段强强，毛东旭，吴倩倩，李志浩，白玉成，来永斌 

（安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南 232001）

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）

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一个无法避免的问题。本文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

1 前言

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。但是换热设备在长时间工作运转之后，由于介质的腐蚀、冲蚀、积垢、结焦等原因，使管子内外表面都有不同程度的结垢现象，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1毫米的水垢，就会使煤的消耗增加 1.5%~2%，换热效率降低10%~20%左右。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，弄清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、铁垢和铜垢等；根据水的硬度可分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度。对于常见的换热设备而言，根据结垢机理的不同，一般可以将水垢分为以下几类：

（1）析晶结垢。由于在过饱和的溶液中，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。

以上的分类只是表明了单个过程致使水垢的形成。然而，结垢往往是多种过程的共同作用结果并且相互影响，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，那么水垢就容易形成。据有关研究表明，常见的水垢主要有颗粒状水垢、碳酸盐水垢、硫酸盐水垢、氢氧化物水垢以及磷酸盐水垢等。

颗粒物水垢：主要由于通流液体中混杂着不溶的杂质，在管道中聚集产生的。

碳酸盐、硫酸盐水垢：当水中含有较高浓度的CO32+离子（主要由于水中的CO2浓度较高所致）与SO42+离子时，溶盐性的天然水中含有的Ca2+、Mg2+就会发生如下的化学反应：

             碳酸盐水垢                                    硫酸盐水垢

              

   

 

   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，从然形成水垢。

3 水垢常见的清理方法

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，但是按其工作原理大体可分为机械清洗、化学清洗、物理清洗以及生物清洗等。

3.1 机械清洗

    机械清洗是提供一种大于污垢黏附力的力而去除附着在表面的污垢，这种清洗方法可以除去化学方法不能除去的碳化污垢和硬质垢。机械清洗的方法可分为以下两类：

 （1）强力清洗。强力清洗法就是是利用高压喷射装置将介质以极高的冲击压力喷入换热器的管侧和壳侧，起到除垢的目的。常见的强力清洗法有喷丸清洗，高压水射流清洗，喷气清洗，喷砂清洗以及强力清管器等。

 （2）软机械清洗。这种清洗方法依靠插入物在管内的运动，与管子内表面接触，达到去除污垢的效果。常见的方法有旋转螺旋线法，液固流态化法，旋转纽带法，螺旋弹簧振动法，海绵胶球在线清洗法等。插入物的型式多种多样，其中的海绵胶球法是将直径比管子内径稍大的海绵球挤入管内以起到除垢的目的，还可以使用钢丝刷来清洗较低硬度的污垢。

3.2 化学清洗

    化学清洗是通过化学清洗液的使用，产生某种化学反应，使换热器传热管表面的水垢和其他沉积物溶解，脱落或剥离。

3.3 物理清洗

    物理清洗是借助各种机械外力和能量使污垢粉碎，分离并剥离离开物体表面，从而达到清洗的效果。常见的方法有，超声波除垢，PIG清管技术，电磁除垢技术等。超声波除垢是利用超声波的空化效应，活化效应，剪切效应和抑制效应，从而起到除垢的效果。超声波除垢技术的关键是选择合适的超声波功率和频率大小以及清洗液的温度。

3.4 微生物清洗

微生物清洗方法是利用微生物内细胞产生的催化洗涤剂将清洗对象表面附着的污物分解，转化成无毒、无害的水溶性物质的方法。这种清洗所用的清洗剂称为微生物催化洗涤剂(酶)，可以把污染物(如油类)和有机物彻底分解，是一种真正意义上的环保型清洗技术。

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。

 

 

 

图1 电磁除垢技术的技术原理

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°C~70°C，管道内壁的结垢现象一直以来是一个非常严重的问题，平均来说每隔3~5个月就要对管道安排一次清垢处理。管道结垢现象不仅对正常生产带来了严重的影响，处理后的污水对环境也造成严重的污染 。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 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。当然随着计算机模拟以及对分子动力学研究的不断深入，电磁除垢技术仍有开阔的的研究前景与意义。

参考文献

[1]蒋伟, 徐军等. 管道中水垢形成机理及清理方法分析[J].清洗世界, 2008(12): 19-25.

[2]李晓洁.水垢的形成及处理方法[J].酒钢科技, 2005(3): 11-14.

[3]张山.电磁除防垢机理及其在油田应用技术研究[D].山东,中国石油大学, 2012.

[4]黄嘉顺等.变频式直流脉冲电磁水处理技术[J].工业水处理,2007(3): 10-12.

[5]王洋等.高频电磁阻垢及其机理研究[J].工业水处理, 2015(2): 23-26.

[6]陈金辉等.电磁抗垢强化传热技术机理的实验研究[J].工程热物理学报,2002(9): 608-610.