孟延孝曹丽内蒙包钢集团设计研究院014010
摘要本文介绍了超声波阻垢防垢除垢及杀菌灭藻的原理，通过工程实例阐述了该技术在净环冷却水系统的应用效果，说明了该技术在包钢循环水系统应用的前景。
关键词超声波防垢技术应用前景
1．引言
结垢是循环水处理面临的主要问题之一。泥垢、盐垢及污垢沉积物附着在换热设备的传热面上，不仅会影响传热，降低换热设备的热效率，而且会增大系统的阻力，使生产的能耗增加；另外，结垢会造成垢下腐蚀，严重的可导致换热设备腐蚀穿孔，使换热设备损坏【1】。普通敞开式净环水系统，泥垢的形成是由于水中悬浮物的沉积所致，采用旁滤可以解决；盐垢是由于水中溶解固体特别是碳酸盐沉积物所致，是造成换热设备热效率降低的主要因素，是阻垢防垢除垢的重点对象；由于循环水水温，补水、空气带入系统的污物，人为添加的阻垢缓蚀低磷药剂配方，使系统的菌、藻繁殖，细菌、藻类及其分泌物和代谢物均能形成污垢，沉积在换热设备及管路上，造成软垢并在垢下腐蚀设备及管路。超声波阻垢防垢除垢技术是近年来发展起来的一种新技术，因实践中人们习惯上称之谓超声波防垢技术，所以本文一般简称“超声波防垢技术”。超声波防垢技术其阻垢防垢除垢及杀菌灭藻效果好，自动化程度高，工作可靠，运行费用低，不污染环境，被广泛应用于电力，冶金，化工，轻工等诸行业。
包钢公司循环水系统多，循环水量大，浓缩倍数低（仅为K=1.5），阻垢缓蚀杀菌灭藻绝大多数采用投加化学药剂来实现。造成公司每年投加的此类化学药剂费用高达近千万元，不仅运行药剂费用高，而且低磷配方及锌盐、鉻盐配方污染水体。更何况循环冷却水系统浓缩倍数低，新水补充量必然要增加，使公司吨钢取水徘徊在6m3左右。
从包钢公司应用超声波防垢技术的案例来看，2005年1月炼铁厂5#高炉的高压净环水热风阀主管上安装了1台超声波防垢器，多年来的运行实践证明防垢效果很好。2007年底炼铁厂新建的综合料场除尘器循环冷却水系统中安装了4台CF型超声波防垢器，投入运行以来防垢效果显著，使循环水系统运行的浓缩倍数保持在3左右，节约补充水量近50％。运行费用是投加化学药剂的1/15。不仅阻垢效果好，而且运行费用低，无需专人操作，无污染物排放。若包钢公司在净环水系统逐步采用超声波防垢技术，系统浓缩倍数控制在3左右，可取得节约新水20％的效果，使包钢公司吨钢取水降低到5m3以下的冶金行业较好水平，必将带来较大的经济效益和环保效益。对促进包钢公司发展循环经济，降低药价费用，节约黄河新水，实现绿色包钢意义较大。
2．超声波防垢原理
超声波在介质中传播时，会使媒质产生空化效应，高速微涡、振荡性剪切、冲击作用等。在媒质中产生一系列的物理和化学效应，工作原理如下图：
超声波脉冲防垢装置工作原理图2.1空化效应
超声波发射机发生高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡，使之在介质中传播。存在于液体中的微气泡（空化核）在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速振荡、膨胀、然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，其引发的物理、化学变化很大，其发生空化事件的气泡数为5*104/s，空化泡崩溃闭合时，极短时间在空化泡周围的极小空间内，产生5000k以上的高温和大约1千个大气压力，温度变化率高达109/s,并伴生强烈的冲击波和连续不断的爆破过程，称之为“空化效应”。超声波在液体介质中通过“空化效应”可使水分子裂解为H自由基和OH自由基，甚至H+和OH-根等【2】。而OH-与成垢物质离子Ca2+,Mg2+离子形成诸如Ca(OH)2,Mg(OH)2等的配合物，从而增加水的溶解力，使其溶垢能力相对提高，具有“活化”效应，因此可以提高循环冷却水的极限碳酸盐硬度，提高循环水的浓缩倍数。也就是说，超声波能提高流动液体和成垢物质的活性，增大被水分子裹着的成垢物质微晶核的释放，破坏垢类生成在管壁沉积的条件，使成垢物质在液体中成分散沉积体而不在管壁形成硬垢。
超声波能使被处理液体介质产生的空穴和气泡，把液体介质拉裂而形成无数极微小的局部空穴和气泡，在这些气泡的周围，好像许多的结晶中心，在水中开始形成硬盐，形成细小的颗粒状物质，悬浮在水中。
超声波改变了液体介质主体的物理化学性质，缩短了成垢物质的成核诱导期，刺激了微小晶核的生成。新生成的这些微小晶核，由于体积小，质量轻，表面积大，悬浮于液体中，有很强的争夺水中离子的能力，能抑制离子的成核后的聚合力，因此，减少了附着于热交换设备面上成垢离子的数量，从而也就减少了结垢的沉积速率。
超声波是一种弹性机械波，能在水中产生一系列极端的条件，空化气泡破裂产生的瞬间高温高压破坏细胞壁、使细胞内物资流出，破坏气胞，破坏活性酶，从而杀灭细菌。藻类细胞的特殊构造是一个占细胞体积50％的气胞，气胞控制藻类细胞的升降运动。超声波的“空化效应”可以破坏气胞。气胞成为空化泡而破裂；同时，空化产生的高温高压和大量的自由基，可破坏藻细胞内活性酶和活性物质，从而影响藻细胞的生理生化活性。次外，超声波引发的化学效应也能分解藻毒素等藻细胞分泌物和代谢物，长期使用超声波可
抑制藻类生成。杀菌效率可达90％，灭藻效率可达98％。大大的减少了污垢的产生及沉积。
2.2高速微涡效应
当超声波在金属与板壁传播时，会在金属管与板壁产生加速震荡波，使与该界面接触的液体产生高速微涡。这一高速微涡阻碍了结晶、结垢、积垢等物质的附着，同时对金属界面进行清理，可达到防垢与除垢的双重作用。
超声波振动形成水和管壁的振动，在水与管壁之间产生微小的水流，因此，减少了水与管壁之间的水流阻力，从而提高了水流的速度，并增加换热设备表面的热量传递。
在超声波振动的作用下，水与金属表面产生了许多空气泡，加速了水与受热表面的交换次数，使被加热介质能进行更好的交换混合，同样能提高热量的传递。
在管壁表面和水垢的裂缝中，在一般条件下（无超声波）存在空气中的氧气，在超声波振动作用下，它很容易从裂缝中排出来，清除管壁氧气，起到除氧作用，是一种清除钢管受氧腐蚀的设备。超声波的脉冲作用长期作用于管的内壁表面，在微小裂缝附近使其更易变形的部分能变化，借助于这些变形把裂缝的边缘封住，把水从裂缝里排出的时候，里面不会渗入氧气，管子的内壁变得光滑了，而且微小裂缝的面积会迅速减小，减少了对管道的腐蚀。清除了换热设备中的损坏，由此保护金属表面免受腐蚀，这种防腐的作用取代了对管道表面的钝化。
2.3剪切应力效应
超声波由结垢的热交换设备金属外表向里传播时，会引起板结的金属换热界面上的垢质跟随金属震动。但由于垢质的性质和弹性阻抗（弹性系数）不同，产生不同步震动，吸收和传播速度不同，产生速度差，形成垢层与管壁界面上的相对剪切力，形成“剪切效应”。金属换热界面上的垢质层疲劳、裂缝、疏松、破碎而脱落，起到了除垢作用。
2.4冲刷脱落
当超声波空化能量作用于金属表面时，在空化能量作用下，管道表面的水垢及化学药剂处理时都难以除掉的铁氧化合物，会不断剥落下来，起到了除垢的作用。
3．超声波防垢器在净环水中的应用
3.1包钢炼铁厂5#高炉高压净环水系统应用超声波防垢器的情况
2005年1月包钢炼铁厂在5#高炉的高压净环水热风阀主管上安装CF-2-20型超声波防垢器，以预防热风阀的水系统结垢。
CF-2-20型超声波防垢器使用工况：
5#高炉净环水、水压0.8MPa、温升10℃
CF-2-20超声波防垢器主要技术参数如下：
使用寿命：＞10年
供电电源：AC220V±10％，50Hz
工作频率：20KHz-30KHz，可调
最大输出峰值声功率：4KVA
允许介质温度：≤100℃
碳酸钙总硬度：＜1000mg/l,（以CaCO3计）
短节管直径：￠219；换热器外管长度：750*2=1500mm
连接方式：法兰连接
工作方式：长期连续，在线自动运行
（2）CF-2-20型超声波防垢器的运行情况
2005年1月防垢器安装完毕，于3月正式投入运行，经过近7个月的试用，于2005年9月26日进行了检查，打开了热风阀的阀柄两个出口检测，均未发现有结垢现象。同以往没有使用防垢设备相比，热风阀基本上一年左右就要替换一次。投入运行到现在，该设备运行稳定，可靠，防垢效果明显。
3.2包钢炼铁厂综合料场除尘器净环冷却水系统应用超声波防垢器实例
包钢炼铁厂综合料场4座除尘器，每座均设计了相同规模的净环冷却水系统，循环水量为100m3/h，温升10℃，补充水为包钢总排回用水，碳酸盐总硬度≤280mg/L（以CaCO3计)。系统按浓缩倍数3设计，则碳酸盐总硬度在840mg/L（以CaCO3计)），超声波防垢器控制水中碳酸
盐硬度≤1000mg/L(以CaCO3计)，在可控范围之内。因此每个净环水系统均安装1台CF-1-10型超声波防垢器。
（1）CF-1-10型超声波防垢器主要技术参数如下：
供电电源：220V±10%，50Hz
输出超声频率：20KHz～40KHz,可调
工作制式：PWM（脉冲调宽）
调频脉宽：200～300ms
单路输出超声峰值功率：0.5～2KVA
适应介质性质：PH=4～12,介质压力：<1.6MPa，介质温度：0～150℃
适应范围：水中碳酸盐总硬度≤1000mg/L(以CaCO3计)。
功能特点：长期连续在线全自动工作；阻垢率：96%；灭藻率：98%；杀菌率：90%。
整机寿命：连续工作<60000小时。
（2）CF-1-10型超声波防垢器运行情况
2007年底净环冷却水系统投入运行，到现在阻垢、杀菌灭藻效果很好，达到了预定的浓缩倍数，系统补充水量少，较常规的投加阻垢缓蚀药剂系统节水近50%，运行费用是常规加阻垢缓蚀药剂系统的十五分之一。且无人操作，仅消耗电能，无污染物外排。
4．结语
通过对超声波防垢器的研究与应用实践，进一步认识到该技术的优越性，证实了如下所述的经验：
4.1使用超声波防垢器后，使净环水系统运行稳定可靠，除垢效果明显。而且适合包钢总排回用水水质，这对强化总排回用水的利用，节约黄河新水，降低吨钢耗水量意义重大。
4.2超声波防垢技术属物理方法，仅消耗电能，功效显著，无化学污染物，不仅处理每立方净环水运行费用低，而且不造成任何环境危害，具有很好的经济效益和环保效益。这对于包钢公司的降低成本，促进循环经济发展，实现绿色包钢作用显著。
4.3超声波防垢器实现自动化运行，无需设岗专人操作，避免了劳动定员及人工作业问题。
4.4超声波防垢技术的高效、经济、环保、便利的特点，值得包钢公司的高炉净环水系统，转炉净环水系统，热电凝汽器、冷油器、热网加热器净环水系统，空压机、加热炉净环水系统中采用，必将带来更大的经济效益和环保效益，具有一定的应用前景。
参考文献
【1】林选才，刘慈慰，等.给水排水设计手册第4册工业给水处理[M].北京：中国建筑工业出版社，2002，345~369.
【2】张红专，高乃云，等.饮用水处理技术研究进展[J].工业用水与废水，2011，42（2）：5.