高壓靜電水處理器腔內電場分布分析與 阻垢效果研究
關鍵詞:水處理;電場強度;雙介質;方解石;文石
引言
離子棒水處理器是水處理領域中一種新型設 備,最初由加拿大約克能源公司研制成功,在北美、歐洲、日本等工業發達國家被廣泛使用,國際上著名的 IBM、杜邦等公司均采用了該項技術[1-3]。20 世紀 90 年代引入我國,在電力、鋼鐵、石化等工
業循環水及空調系統使用,取得非常滿意的效果,被喻為水處理技術的一次革命。火電廠的敞開式循環冷卻水系統具有循環水
量大、處理困難、運行溫度低等特點[4-5],自 20 世紀 90 年代引入離子棒水處理器后,采用化學阻垢藥劑輔助以離子棒水處理器對循環冷卻水進行處理,有效地緩解了循環冷卻水在凝汽器銅管結垢問題,降低處理成本,提高了處理效率[6-13]。離子棒雖然具有體積小、處理成本低、安裝方 便、適用范圍廣等特點,然而離子棒阻垢作用的影 響因素極其復雜,阻垢作用機理探索的難度較大, 至今對其阻垢作用的機理不明,使離子棒應用于規 模較大水量時的處理效果不佳。因此,在有關離子棒所形成的高壓靜電場阻垢機理方面引起了眾多研 究者的探索。如王志毅等[14]進行了高壓靜電離子棒產生電場研究,得出高壓電場可使水分子的偶極矩增大起到阻垢作用的結論;全貞花、葛紅花等[15-16] 分別利用微電解對冷卻水進行了阻垢研究,發現微電解在常溫下將離子或膠體顆粒穩定在水溶液中,而在高溫下可以提供結晶核種子,促進水垢形成松散的泥渣沉于水底現象W.J.Liu 等[17]通過研究了不 同高壓靜電場作用下時間與電壓的最優處理范圍,認為作用時間為 10s 時處理電壓最優范圍為 200V~ 500V,阻垢率達 14%~35%;美國 Drexel 大學 Rung H.Lee[18]利用交變電磁場進行水的防垢處理研究,認 為電磁場能夠促使污垢晶尺寸長大,使方解石型硬垢變為文石型軟垢而易被水流帶走;宋衛鋒等[19]采用直流和脈沖電流進行阻垢處理,結果表明在 0~4V 直流電壓范圍內,電壓越高阻垢效果越顯著,4V 時阻垢率達到 100%,且脈沖電流阻垢效果優于直流電流;曾敏、徐文彬等[20]采用方波脈沖電流進行阻垢 研究,結果顯示平均電壓為 2V 的脈沖方波的阻垢率最佳。除此之外,國內許多學者還從宏觀角度對換熱器表面的結垢特性進行預測研究,如趙波、楊善讓等[21]利用人工智能算法建立循環冷卻水流固界面下以水質參數描述污垢熱阻的預測模型,達到了很高的預測精度;陳永昌等[22]利用自行搭建的高熱流密度主動型強化傳熱裝置,對不同水質硬度、不同金屬表面下的結垢進行了研究,結果表明,隨水質硬度增加,所有金屬表面的結垢速率都加快,同時溶液的電導率呈下降,水質的 pH 值呈上升趨勢。所有這些從微觀或宏觀角度進行的阻垢研究,都為今后阻垢機理的探索提供了基本依據。在采用高壓電場進行阻垢水處理研究方面,由于阻垢作用因素較多、阻垢作用機理復雜,阻垢效果呈不穩定狀態。當采用高電壓進行阻垢處理時,究竟是電場使水分子的偶極矩增大起到阻垢作用,還是電場促使水垢晶體形態改變而起到阻垢作用,
這方面探討一直在爭論中。因此,有必要搭建一套可精確衡量阻垢效果、排除無關干擾因素的實驗裝置,從理論和實驗上對高壓靜電場的阻垢效果及機理進行深入研究和分析。本文利用自制的“高壓靜電水處理器”,通過對某電廠的循環冷卻水進行動態模擬循環阻垢處理,研究了離子棒水處理器腔內靜電場的形成以及電場強度、電場能量密度的分布,初步探討了高壓靜電場的阻垢機理,分析和研究了離子棒所形成的高壓靜電場對循環冷卻水的阻垢效果。
1 高壓靜電水處理器
1.1 高壓靜電水處理器構造
高壓靜電水處理器由 3 部分組成:離子棒、金屬管道和高壓發生器。離子棒:湖南西門機電科技有限公司生產HSCB-100 型離子棒,?32mm,長度 330 mm,耐壓值 45 kV,功耗<10 W,絕緣外層為聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene PTFE)。金屬管道:?100 mm 不銹鋼焊接制成,循環冷 卻水由金屬管道下端進水從上端出水。高壓發生器:天津市東文高壓電源廠生產 DW?P303?1ACFO 型高壓發生器。輸出電壓:0~ ?30000V;輸出電流:1mA;滿載時紋波≤0.01%;負載調整率精度:≤0.1%。
高壓靜電水處理器主要參數如表 1。 高壓靜電水處理器構造如圖 1。
1.2.2 PTFE 介質中的電場分布
PTFE 作為離子棒的絕緣層,同時也構成了靜電場的第 1 介質層。PTFE 具有較低的相對介電常數εr 和介電損耗率和較高的擊穿電壓和耐電弧性,密度 2.14~2.20 g/cm3 ,相對介電常數?r為 2.0,介電損耗 tanδ為 4.8×10-4~6.4×10-4,在所有的絕緣介質中是較低的,這是由于 PTFE 由極強的 C—F 鍵(鍵能 485.3 kJ / mol)和被原子所強化的 C—C 鍵組成的線型高分子聚合物緣故。 PTFE 的穿電壓為35 kV/mm、體積電阻率為 1016 ?·m,這是由于 PTFE 的分子結構高度對稱,屬于非極性高分子聚合物電介質,由于其分子結構高度對稱,故具有較高的擊穿電壓、耐電弧性和較高的體積電阻率[23],是一種理想的絕緣材料。 PTFE 為各向同性介質,當離子棒金屬陽極接通高壓電源時,在 PTFE 層內壁上要感應出束縛負電荷。由于電荷守恒,在 PTFE 層外壁必然產生等量的束縛正電荷,束縛電荷反過來會部分削弱原來的高壓靜電場,不過這種電荷是來自被束縛在分子范圍內活動的電荷,比離子棒中心電荷數量要少得多。
1.2.3 循環冷卻水介質中的電場分布
當循環冷卻水流經高壓靜電水處理器時,在離子棒絕緣層外壁與金屬水管之間形成了第 2 層介質。對于水分子來說,水分子是極性分子,沒有外電場作用時由于熱運動其方向是混亂排列的。當有外電場作用時,由于水分子的固有電偶極矩受到電場力作用將向電場方向偏轉形成極化現象,當然由于水分子的熱運動,這種極化又是不完全的,甚至是可以忽略的。離子棒中心電極被施加高電壓后,經 PTFE 和循環冷卻水雙層介質,在水中形成了非均勻輻射狀的穩恒高壓靜電場,此靜電場構成了循環冷卻水與電場進行能量交換的空間。
1.3 高壓靜電水處理器腔內電場強度計算
高壓靜電水處理器腔內視為共軸柱面電容器,利用電磁學基本理論計算此共軸柱面電容器腔內的電場強度。本文在計算時,首先做如下設定:
1) 由于水中的電場強度極小,不足以產生強極化場,故忽略水分子極化電荷所產生的附加電場的影響;
2) 將離子棒視為無限長線電荷分布,忽略離子棒長度的邊界效應。利用電位函數的拉普拉斯方程[24],采用柱面坐標系,計算出 PTFE 和循環冷卻水兩種介質電場強度分布的表達式。由拉普拉斯方程:
(1)

PTFE 介質中的電位函數和電場強度:
(2)
(3)


水中的電位函數和電場強度:
(4)
(5)


式中:?電位函數,V;U1為 PTFE 介質中的電壓,V;U2 為循環冷卻水中的電壓,V;E1 為 PTFE 介質中的電場強度,V/m;E2為水中的電場強度,V/m;r 為半徑坐標,m;R1 為離子棒中心電極半徑,m; R2為離子棒聚四氟乙烯絕緣層的半徑,m;R3為金屬管道半徑,m。由穩恒電場的邊界條件,在 PTFE 與循環冷卻水的界面上電流是連續的,有:
(6) 即:
(7)


由電磁學共軸柱面電容器理論[22],知:
(8)

式中:U 為離子棒總電壓,V。
取金屬管壁為零電位,電位差即為所施加的電壓。由式(1)~(8),得高壓靜電水處理器內電場強度分布的表達式:
(9)

式中:?1?2.5?10?15S/m 為 PTFE 介質層的電導率;?2?0.2 S/m 為高壓靜電水處理器中循環冷卻水電導率的測量值。
根據靜電場能量密度的表達式,有:
(10) 式中:we 為能量密度,J/m3;?r 為相對介電常數;?0?8.85?10?12F/m,為真空中的介電常數。

1.4 高壓靜電水處理器腔內電場強度與能量密度
1.4.1 PTFE 層中電場強度與能量密度
當 R1<r<R2 時為 PTFE 層空間;當 R2<r<R3 時 為循環冷卻水空間(其中 R1、R2、R3的數值見表 1)。 由式(9)可見,2 空間中的電場強度與空間半徑 r 呈 反比關系,隨著距離增加,電場強度呈線性衰減分 布,即在高壓靜電水處理器腔內電場強度是不均勻輻射狀穩恒高壓靜電場。為了便于對比,在 2 個空間中各取一點,分別應用式(9)和式(10)計算其電場強度和能量密度。
令 r?15 mm,PTFE 層中的電場強度和電場能量密度的計算值如圖 3、4。
1.4.2 循環冷卻水空間中電場強度與能量密度
令 r?17mm,循環冷卻水空間的電場強度和電場能量密度的計算值如圖 5、6。
圖 3 PTFE 層中 r?15mm 處電場強度值
Fig. 3 Electric field intensity value in PTFE layer in r?15mm

圖
4 PTFE 層中 r?15mm 處能量密度值
Fig. 4 Energy density values in PTFE layer in r?15 mm

圖 5 循環冷卻水空間 r?17mm 處電場強度值
Fig. 5 Energy density values in Circulating cooling water space in r?17mm

圖 6 循環冷卻水空間 r?17mm 處能量密度值
Fig. 6 Energy density values in circulating cooling water space in r?17mm
比較圖 3 和圖 5 可以看出,PTFE 層中的電場強度與循環冷卻水中的電場強度兩者相差10^13倍數量級。若施加 10 000 V 高壓,可計算出僅有 1.42× 10^?10V 電壓作用到水中,其余被 PTFE 層所分壓。由圖 6 可見,循環冷卻水空間的電場能量密度
為 5.67×10?32~266.4×10^?32 J/mol 左右。比較圖 4 和 圖 6 可以看出,作用在循環冷卻水中的電場能量密度較 PTFE 層中的要小得多,是一個較小的能量值。
1.5 高壓靜電水處理器阻垢機理分析
1.5.1 PTFE 的電流密度與水中功率密度分布
實際上任何絕緣體都不是理想絕緣介質,電介 質 PTFE 也一樣。PTFE 中存在的微弱導電性是由多種機理構成的,包括雜質缺陷、體內電導、表面 電導等。有關電介質微弱導電性機理的詳細研究是電介質物理學研究的范疇[25-26],應用中通常從宏觀
上將其歸結為電介質的漏電損耗。在 PTFE 不發生電介質擊穿的情況下,在一定外加電壓作用下,由歐姆定律的微分形式[27]可求得
PTFE 的漏電流密度 j1:
(11)

經計算,此 j1值在 0.895×10^?10~16.77×10^?10 A/m2。由焦耳定律的微分形式可得出 PTFE 層中的功率密度 p1和水中的功率密度 p2:

水中的功率密度 p2隨空間分布的如圖 7。從圖 7 中可以看出,高壓靜電場在循環水中的功率密度與所施加的電壓值成正比且呈現非線性分布,在離子棒表面處的功率密度值較大,隨著空間距離的增加,出現急劇降低狀態;另外所施加的電壓越高,曲線的變化越陡,降低值越大,當達到金屬管道表面附近時功率密度曲線呈平直分布。這就意味著并不是所施加電壓越高,阻垢
效果就越好。
1.5.2 阻垢機理分析
通過以上分析可以看出,高壓靜電場提供給水中的能量與水分子氫鍵能之間存在著巨大差別。過去人們認為,水分子氫鍵的破裂是離子棒起到阻垢 作用的前提。根據文獻[28-29]的研究表明,水分子氫鍵破裂所需要的能量高達 16.7~25.1 kJ/mol。本文通過理論分析表明,高壓靜電離子棒作用在水中的電場能量密度僅為 10?33 J/mol 數量級,遠未達到水分子氫鍵破裂的能量級別。同時離子棒提供的能量也遠未達到使水分子偶極距增大,對水分子的極化作用是極其微弱的。天然水中所含的離子主要有 Ca2?、Mg2?、Na? 陽離子和 CO32?、SO42?等陰離子。水中的 Fe2?、Zn2?、SiO32?等含量較小,因此工業鍋爐或換熱器受熱面上所結的水垢主要是 CaCO3水垢,工業循環冷卻水阻垢處理的過程,實際上是研究如何阻止 CaCO3 水垢晶體在換熱器表面形成堅硬水垢晶體的過程,特別是 Ca2?在水溶液中的結晶形態是形成水垢的關鍵。CaCO3水垢晶體的形成,實際上是 CaCO3物質相變的結果。同種化學成份的物質,在不同的物理化學條件(溫度、壓力、介質)下形成不同晶體結構的現象,稱為同質多像。這些不同結構的晶體,稱為同質多像變體,變體之間在固態條件下的相互轉變,稱為同質多像轉變。同質多像轉變可分為可逆的和不可逆的 2 種類型。CaCO3水垢晶體具有方解石和文石等相,由文石相向方解石相的結晶轉變,屬于同質多象體間的
不可逆轉變。文石屬 CaCO3的斜方晶系,在溫度升高的時候轉變成為三方晶系的方解石,但溫度降低時,則不再轉變成為文石,即原先在受熱面上形成的方解石,不會再轉變成文石[30] 。方解石和文石的化學組成都是 CaCO3,在標準狀態(25 ℃,1.013×105 Pa)下,方解石的?G??1234.697 kJ/mol,文石的?G??1233.964 kJ/mol。顯然,朝自由能降低的方向,方解石更加穩定,這就是為什么自然界中的文石會轉化為方解石的內在原因。 在循環冷卻水介質體系中,當水溶液流過換熱 器的受熱面時,由于溫度升高,循環水中的 CaCO3 的溶解度會大大降低,在受熱面附近形成 CaCO3 的過飽和或局部過飽和狀態,形成 CaCO3結晶。 在晶體結晶成核的形成階段,處于換熱器中的CaCO3晶體主要是非均勻成核結晶,由于在換熱器 ?18 3 p /(10 W/m )
循環水中存在懸浮的雜質微粒等,形成了非均勻成核的晶核,有效地降低了表面能成核時的勢壘,因此在過飽和度很小時就能局部地成核,結晶優先在這些不均勻地點形成。在循環冷卻水模擬阻垢處理裝置中,通過施加高壓靜電場后,電場能量不斷地傳輸到換熱器內,使熱平衡體系中的自由能?G 增加,導致文石晶核形成的幾率增大,使 CaCO3 水垢晶體結晶為文石型水垢,從而抑制了方解石型水垢的生長。 由于文石屬于斜方晶系,文石結構中 Ca2?離子是六方緊密堆積,CO32?離子位于八面體空隙中間,但是 CO32- 離子不在空隙中心,而是在 1/3 高處。CO32?所構成的平面是相互平行的,每個 Ca2?離子為 9 個 O 原子所環繞,而每個 O 原子同 3 個 Ca2? 結合,Ca2?和 O 配位數是 9。文石晶體結構有 3 種: 針狀、葉狀和石墨樣的層狀,其中針狀晶體最為常見。所以文石呈粉末狀,易隨水流沖走而減少了在換熱表面的沉積。方解石屬于三方晶系菱面體,Ca2?離子占據在晶胞頂角和面心上,CO32?離子位于晶胞中心和全部棱的中點。CO32?由中心的碳原子和位于同一平面的3 個 O 原子構成,CO32?的平面垂直與晶胞的直立三重對稱軸。每個 CO32- 離子為 6 個不同的 6 個 O 原子配位,而每個 O 原子又與 2 個 Ca2?離子相聯結。由此,Ca2?離子和 O 的配位數是 6。方解石晶體的結構穩定,易在換熱表面沉積形成硬垢。對于高壓離子棒的阻垢機理,本文認為首先,不能機械的將水分子團簇的氫鍵能看作是像化學鍵那樣固定不變的作用力。在液態水中,水分子團簇處于一種不斷的斷開和結合的動態平衡中,這個動態平衡所需要的能量可以由水分子的熱運動來提供,而靜電場提供給水中的能量可以促使水分子向氫鍵斷開的方向變化,而不是提供了水分子團簇氫鍵斷開的全部能量。其次,高壓靜電場對循環水起阻垢作用的主要原因是使水中成垢離子結晶形態發生變化,即由方解石型晶體改變為文石型晶體。為了提高 CaCO3 水垢結晶為文石型水垢晶體的概率,外界必須要提供適當的能量,這個適當的能量不能太大也不能太小,起到促使 CaCO3水垢結
晶為文石的作用,達到阻垢目的。
2 高壓靜電水處理器阻垢實驗
2.1 實驗流程與參數
實驗采用動態模擬方法進行,流程如圖 8。

圖 8 高壓靜電水處理器阻垢實驗流程圖
Fig. 8 Experiment flow-process diagram of High-voltage electrostatic water processor
循環冷卻水由循環水泵泵出集水池,經由高壓靜電水處理器后到達換熱器,在換熱器內通過換熱銅管與加熱水進行對流式換熱后,再經冷卻塔回到集水池中形成動態循環。
實驗設備及水質參數如表 2 所示。
2.2 高壓靜電水處理器的阻垢效果
在不同電壓作用下高壓靜電水處理器的阻垢
實驗結果如圖 9 所示。

圖 9 不同電壓作用下高壓靜電水處理器的阻垢率
Fig. 9 Scale inhibition rate of High voltage electrostatic water processor when different applied voltage
應用公式(14)計算阻垢率?:
(14)

式中:?為阻垢率,%;?m1為空白對照組換熱銅管的質量增量,g;?m2為實驗處理組換熱銅管的質量增量,g。 當高壓靜電水處理器施加的電壓為 4kV 時,阻垢率達到 61.7%,此時外界提供的能量促使 CaCO3 水垢結晶為文石型水垢隨著水流被沖走,達到阻垢目的。
3 結論
采用自制的“高壓靜電水處理器”對電廠循環冷卻水進行了動態模擬阻垢實驗,從理論計算與實驗的角度,分析了高壓靜電水處理器腔內電場分布與阻垢效果。研究表明:
1)高壓靜電水處理器對循環冷卻水具有阻垢作用。
2)高壓靜電水處理器中的離子棒所形成的電場為雙介質非均勻輻射狀高壓靜電場,此靜電場的PTFE 介質層構成離子棒的絕緣層,水介質層構成了循環冷卻水與電場進行能量交換的空間。
3)應用拉普拉斯方程對水介質層空間電場分布分析表明,該空間電場能量密度在 10?32~10?30 J/mol 數量級左右,遠未達到水分子團簇氫鍵破裂的能量級別,對水分子的極化作用是可以忽略的,靜電場能量促使水分子團簇向氫鍵斷開的方向變化,并未提供水分子團簇氫鍵斷開的全部能量。
4)高壓靜電場對循環水起阻垢作用是使水中成垢離子的結晶形態發生變化,電場能量使熱平衡體系中的自由能△G 增加,導致文石晶核形成的幾率增大,使 CaCO3水垢晶體結晶為文石型水垢,文石晶體呈粉末狀,易隨水流沖走而減少了在換熱表面
的沉積,從而抑制了方解石型水垢的生長。而方解石型水垢結構穩定,易在換熱表面沉積形成硬垢。
創建時間:2022-07-19 08:48