摘要:本文綜述了換熱器化學(xué)防垢與物理防垢技術(shù)的應(yīng)用情況及研究進(jìn)展。介紹了各種化學(xué)防垢及物理防垢的原理,并對(duì)物理防垢多種技術(shù)的藕合做了分析與展望。
　　關(guān)鍵詞:換熱器;化學(xué)防垢;物理防垢
　　中圖分類號(hào):TF066.2　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
　　污垢是一種極為普遍的現(xiàn)象,它廣泛存在于各種傳熱過程中。根據(jù)Steinhagen對(duì)新西蘭1100家企業(yè)的3000臺(tái)各種類型換熱器的調(diào)查表明,90%以上的換熱器都存在不同程度的污垢問題,結(jié)垢造成的浪費(fèi)和損失很嚴(yán)重。所以防垢技術(shù)的研究倍受科學(xué)界和工程技術(shù)人員的關(guān)注,是涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)眾多產(chǎn)業(yè)和部門的一個(gè)急需解決的問題。
　　目前,工業(yè)上所用的防垢方法可分為化學(xué)法和物理法。
　　1　化學(xué)防垢
　　化學(xué)法主要有軟化法、酸處理法、碳化穩(wěn)定法及阻垢劑的應(yīng)用等。前面3種方法因費(fèi)用較高或造成設(shè)備腐蝕等原因而應(yīng)用范圍較窄。國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的是阻垢劑,阻垢劑是一類化學(xué)藥品的總稱,通過它的加入可以防止或阻止積垢的生成。
　　1.1　天然分散劑
　　二十世紀(jì)60年代初,主要以丹寧、磺化丹寧、木質(zhì)素、淀粉、改性淀粉和羧甲基纖維素等天然有機(jī)物質(zhì)為主。這些天然阻垢劑來源廣,價(jià)格便宜,無毒,易于生物降解。但雜質(zhì)含量高,用量較大,目前只有少量商品復(fù)合配方中仍有使用[1]。
　　1.2　均聚物
　　聚丙烯酸(PAA)、聚甲基內(nèi)烯酸(PMAA)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚馬來酸(酐)(PMA和HPMA)等這類均聚物是二十世紀(jì)60年代末70年代初開發(fā)成功的,它們都是陰離子型聚合電解質(zhì)。
    聚天冬氨酸(PASP)是美國(guó)Donlar公司于二十世紀(jì)90年代初開發(fā)出來的一種新型阻垢劑,分子中不含磷,可生物降解,是綠色水處理劑,具有優(yōu)異的阻垢性能。PASP有很好的生物降解性能,與葡萄糖降解性能相近,在28d內(nèi)降解率達(dá)73%以上,對(duì)環(huán)境無任何有害影響。
    聚環(huán)氧琥珀酸(PESA)分子結(jié)構(gòu)中無P,無N,容易生物降解,屬綠色水處理劑。與磷酸鹽、2-膦基丁烷-1,2,4三羧酸等多種藥劑復(fù)配使用均具有較好的協(xié)同效應(yīng)和一定的緩蝕性能[2]。
    1.3　共聚物
    由于均聚物品種單一,且只能抑制CaCO3垢,二十世紀(jì)80年代開始,國(guó)內(nèi)外開發(fā)出性能優(yōu)良的二元、三元及多元水溶性共聚物。它們的特點(diǎn)是不僅能抑制CaCO3垢,同時(shí)對(duì)磷酸鈣垢、磷酸鋅、氧化鐵、黍泥等也有很好的抑制分散作用,有的還有特殊作用,如能抑制硅垢,甚至能參與緩蝕等。
    丙烯酸類共聚物是一類以丙烯酸為主要單體與一種或幾種單體共聚而成的一類聚合物。此類阻垢劑起主要作用的是聚合物中的-COO-基團(tuán),其對(duì)Ca2+、Mg2+、Fe2+等離子具有較強(qiáng)的螯合能力,不僅有分散作用,還能在無機(jī)垢結(jié)晶過程中干擾晶體的正常排列,從而達(dá)到阻垢作用,在分子量較大時(shí)還有絮凝作用[3]。
    馬來酸(酐)類共聚物是以馬來酸(酐)或水解馬來酸酐為單體與其它單體共聚而成的一類阻垢劑,具有較好的阻CaCO3、CaSO4、BaSO4垢的效果。三元共聚物有馬來酸/醋酸乙烯酯/苯乙烯共聚物、馬來酸酐/丙烯酸/丙烯酰胺共聚物、馬來酸/乙二醇酯/丙烯酸共聚物等,均有很好的阻垢效能,又都各有特性。
    磺酸共聚物突出的優(yōu)點(diǎn)是在阻垢方面不受水中是否存在金屬離子的影響,對(duì)磷酸鹽垢、硫酸鹽垢、氫氧化鎂垢、CaCO3垢等,特別是對(duì)磷酸鈣垢有良好的抑制作用,且能有效地分散顆粒物,穩(wěn)定金屬離子和有機(jī)膦酸,藥力持久,有易結(jié)膠,并具有一定緩蝕作用[4]。
    1.4　含磷阻垢劑
    無機(jī)聚磷酸鹽是一種具有較好緩蝕性能的阻垢劑,二十世紀(jì)60年代在水處理中廣泛使用。聚磷酸鹽的缺點(diǎn)是它會(huì)水解,尤其是在高溫下易水解。水解后其阻垢緩蝕性能降低,且水解生成的正磷酸鹽容易和水中的Ca2+生成溶度積更高的Ca3(PO4)2水垢。
    有機(jī)膦酸開發(fā)于二十世紀(jì)60年代后期,70年代在循環(huán)冷卻水處理中得到廣泛應(yīng)用。它能與鈣及許多金屬陽(yáng)離子形成螯合物,也能使含鐵和錳的水穩(wěn)定,在金屬表面形成保護(hù)膜,起到緩蝕作用,同時(shí)還具有臨界值效應(yīng)和協(xié)同效應(yīng),屬于無毒或低毒藥劑。它化學(xué)穩(wěn)定性好,不易水解,耐高溫,在使用過程中不會(huì)因生成正磷酸鹽而形成磷酸鈣垢。
    有機(jī)膦羧酸分子結(jié)構(gòu)中含有膦酸基和羧酸基,因此,兼有阻垢和緩蝕兩種性能,與其它水處理劑復(fù)配,協(xié)同性能好。
    膦基羧酸(PCA)是由一種無機(jī)單體次磷酸,與其它有機(jī)單體共聚而成。其特點(diǎn)是將羧基與磷酸基結(jié)合在同一個(gè)分子上。有較好的阻垢性能并起一定的緩蝕作用。
    2　物理防垢
    1945年,比利時(shí)的韋梅朗首次成功地應(yīng)用磁處理技術(shù),防止鍋爐水垢形成,并除去了原先沉積的水垢,開創(chuàng)了物理處理先河。半個(gè)世紀(jì)以來,各種水的物理處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,諸如靜電處理、高能電子輻射處理、電磁處理和超聲處理。物理處理設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、維護(hù)操作簡(jiǎn)便、壽命長(zhǎng)、運(yùn)行費(fèi)用較低、無污染問題,減少換熱設(shè)備積垢形成,以及能除去原先沉積物的作用,因此,在建筑材料、化工、冶金、礦山、農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
    2.1　磁場(chǎng)防垢
    1945年“CEPI”的磁場(chǎng)防垢裝置問世后,大量CEPI的防垢裝置在歐洲使用,除了家用熱水鍋爐外,在挪威有100余艘海船上安裝了這種防垢裝置,德國(guó)不同的工業(yè)企業(yè)中安裝了500余臺(tái)這種防垢裝置。我國(guó)最早的磁處理防垢器出現(xiàn)于1959年。70年代,前蘇聯(lián)、美國(guó)、日本先后掀起了磁處理研究熱,學(xué)術(shù)界和企業(yè)界竟相投入了大量的人力和資金對(duì)磁處理進(jìn)行研究,取得了大量成果和發(fā)明專利,并建成了大型磁處理設(shè)備[5]。80年代以后,科學(xué)家們對(duì)磁處理進(jìn)行了更深入的研究,積累了大量的實(shí)驗(yàn)資料。美國(guó)能源部于1998年開始推薦的工業(yè)水處理方法,其中就有磁場(chǎng)技術(shù)[6]。
    目前在歐洲應(yīng)用最廣的電磁防垢器CALC-TECH系列產(chǎn)品是基于交變脈沖電磁場(chǎng)原理設(shè)計(jì)的,安裝于管道外部,安裝時(shí)既不改變管道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),也不用斷開管道。其運(yùn)行成本很低,運(yùn)行費(fèi)僅為65W裝機(jī)容量的電費(fèi),相當(dāng)于采用離子交換法的1/10。上海濱浦強(qiáng)磁設(shè)備廠制造的“超強(qiáng)套筒式內(nèi)磁處理器”,選用稀士永磁材料,磁性能優(yōu)異,其矯頑力、最大磁積能及抗老退磁性能均有顯著的改善。
    磁場(chǎng)防垢裝置最適于熱交換器的防垢。據(jù)介紹,在歐洲數(shù)以十萬計(jì)的小型CFPI裝置用于家用換熱器上。在沒有蒸發(fā)濃縮的熱水鍋爐上也適用。我國(guó)有40萬臺(tái)鍋爐,其中絕大多數(shù)是采暖鍋爐,而以熱水鍋爐與熱力網(wǎng)的熱交換器居多。因此,磁場(chǎng)處理有相當(dāng)?shù)氖褂们熬啊?BR>    2.2　電場(chǎng)防垢
    靜電水處理技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域里最新技術(shù)之一,在二十世紀(jì)60年代末,美國(guó)新瀉華盛頓公司研制成功第一臺(tái)靜電水垢控制器,此后僅僅幾年時(shí)間,就有數(shù)百臺(tái)為美國(guó)的一流企業(yè)所采用,對(duì)其實(shí)用效果評(píng)價(jià)很高,并廣泛應(yīng)用于冷卻循環(huán)、熱交換、制冷、鍋爐等水系統(tǒng)[7]。70年代末日本又有所發(fā)展,將靜電除垢器與水槽和脫氣裝置組合,用于蒸氣鍋爐和熱水鍋爐的給水處理,可完全取消爐內(nèi)加藥,達(dá)到防垢和緩蝕的目的。美國(guó)國(guó)家航空局也推出了電子水處理器。我國(guó)是研究靜電防垢方法較早的國(guó)家之一,1975年研制成功第一臺(tái)靜電防垢器。其后又推出了電子式水處理器、高頻電場(chǎng)水處理器。90年代初研制了我國(guó)第二代靜電除垢器系列產(chǎn)品,并批量生產(chǎn)。
    電場(chǎng)處理又分為高壓靜電法和高頻電子法兩種。這兩類設(shè)備的功能相同、優(yōu)點(diǎn)相同,只是適用條件不同。電子防垢器采用直流低壓,靜電防垢器采用電流高壓。雖是高壓,但電流很微小,又采用了固化絕緣措施,所以不存在使用安全問題。靜電防垢器的陽(yáng)極用四氟乙烯制作,耐磨損、不腐蝕、不老化、不粘附,可連續(xù)使用20年。使用運(yùn)行過程中基本上不用清洗。電子防垢器的陽(yáng)極用鈦合金制作,表面覆有保護(hù)膜因而不腐蝕、不老化、強(qiáng)度高。
    2.3　超聲防垢
    高于人耳聽覺上限閾值的聲波,稱為超聲波。功率超聲又稱為超聲波的“主動(dòng)應(yīng)用”,是用較大功率的超聲對(duì)物質(zhì)作用,以改變或加速改變物質(zhì)的一些物理、化學(xué)和生物特性或狀態(tài)的技術(shù)。超聲波防垢強(qiáng)化傳熱技術(shù)是一種節(jié)能環(huán)保技術(shù),國(guó)外如韓國(guó)俄羅斯等國(guó)有相關(guān)的產(chǎn)品,目前國(guó)內(nèi)也有一些超聲波防垢裝置投放市場(chǎng),但應(yīng)用還不廣泛。超聲波防垢機(jī)理的研究還不深入,與其它物理防垢方法如電場(chǎng)、磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)等的研究相比還有一定的差距,影響了該技術(shù)的推廣。
    2.4　物理方法協(xié)同防垢
    上述的物理防垢方法在化學(xué)、冶金、礦山農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但大多數(shù)物理處理技術(shù),對(duì)水的一些基本物理化學(xué)性能影響比較小,很難誘發(fā)水的物理化學(xué)性能發(fā)生根本性的變化,所以一些物理處理技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中其效果受到許多因素的制約,應(yīng)用還不是很廣泛。為了能得到更好的處理效果,物理防垢技術(shù)開始轉(zhuǎn)向幾種工藝相互耦合的組合技術(shù)上。
    2.4.1　光子與磁場(chǎng)協(xié)同防垢　
    東北大學(xué)的鄭少波提出了采用光子來強(qiáng)化和穩(wěn)定水的磁處理效果的新技術(shù),從理論上分析了磁場(chǎng)下光子對(duì)冷卻子的物理化學(xué)作用,得出光磁協(xié)同處理可減少冷卻過程中硬垢生成,降低水的腐蝕性,殺滅水中的細(xì)菌。通過不同頻率光波與磁場(chǎng)的協(xié)同試驗(yàn),表明紅外光協(xié)同磁場(chǎng)處理的效果最佳。
    2.4.2　激光與電場(chǎng)協(xié)同防垢　
    夏茂等以“激光電場(chǎng)調(diào)控活性氧”為理論基礎(chǔ),采用激光和高頻電場(chǎng)以及單片機(jī)控制技術(shù),具有除垢防垢、殺菌滅藻、抗腐蝕、水質(zhì)凈化等多種功能。特定的電場(chǎng)能改變CaCO3的結(jié)晶形式,抑制方解石結(jié)晶鹽類(硬垢)的產(chǎn)生,提供產(chǎn)生文石結(jié)晶鹽類(軟垢)的能量,達(dá)到防垢的目的。
    2.4.3　電磁場(chǎng)與過濾結(jié)合　
    美國(guó)Drexel大學(xué)的YICho教授用電磁場(chǎng)與過濾結(jié)合進(jìn)行防垢實(shí)驗(yàn),研究表明,經(jīng)過電磁場(chǎng)處理后,晶體聚集,顆粒變大,再經(jīng)過過濾裝置截留,只有少量的晶體進(jìn)入換熱器,減少了積垢的形成[8]。
    2.4.4　電磁場(chǎng)與膜技術(shù)結(jié)合　
    北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院的陳金輝將膜技術(shù)和電磁技術(shù)結(jié)合,在低頻電磁場(chǎng)的作用下,對(duì)冷態(tài)工況下的抗垢、減垢強(qiáng)化傳熱技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明在電磁場(chǎng)的作用下,污垢晶體由致密型變?yōu)樗缮⑿?經(jīng)過膜過濾后,晶體量減少,起到了防垢的作用。
    2.4.5　超聲場(chǎng)與O3協(xié)同　
    大連理工大學(xué)的劉天慶研究超聲與O3控制生物垢的生長(zhǎng)。經(jīng)過處理的生物垢厚度明顯低于未經(jīng)過處理的對(duì)照管內(nèi)的生物垢。他還進(jìn)行了生物垢移除實(shí)驗(yàn),生物垢在用O3處理后,再用超聲波處理,則90%以上的生物垢可以被移除,其效果遠(yuǎn)大于單獨(dú)使用O3和超聲的效果的加和。
    3　展望
    換熱是重要的化工單元,換熱設(shè)備壁面結(jié)垢現(xiàn)象非常普遍,給各國(guó)工業(yè)造成巨大的損失,是涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)眾多產(chǎn)業(yè)和部門的一個(gè)急需解決的問題。特別是在NaCl、KCl、NaOH等鹽、堿溶液的蒸發(fā)器和制糖、食品、造紙、海水淡化、廢水處理等蒸發(fā)設(shè)備,以及石油、化工精餾塔中的再沸器,由于料液中被溶解的固體物質(zhì)的析出,結(jié)垢更為嚴(yán)重。半個(gè)世紀(jì)以來,人們對(duì)污垢問題的研究給予很大的重視,提出了眾多防除積垢和強(qiáng)化傳熱的技術(shù)和方法。
    隨著人類環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng),對(duì)防垢的環(huán)保要求也日漸提高,國(guó)際先進(jìn)防垢技術(shù)正趨向于高效能、低毒無害、多功能、復(fù)合化的綠色產(chǎn)業(yè)方向發(fā)展。