复合交变电磁波技术处理循环冷却水的研究与应用

徐相旺

（汉德森工业装备（北京）有限公司，北京 100010）

循环冷却水是工业生产过程中必不可少的冷媒介质。由于水中含有各种盐类，在循环使用的过程中，盐类物质饱和后析出，附着在热交换设备和管道的表面，造成设备结垢、腐蚀、滋生微生物细菌和藻类等问题，影响换热效率，导致装置产能降低、能源消耗增加、资源浪费。

为解决循环水存在的问题，传统的处理方式是向水中添加各类化学药剂。随着国家环保要求的提高，不理想的循环冷却水处理效果和化学污染给企业造成沉重负担。尽管企业通过中水回用、污水回用等方式降低循环冷却水补水量，但未从根本上解决循环冷却水的结垢、腐蚀、滋生细菌和藻类，以及化学污染排污等问题。

2020年12月31 日国家发改委、科技部、工业和信息化部、自然资源部等四部委联合发布了《绿色技术推广目录（2020年）》的通知，其中第二项：“清洁生产产业”第17条“利用复合交变脉冲的电磁波循环冷却水处理技术”被列为了推荐的物理法循环水处理技术。

1 利用复合交变电磁波处理循环冷却水的原理

电磁波是互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的振荡粒子波。复合交变电磁波是随时间变化的多个不同频率电场和磁场。

复合交变电磁波处理工业冷却循环水是将电磁波的特性作用于循环水，因水分子是抗磁性的，能够受到外部磁场的作用但是不能够维持磁力，故水分子受到洛仑兹力的影响，使偶极的取向发生变化，氢键发生畸变，由大分子团变成多个小分子团，同时，存在于水中的水合离子也受到洛仑兹力影响，作螺旋式的圆周运动，且正、负离子旋转方向相反，水分子的偶极子极性增强，增加了水对盐的溶解度，pH值上升。偶极子的负极与水中的Ca2+、Mg2+等阳离子亲和，偶极子的正极与水中的CO32-等阴离子亲和，大量的正负偶极子分别包围着Ca2+、Mg2+、CO32-离子，形成微小、针状、松散的轻质文石晶体结构。随着循环水的流动，轻质文石晶体被水流带走，进入到循环水池后由于流速的降低沉积到循环水池池底，或者是通过旁路过滤器进行过滤，有效阻止了方解石结构的CaCO3在换热表面的形成，达到阻垢目的。同时，这些小分子团的水具有更强的渗透能力，更容易渗入水垢与容器壁的间隙，使垢层松散，温度变化时，设备表面与垢层之间产生应力，在水的冲击下垢层破裂脱落。

2 验证实验及结果

2.1 验证实验

为验证其阻垢效果，利用模拟循环冷却水系统在不加任何药剂的情况下对循环水进行循环处理。将电磁波发生器串联安装在模拟循环冷却水系统中，在相同的工艺运行情况下，开启电磁波发生器对循环水进行处理。其中模拟换热器内安装了4根换热管，分别编号1-4号。并在模拟换热器两端安装有流量计、温度传感器1、温度传感器2，监测换热器内换热管的流速、温差。利用循环水泵进行循环。模拟循环水系统工艺流程图见图1。补充水水质数据见表1。

表1 补充水水质数据表

图1 模拟循环水系统工艺流程图

工艺运行数据为模拟换热器的温度设定为80～100℃，模拟换热器温差设定为10℃，换热管流速设为0.5 m/s。在不施加复合交变电磁波的情况下运行一段时间后的循环水的水质数据见表2。

表2 使用复合交变电磁波处理前水质数据表

通过数据可以看到循环水钙硬度在逐渐降低，其余各项指标都有不同程度的增长。查看模拟换热器中换热管，发现换热管内已经严重结垢。将其中一根换热管（1号）取出，并重新安装了一根新的换热管（5号）到模拟换热器内再次运行，并对循环水施加复合交变电磁波一段时间，水质数据表见表3。

表3 使用复合交变电磁波处理后水质数据表

通过施加复合交变电磁波的循环水数据可以看到循环水钙硬度与未施加复合交变电磁波一样始终在减少，而总硬度的增长速度却有所减缓。钙硬度及总硬度对比图见图2和图3。

图2 钙硬度对比图

图3 总硬度对比图

通过仪器对未施加复合交变电磁波的1号换热管进行分析后得出结果为方解石状的碳酸钙晶体见图4。

图4 方解石状的碳酸钙晶体图

同样又对施加复合交变电磁波5号换热管进行分析后得出的结果为文石状碳酸钙晶体见图5。

图5 文石状碳酸钙晶体

对全部参与整个过程的2-4号换热管垢样进行分析后的结果为方解石碳酸钙晶体占换热管垢样的45.6%，文石状碳酸钙晶体占54.4%。

2.2 阻垢除垢效果

通过实验的水质数据和换热管观察分析来看，1号换热管未施加复合交变电磁波循环水的钙离子形成了方解石碳酸钙晶体，堆积附着在换热管。5号换热管施加了复合交变电磁波的循环水形成了文石碳酸钙晶体，未附着而是停水后沉积在了管壁上，用高压水枪水冲洗后均可以掉落且没有堆积在换热器管壁。虽然两者的钙离子含量都呈下降趋势，但造成的影响截然不同。

从2-4号换热管的情况来看方解石碳酸钙晶体占换热管垢样的45.6%，而文石状碳酸钙晶体占54.4%，施加复合交变电磁波后能够将原有的水垢清除，具有除垢的功能，但短时间内无法全部除掉。

3 复合交变电磁波对腐蚀的控制

3.1 控制原理

管道和换热器的腐蚀大多数是通过预膜或添加缓蚀性药剂来解决。而大部分缓蚀性药剂当中都含有磷，会给细菌和藻类提供营养源，造成生物粘腻，而生物粘腻附着带来的换热效率的降低是方解石碳酸钙的数倍。

冷却循环水的腐蚀问题主要是溶解氧引起的电化学的腐蚀，即氧化和还原过程中所造成的腐蚀。而复合交变电磁波技术是在氧化还原的过程促使更多的氧原子与钢材表面的铁离子结合提高氧原子的还原能力，从而形成致密磁铁矿，而磁铁矿的主要成分是Fe3O4，可以有效控制换热系统的进一步腐蚀。

3Fe（OH）2→Fe3O4+2H2O+H2

对换热管的分析结果显示，在经过复合交变电磁波处理后，能够在钢材表面形成Fe3O4，其中的Fe3O4占比达到91%。但是没有完全形成，因此Fe3O4的形成在短时间内无法完成。

根据复合交变电磁波的防腐原理利用挂片的形式判断腐蚀情况不适应于该技术。因为不同于化学方法，缓蚀剂是对有腐蚀的地方形成保护层，复合交变电磁波技术的保护层是通过牺牲一层钢材来产生磁铁矿层，如果把腐蚀的产物放到腐蚀率的计算中会产生误差。在挂片实验中，没有什么办法可以区分磁铁矿层和Fe2O3层，但可以根据 国标GB/T 50050-2017《工业循环冷却水处理设计规范》中的铁离子含量来判断腐蚀情况。

3.2 控制指标分析

通过项目的实际应用和实验结果看，在不添加任何化学药剂的情况下利用复合交变电磁波技术对循环水进行处理能够符合国标GB/T 50050-2017《工业循环冷却水处理设计规范》控制要求。在国标中的碱度+硬度≤1 100的指标，在利用复合交变电磁波技术时可以相应提高，该技术能够促使水中钙镁离子与碳酸根离子提前结合形成文石晶体的碳酸钙。

对于电导率，在使用药剂处理法时电导率越高腐蚀也越难控制，相应的缓蚀剂费用也越高，复合交变电磁波技术能够在钢材表面形成Fe3O4防腐层，电导率升高不会导致腐蚀加快。但因Fe3O4防腐层的形成需要一定时间，提高电导率时需要稳步提升的过程。

4 经济效益分析

在某企业的煤气发电机组循环水系统中。其循环量为7 000 m3/h，保有水量为1 200 m3，温差10℃。采用添加化学药剂来解决循环水系统中的结垢、腐蚀、细菌及藻类等问题。年药剂使用费用30万元。2020年6月23日正式投运了电磁波水处理系统，在完全停止添加所有化学药剂的情况下运行稳定，通过对比来看，循环水系统各项监测数据指标都在控制国标准规范内，凝汽器换热率好于添加化学药剂同期，循环水系统运行正常。

4.1 投运前后水质指标对比情况

投运前后水质指标对比见表4及表5。

表4 投运前水质指标表

表5 投运后水质指标表

4.2 投运前后凝汽器效果对比

在使用了复合交变电磁波处理后未出现硬垢，并优于往期使用化学药剂的水平，换热管也形成了Fe3O4防腐层。

4.3 浓缩倍数的提高

工业循环冷却水中，浓缩倍数是指水蒸发后浓缩的物质含量与补充水中同一物质含量的比值，或指补充水量与排污水量的比值。提高工业循环冷却水的浓缩倍数，可以降低补充水的用量，节约水资源；可以降低排污水量，从而减少对环境的污染和废水处理量；可以降低工业循环冷却水处理的成本。

浓缩倍数通常是根据电导率或氯含量等来计算。电导率的测量及计算比较方便，然而要得到比较精确的结果，要根据氯含量来计算，因为在水中氯比较稳定，即使浓缩倍数很高或时间较长，氯也不会转变为其他化合物。

通过对该项目投运前后的浓缩倍数计算得出节水情况如下。

投运前补水量为175.5 m3/h。投运后补水量为142 m3/h。

工业循环冷却水系统按每年运行350天，每天连续不间断运行，即每年运行时间为8 400 h，节水12.6万t。

由此可以看出，提高浓缩倍数时，排放的水量减少，可起到节约用水的效果。而在使用电磁波水处理系统，提高浓缩倍数并不是唯一的节水方式。在浓缩倍数较低时，因为没有化学药剂残留问题，也可通过循环利用排放的水，依然达到节约用水的目的。

采用化学方法处理时，水中添加了化学药剂，排放的水不能够被循环利用，只能通过提高浓缩倍数来节约用水，而过高地提高冷却水的浓缩倍数会使冷却水中的硬度、碱度、电导率、氯离子太高，造成水的结垢倾向增大及腐蚀性增强等问题。

因此，工业循环冷却水系统采用的浓缩倍数通常情况根据各企业情况而定。当浓缩倍数达到5倍以后，节水效果明显下降，应综合全面考虑、合理控制浓缩倍数，达到节能降耗阻垢的目的。

5 结论

综合以上分析，得出利用复合交变电磁波技术处理工业循环冷却水应用效果如下。

（1）最直观的经济效益为节省药剂费用，从长期投入变成了一次性投入。

（2）从节约水资源来看复合交变电磁波技术能够提高电导率、碱度、硬度的数据指标，没有外来Cl-的额外增加，相应提高浓缩倍数，达到节水效果。

（3）排污水因为没有化学药剂成分可二次利用，同时也减轻了污水处理厂的处理压力。

（4）一边使用一边形成防腐层的功能可以缩短维护周期、降低预处理费用。

（5）文石状态碳酸钙不附着热交换设备便于换热器清洗，节省清洗费用，减少停产，提升产能。

（6）热交换设备由于循环水良好的阻垢缓蚀、杀菌抑藻的效果，延长了设备的使用寿命、提高了设备的热交换能力，提高产能、降低能耗，减少设备二次购置费、降低碳排放，符合国家政策，经济效益及社会效益明显。

（7）无需购置加药设备及药剂存储空间。

（8）节能环保，无二次污染。