新型高梯度磁过滤器除铁性能研究
周建伟1 叶洲 2 李良武3 刘善波4
西安热工研究院有限公司(陕西 西安) 抚顺隆基电磁科技有限公司(辽宁 抚顺)
摘 要 介绍了高梯度磁过滤器在某电厂的实际运行情况。结合相关的试验对高梯度磁过滤器的除铁性能进行了深入的研究。此次试验采用电厂实际的铁腐蚀产物配制水样，对国产新型高梯度磁过滤器的除铁性能进行了试验。结果表明，磁过滤器以额定流量10m3/h(流速为266m/h)运行，当进水含铁量为20μg/L时，出水为2.5μg/L，去除率为86.8%，出水含铁量达到了GB/T 12145-2008《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》中超临界直流炉给水含铁量小于5μg/L的水质标准;改变进水含铁量分别为40μg/L、185μg/L、700μg/L、1500μg/L时，测得出水含铁量分别为7.6μg/L、12.2μg/L、18.1μg/L、26.2μg/L，相应的去除率分别为81.4%、93.4%、97.4%、98.3%。
关键词 电磁除铁 高梯度电磁除铁过滤器 凝结水精处理、疏水回收 除铁性能
Study on Iron Removal Performance of High Gradient Magnetic Filter
Abstract: Introduces the high gradient magnetic filter in the actual operation situation of a certain power plant. Study on Iron Removal performance of High Gradient Magnetic Filter Unifies the related experiment. The performance of high gradient magnetic filter was tested with water contain actual corrosion products in a power plant. It is found that iron concentration in effluent was 2.5μg/L with that in influent was 20μg/L under 10m3/h (flow rate was 266m/h), and the iron removal rate was 86.8% and iron concentration in effluent was under the limit of standard GB/T 12145-2008. Iron concentration in effluent was changed from 7.6μg/L, 12.2μg/L,18.1μg/L to 26.2μg/L if that in influent was changed from 40μg/L,185μg/L,700μg/L to1500μg/L. The removal rate was 81.4%,93.4%,97.4% and 98.3%, respectively.
Keywords: magnetic iron removal; high gradient magnetic filter;condense polishing;drainage recycling; performance of iron removal
1 前言
火电厂对外供热所产生的热网疏水是汽轮机的抽汽经过换热器换热后冷却的凝结水，其温度约90℃～150℃。调查发现部分电厂的热网疏水未经处理直接回收至除氧器，由于热网疏水中悬浮铁含量高、铁含量变化频繁，这会影响锅炉给水品质。而且热网疏水水温较高，采用常规的除铁过滤器无法满足安全经济运行的要求。但高梯度磁过滤器可以直接过滤高温高压流体，且操作简单，运行维护较为方便，不必添加化学药品或滤料，同时又具有设备占地面积小，反洗时间短、水耗低的优点,并且反洗排水中除铁的悬浮物外，不产生新的废料，运行效果显著，所以近年来备受关注。
国内某公司设计生产的高梯度磁过滤器采用新型导热及绝缘材料，具有独特磁芯结构和磁路设计，适应性强，耐高温，磁场强度高，可吸附微米级磁性悬浮物质，设备运行采用PLC程序控制，操作简单方便，适用于热网疏水的过滤除铁。本文对其过滤除铁性能进行了试验与实际运行方面的总结。
2.热网疏水中铁的腐蚀产物的来源及危害
2.1 铁离子的来源
2.1.1氧腐蚀
凝结水中氧腐蚀的形式都是氧去极化腐蚀，其腐蚀产物是铁的氧化物，其反应方程式如下。
阳极反应:Fe→Fe2++2e
阴极反应:O2++2H2O+4e→4OH-
以上反应的产物Fe2+在水中会与其他相关物质进一步进行反应，其过程为
Fe 2++OH→Fe(OH)2
4Fe(OH)2+2H20+02→4Fe(OH)3
Fe(OH)2+2Fe(OH)3→Fe3O4+4H2O
氧腐蚀的影响因素很多，影响冷凝水氧腐蚀的因素主要有：pH值、溶解氧浓度、水流速、温度等，当pH低，溶解氧浓度高，水流速快和温度高，腐蚀速度都会加快[1]。
2.1.2间断供汽方式
由于供热过程蒸汽是间断性的，当不用汽的时候，管道放空，空气中的氧气进入管线发生表面的氧腐蚀;当管道再次使用时，表面氧化腐蚀产物脱落，这是回水铁离子浓度偏高的重要原因。
2.2铁离子的存在对锅炉运行的危害
未经处理的凝结水作为锅炉补充水，水中所含大量铁离子会在锅炉传热面发生二次结垢及垢下腐蚀，造成危害。
2.2.1浪费燃料，降低出力
锅炉结垢后将严重影响受热面传热，降低热效率，降低蒸汽出力，增加燃料消耗。
2.2.2易引起事故，影响安全运行
受热面结垢后，金属的热量由于受水垢的阻碍而难于传热给炉水，致使金属壁温急剧升高，当温度超过了金属所能承受的允许温度时，金属强度显著降低，从而导致金属过热变形，严重时将造成鼓包、裂缝，甚至爆管等事故。
2.2.3堵塞管道，破坏水循环
如果水管内结垢，就会减小流通截面积，增大水的流动阻力，破坏正常的水循环，严重时还会完全堵塞管道，或造成爆管事故。
2.2.4引起垢下腐蚀，缩短锅炉寿命
锅炉结垢后还会引起垢下腐蚀等危害。一旦受热面结垢，就极难清除，严重时只好采用挖补、割换管子等修理措施，不但费用大，而且还会使受热面受到严重损伤。大大缩短锅炉的使用寿命。另外，锅炉结垢后，将增加清洗和维修的时间、费用及工作量等，影响生产，减小锅炉的有效利用率，降低经济性。
3. 新型高梯度磁过滤器的工作原理
高梯度磁过滤器是借助电磁线圈产生高强度的直流磁场，使导磁基体表面形成极高的磁场梯度。水中磁性物质颗粒通过筒体时，被磁化的基体具有的强大磁力将颗粒捕集在其表面，从而达到水质净化的目的。作用于颗粒的磁力可用下式表示[2]：
F—作用于颗粒的磁力;
V—磁性颗粒的体积;
γ—磁性颗粒的磁化率;
H—磁场强度;dH/dx—磁场强度梯度。
可见对某一确定的电磁除铁过滤器而言，上式中磁场强度及磁场强度梯度为定值，因此，作用于颗粒的磁力主要与磁性颗粒的体积有关，也就是与物相组成及其粒径分布有关。而作用于颗粒的磁力越大，铁的去除率越高。因此，水中铁氧化物颗粒的有效粒径越大，磁性氧化铁的比例越大，相应地铁的去除率也越大。可见试验中对铁的腐蚀产物的选择非常重要，对去除率影响较大。
4.试验方法
4.1 试验仪器
(1)激光粒度分析仪;
(2)X射线衍射仪;
(3)紫外分光光度计;
(4)石墨炉原子吸收分光光度计。
4.2试验用铁粉的制备及成分测定
为使试验配水中所用的铁粉更具有代表性，将某空冷电厂前置过滤器的反洗排水(过滤器滤元为折叠式滤元，过滤精度为5μm)，经沉淀、过滤、烘干等工序制成样品。对样品用激光粒度分析仪进行了粒径分布检测，结果见表2(采用粒径分布曲线图代替表2，将表2的数据用语言来描述，并求出有效粒径)。用X射线衍射仪进行了物相组成检测，结果见表3。
表2 铁粉的粒径分布表
粒径(μm)<5<10<30<60
累计通过百分比(%)5.026.967.299.5
表3 铁粉的成分测定结果
成分Fe3O4Fe2O3γ-FeO(OH)
质量百分比(%)53.435.810.8
表2显示样品中粒径小于60μm的颗粒占到99.5%，而小于30μm的颗粒约占67.2%。表3显示铁粉样品的主要成分按含量大小顺序为Fe3O4、Fe2O3和γ-FeO(OH)。其中，Fe3O4是铁磁性物质，在外磁场作用下磁化强度很大;Fe2O3为顺磁性物质，在外磁场作用下显示磁性;γ-FeO(OH)为抗铁磁性物质，在外磁场作用下磁感应低，磁性十分微弱。可见具有磁性的Fe3O4和Fe2O3 占比为89.2%。
4.3含铁量的测定方法
试验水样含铁量在2000μg/L以下，不同含铁量的水样应采用相应的测试方法：
(1)含铁量大于10μg/L，采用GB/T14427-2008《锅炉用水和冷却水分析方法 铁的测定》;
(2)含铁量小于10μg/L，采用DL/T955-2005《火力发电厂水、汽试验方法 铜、铁的测定 石墨炉原子吸收法》。
试验所用的电磁除铁过滤器额定流量为10m3/h(流速为266m/h)。设计的动态模拟试验装置具有过滤、反冲洗、空气擦洗功能，系统图见图1。配有电控柜，可控制过滤器、泵和搅拌器启停;装有压力表，可在线读取进、出水压力。
图1 高梯度磁过滤器除铁性能动态试验装置系统图(图中空气与运行应区别开)
5.试验结果与讨论
5.1 磁过滤器除铁效率试验结果
为模拟机组正常运行及启动等不同情况下磁过滤器的除铁效果，配制不同含铁量(分别为20μg/L、40μg/L、185μg/L、700μg/L和1500μg/L)的进水，在额定流量10m3/h下运行，测试进、出水含铁量，并计算去除率，为提高数据的准确性，每种进水浓度下分别测试3次，然后取平均值，试验结果见表4。进一步得到的过滤器出水含铁量和去除率随进水含铁量变化的趋势见图2。
表4 不同进水含铁量水样的除铁效率测定结果
配制的进水浓度(μg/L)实测进水浓度(μg/L)出水浓度(μg/L)去除率(%)
2018.92.586.8
4040.87.681.4
185185.312.293.4
700709.518.197.4
15001533.526.298.3
图2 过滤器出水含铁量和去除率随进水含铁量变化趋势图(图标中应为出口含铁量，纵轴左边应为出水铁含量，右边为去除率)
磁过滤器除铁效率试验结果表明：
(1)当过滤器流速为266m/h，进水含铁量为19μg/L时，出水为2.5μg/L，铁去除率为86.8%，出水含铁量达到了GB/T12145-2008《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》中超临界直流炉给水的含铁量小于5μg/L的水质标准;
(2)当改变进水含铁量分别为40μg/L、185μg/L、700μg/L和1500μg/L(用实测值)时，出水含铁量分别为7.6μg/L、12.2μg/L、18.1μg/L和26.2μg/L，相应的去除率分别为81.4%、93.4%、97.4%和98.3%。在此条件下，该过滤器的出水含铁量达到了GB/T12145-2008《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》中对疏水和生产回水的含铁量分别小于50μg/L和100μg/L的水质标准。
(3)当进水含铁量上升时，出水含铁量也随之上升，但除铁效率均保持在较高的水平，进水浓度40μg/L以下时，去除率可达80%;进水浓度在185μg/L~1500μg/L时，去除率可达到93%及以上。
5.2过滤前后铁氧化物颗粒物相组成对比
对过滤器所截留的铁粉进行X射线衍射检测，结果见表5。
表5 过滤器截留铁粉的成分测定结果
成分Fe3O4Fe2O3γ-FeO(OH)
质量百分比(%)53.535.810.7
对比表3与表5可以看出，过滤前后水中铁氧化物的物相组成并未发生改变。根据以往的报道，磁过滤器去除的主要是铁磁性氧产物，对顺磁性的铁氧化物及其他非磁性悬浮物则几乎没有去除作用[3]。但试验结果表明，试验所用高梯度磁过滤器除了可以去除铁磁性腐蚀产物Fe3O4外，对顺磁性铁氧化物Fe2O3及抗磁性铁氧化物γ-FeO(OH)的去除效率也同样很高。其主要原因可能是因为CAD型高梯度磁过滤器的磁场强度很高(20000Gs、1000Gs/μm)，由于微小颗粒之间的吸附作用的存在，使其对铁氧化物保持了较高的去除效率。
6. 新型高梯度磁过滤器的运行情况
某电厂对外供热所产生的热网疏水来自汽机房汽轮机的抽汽，采暖热媒为绝对压力为0.8Mpa、温度330℃左右的蒸汽，通过减温减压装置降压减温后的饱和蒸汽经过换热器，用于厂外居民供热。冷却后的蒸汽，变为凝结水。所需疏水回水流量约200吨/小时、疏水温度约90℃～150℃。由于凝结水中含有大量的铁离子致使凝结水不能直接回收,然而，蒸汽-凝结水含有很高的热焓，从节约资源、提高资源重复再利用价值、综合降低发电成本角度出发，需将疏水进行全部回收作为机组补给水。
冬季蒸汽供暖的凝结水中由于含有大量的铁离子，致使凝结水不能重新回收利用;并且，国内其它的除铁过滤设备不能满足现场150℃的水温要求。针对此情况华电国际十里泉电厂采用抚顺隆基电磁科技有限公司生产的高梯度磁过滤器去除凝结水中大量的铁离子，达到锅炉的用水要求，节约水资源和能源[4]，效果非常显著。
日期时间电压 V电流 A进水铁含量μg/L出水铁含量μg/L铁去除率%
2009年12月27日8：3044010070014.497.9
15:3044510050012.897.4
2009年12月30日8:504481004509.098
16：004501003808.597.8
2010年1月1日8：304201002784.598.3
16：204251002285.097.8
2010年1月2日9：004321001884.497.6
17:004361001394.596.7
2010年1月3日8:104251001103.896.5
16:40430100904.295.3
出水铁含量均低于15μg/L，达到了GB/T12145-2008《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》中对疏水和生产回水的含铁量分别小于50μg/L和100μg/L的水质标准。磁过滤器的除铁效率在95.3%—98.3%之间。磁过滤器的除铁效果略优于实验室的除铁效果，说明实验室模拟的试验条件与现场的实际情况还是有少许差别，误差无法避免。但实验室的测试数据与现场运行数据基本吻合，试验数据得到了很好的验证。
7. 结论
(1) 通过试验研究数据分析表明高梯度磁过滤器的除铁效率很高。当进水含铁量在40μg/L以下时，去除率可达80%以上;当进水含铁量在185μg/L~1500μg/L时，去除率在93%以上。适用于热网疏水的过滤除铁等领域，可有效缩短机组的启动时间，显著降低排放水量，达到节能和环保效果。
(2) 高梯度磁过滤器不经可以去除铁磁性腐蚀产物Fe3O4，对顺磁性铁氧化物Fe2O3及抗磁性铁氧化物γ-FeO(OH)的去除效率也同样很高。
(3) 通过运行数据分析表明高梯度磁过滤器在正常运行后期，进水铁含量低于200μg/L时，出水铁含量低于5μg/L，出水含铁量达到了GB/T 12145-2008《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》超临界直流炉给水含铁量小于5μg/L的水质标准
参考文献
[1] 赵小恰.蒸汽供暖凝结水的回收利用[J].工业技术，2009.(29): 34
[2] 惠任泉.电磁过滤器在电厂水处理中应用.电力设计水处理技术[J].1989,4:30
[3] 渡道一成，藤原帮夫.高梯度电磁过滤器在火电厂和核电站的应用.热力发电译丛 [J].1992，4:14
[4] 国家五部委.中国节水技术政策大纲[N].2005，4.
[5] 李培元.火力发电厂水处理及水质控制.中国电力出版社.[M]，2008：349.