试验。研究表明：文石晶体在较低的酸碱度环境中生长较快，而方解石几乎不会生长，并且高水平的过饱和度和不统一的活性比有利于文石生长。

在此基础上，有学者针对磁化防垢在实际应用方面也进行了探索，如王建国等[51]设计了动态电磁试验装置，在给定试验条件下进行了磁化防垢试验，通过理论分析确定了抑制碳酸钙结晶的磁场强度最优值为0.02 T。国外的Deng A H 等[52]研究了最大磁通密度为4.1 T可调恒磁场对硬水在无杂质离子时碳酸钙沉淀过程的影响。结果表明：磁场通过影响溶液中离子的水化过程来改变水化CaCO3作为晶核前驱体的脱水过程，进而改变了水团的结构，从而影响了CaCO3的沉淀过程。

2.3 磁化除(防)垢研究存在的问题

关于磁化除垢的研究虽然取得了较大进展，但也存在如下问题有待解决：

研究的试验方法比较单一，导致已有研究对磁化设备参数影响规律认识不足，参数控制也不够精确。已有磁化除垢研究中多采用单因素试验方法，而在试验室试验和工业应用中，由于交变磁场除垢的过程中影响磁化处理效果的因素较多，单因素试验难以揭示不同因素对磁化处理效果的影响规律，尤其是关于不同作用因素之间的交互作用对磁化除垢效果研究较少，也就难以组合最优的除垢条件，也易造成其磁化除垢效果不够稳定，在工业应用中的除垢效果差强人意。

磁化除垢效果适应性差。由于不同行业的生产工艺、水质不同，工艺参数比如温度、液体运动状态等都存在很大不同，这也使得不同行业的管路垢体多样化。常见的垢体除了碳酸钙和硫酸钙等无机盐垢，还有腐蚀垢和泥沙等沉积垢。由于上述不同种类垢体的成垢规律不尽相同，这就导致不同行业的磁化除垢设备及参数也应根据影响磁化除垢效果的因素和实际垢体来进行研究和设计，但是目前的磁化除垢设备磁场特点比较单一，因此，如何研究并设计针对性强的磁化除垢设备也是一个迫在眉睫的难题。

磁化除垢机理研究有待深入。尽管众多学者针对磁化除垢机理进行了大量研究，也取得了不少成果。但是这些研究均没有综合考虑不同磁场方向、磁场与药剂耦合作用等对除垢效果的影响，这导致他们的研究结果差异较大，甚至研究获得的磁化除垢机理也难于统一。故有关磁化除垢的研究成果能否应用于选矿厂矿浆管路也有待验证。

3 结 论

解决选矿厂管路结垢问题采用的物理化学除垢工艺存在投资成本高、处理费用大、清洗困难和需处理二次污染物等问题。新型高效的磁化除防垢技术不仅具有可在线连续工作等优点，也可避免操作复杂等问题，并已初步应用于锅炉和冷却水等系统管路的阻垢处理。虽然磁化除防垢技术在选矿厂矿浆管路除垢过程中有很好的应用前景，但该技术在实际应用中也存在着磁化除垢效果对不同种类管路适应性差、磁化设备参数不精确及其影响规律不明确、磁化除垢机理认识不够深入等问题，而针对性强的高效磁化除垢设备的研发也应受到重视。