磁化法循环冷却水防垢除垢解决方案

一、行业背景

  随着《中国环境法》、《中国水污染防治法》、《国务院水污染防治行动计划》(简称水十条)等法律法规的实施,以及水资源税改革试点工作推进,政府对水体环境的污染防治要求越来越严格,工业污水的排放指标要求也越来越高,监管方式也从之前单一的“强度控制”转变为强度控制与总量控制相结合的“双控”方式,加上在线检测技术的日益完善和环保垂直化管理的推进,企业的污水治理已经成为企业又一个“生死线”。

工业循环冷却水占工业用水主体,占企业用水总量的50-90%。循环水运行过程中常产生结垢、菌藻滋生等问题,为了防止结垢和杀菌,通常是向水中添加阻垢剂等药剂的方法进行处理,我们称之为“化学法”,长期以来“化学法”已成为行业的主流。但添加药剂后的水随着浓缩倍数的增加,会出现设备腐蚀现象,因此一般浓缩倍数控制在2.5到4之间。低浓缩倍率带来污水排放量大的问题,加上水中药剂的存在,给后端的污水处理增加了很大的难度。

  在污水处理环节,常用的中和法、生化法等技术,通常使用化学药剂在解决一个问题或几个问题的同时,会产生新的问题,如为了降低氨氮指标,需要添加磷盐和镁盐,这样氨氮指标达标了,但可能总磷、总盐指标就超标了,这就形成了一个悖论。随着排放标准的提高,企业的污水处理成本将成倍增长,让企业难以承受。

  因此我们一方面需要从源头上采用环保性技术,减少污染。另一方面要实施节水工程,减少排放量,这样后端的治理费用就会大幅下降。

二、物理法防垢除垢技术介绍

  目前对物理方法防垢、除垢的研究主要集中在声场、磁场、电场等各种物理场方面。现以超声场法、磁场法、电场法等为例进行概述。

2.1超声波除垢技术

  超声波防垢、除垢的研究始于20世纪60年代。超声波可以有效地降低积垢沉积速率、提高积垢脱除速率。超声波在水溶液中传播时,可引起液体分子间距离的变化,使分子内聚力大大减小,导致溶液的表面张力和粘度显著降低,从而缩短成垢盐的结晶诱导期,增大其成核速率,垢盐的阴、阳离了就很容易在溶液主体中直接结合生成晶体。同时,超声波对溶液介质的空化作用,可使液体内产生空穴,其破裂时产生的强大压力峰能够将已析出的成垢盐晶体粉碎成细小的颗粒悬浮于介质中,容易随液体流走。

  超声波防除积垢装置连续化、自动化水平高.无化学污染,无需专人操作,冲洗时间大大缩短,减轻工人劳动强度,在环保节能、提高效等诸方面具有重要的意义。但是该除垢方法存在需要添加额外的超声波装置、消耗电能、产生超声污染、对油污垢的去除效果不明显等缺点。

2.2磁场防垢、除垢技术

  磁场防垢、除垢技术根据产生磁场的方式可分为永磁和电磁两类;根据磁体与流体是否接触可区分为浸入式与非浸入式两种;报据磁场方向与流体流动方向间的关系可分为正交式和平行式两种。防垢与除垢效果在很多行业都得到验证,目前成功案例都是在循环冷却水领域。

  关于磁场防垢、除垢的机理,目前是理论落后与实践,很多在实践中达到了超理想的效果,但难以寻找到理论的支撑。

  磁处理防垢除垢是由于同晶异构现象产生同晶异构体,当水溶液流过强磁场时,水中的成垢物质从磁场中获得能量使方解石型晶体变成霰石型晶体,而不形成硬垢,从而达到防垢的目的。

  未经磁处理的水溶液结垢为方解石,经磁处理后.由于分子从磁场中获得能量快速形成霰石、球霰石、胶体碳酸钙存在于溶液中。溶液中的球霰石和胶体碳酸钙能和热交换器上的垢(方解石)反应生成霰石,霰石是不附着的软泥.可随排污排出系统外或沉淀于冷却塔的底部防止水垢的生成。这样磁处理通过水溶液,使老垢(方解石)变成霰石脱落.从能量角度看.磁处理除垢的本质是CaCO3晶体从磁场中得到能量生成能量较高的霰石,从而达到除垢的目的。

  磁场防垢、除垢技术具有应用方便、投资少、运行费用低、无污染等优点,正日益引起人们的关注。

2.3电场防垢、除垢技术

  电场防垢、除垢技术的出现晚于磁场技术。但由于电子电器工业的快速发展,电场防垢、除垢技术的发展势头已超过了磁场处理技术。目前国内外电场防垢、除垢技术大致分静电场、电流场、交变电场3种类型.分别介绍如下。

2.3.1、静电场防垢、除垢技术

  静电场防垢、除垢的原理主要是静电场效应。水分子是种偶极子,在较强的静电场中.它们首尾相接,顺序排列,就像介质在电场中极化一样。当无数偶极子之间混入大量钙镁离了和各种酸根等正负离子或极性化合物时,由于电荷的正负端或离子间产生互相吸引,产生了水合作用,形成具有一定数量配位水分子的水合离子,使钙镁等离子处于水分子的包围中,不易形成水垢。另一方面.水合作用可以增强其溶解能力,使老垢逐渐松散、剥落,达到除垢的目的:

2.3.2电流场的微电解防垢、除垢技术

  向水体施加低压直流电时会产生微电解。在微电解的条件下,离子定向运动和有效碰撞能产生高压静电场的效果,同时电极表面能催化产生活性水。微电解电场的主要作用有:(1)向水中溶解的离子和极性的水分子施加电场力,使它们定向运动;(2)改变水中微小颗粒与水体的界面电位,使离子的水合程度和相互聚集的状况发生变化;(3)改变水分子自身的状态和水分子间的缔合程度等。这些作用产生的阻垢机理有两种:一种是在常温下使水质稳定,增加水的溶解能力,减少结晶,把离子或胶体颗粒稳定在水溶液中;另一种是在高温下持续处理提供晶核种子,促进水中的积垢成分形成松散的泥渣沉于水底。这两种作用相反,但都能达到防垢、除垢的效果。

2.3.3高频电场防垢、除垢技术

  高频电子除垢器进行水处理的原理是运用现代电子技术和分子表而能量重新排列技术,使水休吸收高频电磁能量后,在不改变原有化学成分的情况下,使水中钙镁离子无法与碳酸根结合成碳酸钙及碳酸镁等,从而起到防垢作用。由于水体吸收大量被激励的电子,与盐的正负离子亲合能力增大,从而使管壁上原有的水垢逐渐松软以至脱落,达到有效的除垢效果。高频电磁场防垢、除垢技术目前主要适用于以碳酸钙为主的水垢,对硫酸钙、硅酸钙、氟化钙效果不明显。

三、磁化法防垢除垢系统介绍

  经过两年多的市场调研和现场考察,发现物理法防垢除垢技术都有很多成功案例,也有很多不成功的案例,究其原因是由于物理法对水质有比较严格的要求,水质适合某项技术时,使用效果就会非常好,当遇到水质不适合或水质改变时,不但起不到作用,常常还会起反作用。目前物理法防垢除垢,存在对碳酸钙垢效果好,其他成分垢效果差的问题,这也是目前制约物理法技术推广的一个重要因素。

  磁化法防垢除垢技术,可以根据不同水质设置不同的磁场频率、振幅、频带,调出相应的波形,达到阻垢、除垢、杀菌、灭藻、防腐、阻锈、环保、节能的目的。信号配置成功,设备的使用功率就不会再受循环水因浓缩硬度升高而影响设备的功效,且效果能一直稳定维持下去。设备安装后,运行当天就能看到效果,运行3到6个月系统老垢清除完毕。关于设备的运行效果大家有6大疑问:

3.1、防垢的原理是什么

  磁处理防垢是由于同晶异构现象产生同晶异构体,当水溶液流过强磁场时,水中的成垢物质从磁场中获得能量使方解石型晶体变成霰石型晶体。方解石型晶体主要有:方解石(CaCO3).菱镁矿(Mgco3).铁菱镁矿【(Fe,Mg)co3】.菱铁矿(Fe2o3).菱锌矿(Znco3).菱锰矿(Mnco3).硝菱钾矿(KNo3)。霰石型晶体主要有:霰石(CaCO3).毒重石(MgCo3).硝酸钾矿(KN o3),白铅矿(PbCO3).碳酸锶(SrCO3)等,因大部分循环水结垢是碳酸钙结垢,因此以碳酸钙为例进行说明。CaCO3有四种同晶异构体,能量按胶体碳酸钙、球霰石、霰石、方解石逐渐降低,而稳定性逐渐增强。

  当水溶液流过强磁场时.水中的Ca2+和CO32-由于带的电荷相反。受到洛仑兹力的作用.运动方向向相反方向偏高,偏离夹角垂直时洛仑兹力最大,磁感强度和运动速度大对磁处理较有利。在方解石和霰石分子中C一O的平均距离均为0.125nm.方解石Ca一O的距离是0.237nm.霹石Ca一O的平均距离是0.252nm。霰石Ca一O的距离大于方解石,所以方解石易受洛仑兹力作用生成霰石。

  经过磁处理,冷却水的电导率大大降低,这是由于Ca2+和CO32-经磁处理生成霰石所致。因此磁处理防垢的实质是:同晶异构现象生成同晶异构体,使结构紧密的方解石型晶体从磁场中获得能量生成结构疏松的霰石型晶体,不生成硬垢从而达到防垢的目的。

3.2、除垢的原理是什么

  在磁处理循环冷却水时.只对冷却水进行磁处理,并未对远离磁场的热交换器上的老垢进行磁处理,老垢为什么会掉下来?

  为了便于讨论,将研究的体系理想为一个热力学封闭体系.体系具有可变形的、可进行能量交换的边界,含有Ca2+、CO32-、HCO3- 、CaCO3(方解石)、CaCO3(霰石)、CaCO3(球霰石)、CaCO3(胶体碳酸钙),这些物质除了在某些条件下产生变性转变外.主要变化有:①Ca2++2HCO-→CO2+H2O+CaCO3(方解石、霰石、球霰石、胶体碳酸钙)

②Ca2++CO32-→CaCO3 (方解石、霰石、球霰石、胶体碳酸钙)

③m1CaCO3(球霰石)+n1CaCO3(方解石)→(m1+n1)CaCO3(霰石)

④m2CaCO3(胶体碳酸钙)+n2CaCO3(方解石) →(m2+n2)CaCO3(霰石)

⑤m3CaCO3(胶体碳酸钙)+n3CaCO3(方解石) →(m3+n3)CaCO3(球霰石)

  在没有磁处理的情况下式(l)和式(2)最易生成的是方解石,在自发变化的情况下,变性转变最后的生成物也是方解石.即不经过磁处理很容易形成方解石结垢。

  磁处理过程中.水溶液流过强磁场时,水中的Ca2+、CO32-由于带的电荷相反.受到洛仑兹力的作用.运动向相反方向偏离.从而获得能量.使易生成霰石、球霰石、胶体碳酸钙。Donalson发现磁处理能使方解石和霰石的比例由无磁场作用时的80:20变成20:80。Iljgshitani也认为,经磁处理CaCO3溶液优先进行球霰石和霰石增长。在磁处理对碳酸钙过饱和溶液析晶影响的试验中发现,存在合适的处理流速.使析出物中霰石和球霰石占很大比例,而大大降低方解石成分。在最佳流速3m/s时析出晶体中几乎不含方解石成分。parsons等通过比较最终的光学照片认为,磁处理改变了方解石的形貌,方解石转变成圆形结构的球霰石。未经磁处理的水溶液结垢为方解石,经磁处理后.由于分子从磁场中获得能量快速形成霰石、球霰石、胶体碳酸钙存在于溶液中。

  根据式(3)、式(4),溶液中的球霰石和胶体碳酸钙能和热交换器上的垢(方解石)反应生成霰石,若胶体碳酸钙按式(5)生成球霰石.球霰石还会按式(3)生成霰石,霰石是不附着的软泥.可随排污排出系统外或沉淀于冷却塔的底部防止水垢的生成。这样磁处理通过水溶液,使老垢(方解石)变成霰石脱落。

  从能量守恒角度看.磁处理除垢的本质是CaCO3晶体从磁场中得到能量生成能量较高的霰石。

  由化学势μ胶体碳酸钙>μ球霰石>μ霰石>μ方解石可知,从磁场中获得的能量越多,越易生成能量高的胶体碳酸钙和球霰石。另据式(3)、式   (4)和勒夏特列原理(Le Chatlier原理,又称化学平衡移动原理)产生的胶体碳酸钙和球霰石越多.越易使方解石变成霰石即越易使老垢脱落。

3.3、垢去哪了

  在磁场作用下,同晶异构现象生成同晶异构体,使结构紧密的方解石型晶体从磁场中获得能量生成结构疏松的霰石型晶体。霰石是不附着的软泥.可随排污排出系统外或沉淀于冷却塔的底部防止水垢的生成。运行后,循环水硬度会快速上升就说明系统的老垢脱落后,进入循环水中。运行一段时间后,水池的底部会形成一种“沉淀物”,这种沉淀物不会附着在水器壁上,所以形不成二次结垢。浓缩倍数达到14倍,水也不会变浑浊。

3.4、粘附速率

  通过挂片实验,得出磁处理后不锈钢和紫铜的粘附速率都很小.分别为0.29mcm和0.23mcm.炭钢A3和炭钢20#黏附速率分别是3.0mcm和2.59mcm,远小于本底试验的结果(分别为87.088.mcm,90.25mcm,达到20mcm的循环水水质指标.且磁处理的阻垢率分别达96.5%和97.4%。

3.5、换热器换热效果有何变化

  试验期间.湿式车间热交换器E3502进出料液温差大表明换热效果有较大提高(见图2)

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3.6、水通过磁化器后被激活,磁力能保持多长时间

  磁处理有“记忆”效应,一般认为.在完全静止的水中.约能保持48小时.而在剧烈鼓泡、搅拌或湍流作用下,只能保持8小时;罗漫等的磁记忆效应试验结果是至少持续72小时,磁的同晶异构现象也能很好解释磁的“记忆”效应,即经过磁处理,溶液中生成能量较高的胶体碳酸钙和球霰石.提高整个溶液的能量.使溶液具有持续的防垢除垢作用。在实际应用中,我们要求150分钟必须循环一次。

四、设备安装施工介绍

  一个循环系统需要安装两台净化设备,一台安装在补水管道上,一个安装是循环水管道上(可以安装在主管道上,也可以采用旁路安装的方式进行安装)

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                 现场施工图

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              设备外观图

  施工周期:设备订购后,三个月(其中设备制作一到两个月,现场施工7天,调试15天。)

设备型号选择:根据管道口径大小选择设备型号,与循环水的水质、水量关系不大。管道管径越大,设备体积就越大,反之管道管径越小,设备体积就越小。

五、经济效益分析

  用物理法代替传统的药剂法,在保证不结垢、不腐蚀的前提下,可以给企业带来如下经济效益。

1、 因浓缩倍率提高,可以大量减少补水和排水量,在供水指标趋紧和排污管理趋严的当下,对企业既有经济效益,也有政治效益和社会效益;

2、 因循环水置换排污量的大幅降低,将减少污水处理环节的费用和排污费用;

3、 可以节约循环水使用阻垢缓蚀药剂的费用;

4、 补水排水量的减少,可以节约一定量的电费。

注:本文理论部分参考文献《磁处理的防垢除垢极力研究》和《磁处理的防垢除垢实验和机理探讨》。

如需详细交流,请致电18037692905,联系人:张爱平。