高压静电与脉冲磁场协同作用于工业循环冷却水的阻垢机理及动力学研究

For circulating cooling water of power plants, the quantitative relationship between the Ca2+ and Mg2+ of scale incrustation and electric field density, magnetic intensity, pulse frequency and operating range based on the inhibiting efficiency as benchmark and the summarization of findings of former National Natural Science Foundation of China (51068020) can be studied with the orthogonal experiment of four factors and five levels in order to produce allotropes and remove them. The experiments may be completed by the homemade high-pressure static and variable frequency pulse electromagnetic cooperative processing devices under dynamic simulation cycling operating environment. Then, the scales can be collected from the orthogonal experiment. The variation in morphology and grain size characteristics of calcites and aragonites in water can be observed by scanning electron microscope (SEM). The crystal structures of scales can be determined by means of X-ray diffraction and the crystal system and lattice parameters can be determined by the way of characteristic peaks. The impact of electronmagnetic fields on process of CaCO3 scaling can be analyzed. Lastly, the kinetics of association and disassociation of water molecules and the kinetics of precipitation and dissolution of ion of the scales in water may be understood by monitoring the properties of circulating cooling water. The purpose of this study is to seek a novel theory and method without secondary pollution for replacing the current application of water treatment by adding chemicals and to provide basic data for further inhibiting scales in industrialization process. The study has important significance for energy saving, emission reduction and realizing circulating use of water resources.

总结前一国家自然基金（51068020）研究结果，以电厂循环冷却水为研究对象，采用自制的高压静电与变频脉冲协同阻垢处理装置，在动态模拟循环运行环境下，以阻垢率为基准，选用电场强度、磁场强度、脉冲频率、作用距离四因素五水平进行正交实验，研究上述各量与水中成垢离子Ca2+、Mg2+活性的定量关系，使其产生同素异象体而去除；收集正交实验得到的水垢，利用扫描电镜（SEM）观察水中方解石、霰石的形貌及晶粒度的变化，利用X射线（XRD）衍射进行垢的晶体结构测定，通过特征峰确定晶系、晶格参数等，分析电磁场对CaCO3结垢过程的影响；通过循环水性质的监测，了解水分子缔合与解缔动力学、成垢离子在水中的沉淀与溶解动力学；通过上述研究，为替代目前沿用的循环水中添加化学药剂处理方式、防止二次污染探求新的阻垢理论与方法，为进一步工业规模循环水阻垢处理提供基础数据。本研究对节能减排、实现水资源循环利用具有重要意义。

基于提升实验精度角度进一步改进和完善了“双通道工业循环冷却水动态模拟实验台”，使实验台精度从4%提升到1.008%。以麦克斯韦电磁理论为基础，对稳恒电场和交变磁场进行了系统分析和计算模拟，分析了水溶液介质中的电场强度、磁感应强度分布和协同关系，明确了处理器腔内电磁场强的最佳分布，提出正交式磁电协同阻垢处理的设计思路，以此为基础制作了磁电协同式阻垢处理装置，为本课题的研究奠定了实验基础。.以提升电磁场协同处理电厂循环冷却水的阻垢率为目标，比较各激励波的作用效果，优选脉冲方波为最佳激励源，采用自制的“磁电协同式阻垢处理器”和“双通道工业循环冷却水动态模拟实验台”，通过多因素水平正交阻垢实验，获得电场电压、脉冲频率、占空比、水流速度等最佳控制参数，并对最优阻垢条件下的控制参数进行优化，提高了电磁场协同作用的阻垢效果。.在多晶XRD、SEM、EDS分析基础上，对CaCO3附着垢和脱除垢进行晶体结构测定，获取晶体物相、晶粒尺寸、晶面间距等定量及半定量信息，探明CaCO3水垢的主要物相成分为文石、方解石及异质的Mg3Ca(CO3)4。分析了电磁场协同作用下换热面近壁区的水流速度、水溶液粘度、Ca2+、CO32-离子等影响方解石、文石形貌、晶粒尺寸、晶面间距和物相百分含量变化，阐明了电磁场协同作用于工业循环冷却水的有效阻垢模式和作用机理。.通过对电磁场作用下水分子电偶极矩变化分析提出了有别于其它研究者的观点，即对于水这种极性很强的液体，电磁场作用对水分子电偶极矩和分子团簇氢键的改变量极小。因此，应从电磁场作用对CaCO3晶体的结晶过程、成垢离子结晶形态、水溶液粘度变化角度进行分析。.针对匀强与非匀强静电场的阻垢效果进行了专题研究。在给定循环水流量条件下，分别进行了3kV、4kV、5kV电压下的匀强与非匀强静电场阻垢实验，得出非匀强静电场的阻垢率明显高于匀强静电场的结论，并从两种静电场作用下CaCO3垢量变化的角度对实验结果进行了验证，进一步确认了上述结论的正确性。从电场力做功、水溶液粘度变化及循环水流动状态变化的角度进行了理论分析，揭示了上述现象产生的机理。本结论为我国目前工业水处理领域的物理阻垢研究指明了方向。