一种基于振动强化倒极脱垢的电化学除硬装置及方法

摘要

本发明一种基于振动强化倒极脱垢的电化学除硬装置，该电化学除硬装置包括依次连接的电解装置、过滤罐和缓冲罐单元，其中电解装置的下部设置有原水进水口与原水进水管相连，顶部或侧面设置有振动发生器，底部设置有排渣口，所述的电解装置、过滤罐和缓冲罐个单元进出口设置为下进上出；所述的电解装置自顶部至底部依次包括电极区、布水区和排渣区，电极区顶部固定并均匀分布有板式、丝束式或其他形式的阴、阳极，阴极与阳极边缘间距大于6mm，其中阴极材质为钛或者其合金，或者其他阀型金属或合金，且阴极壁面平滑。本发明电化学除硬装置可以有效解决传统电化学除硬过程中阴极表面垢层难清理、有效阴极面积小且设备占地面积大的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于振动强化倒极自清垢的电化学除硬装置及方法，属于电化学除硬领域。

背景技术

换热设备结垢问题广泛存在于石化、电厂、油田注采、食品、造纸、脱盐、半导体制造以及供暖等各个领域。结垢往往导致管道阻塞、传热效率下降以及垢下腐蚀等问题，造成设备的非正常停机以及能源和材料的巨大浪费，极大增加了生产成本和维护成本。由于水质原因，国内换热器污垢中，以钙镁型析晶污垢最为典型，危害较大。为缓解设备结垢，研究者尝试了各种策略。当前最为有效的阻垢手段仍是向水中投加化学阻垢剂，通常很少剂量阻垢剂就能达到抑垢效果。

然而传统投加化学药剂法存在药剂费昂贵、运行成本高以及系统排污废水二次污染等弊端。

电化学除硬技术因其操作简单和环境友好等优点而颇受关注。该技术的原理在于：H

目前，制约该技术的关键难题之一是电极表面沉积垢的清除问题。除了人工周期性清除方案外，当前最成熟的解决手段是刮刀刮垢，以恢复电极的电化学活性。其弊端之一是刮垢不彻底，影响电极稳定性；另一个问题是刮垢系统占据了大量反应器空间，大大缩减了有效阴极面积，导致设备除硬效率偏低；而且为便于刮垢，阴极形状设计受到很大限制，如常见的桶式电化学除硬器，常以桶内壁作阴极，阳极置于反应器中心，阴阳极之间大量空间作为旋转刮刀的活动区，在大水量工况下，若要满足除硬要求，设备数量需足够多，这极大增大投入成本和占地面积，从而限制了该技术的大规模应用。鉴于此，电化学倒极技术可被用于清除阴极表面的沉积垢，尽管如此，对于电化学除硬系统，实践表明，在设备运行初始倒极具有良好的清垢效果，然而随着设备运行时间延长，电极表面会大量积垢，严重影响设备的正常运行。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种基于振动强化倒极脱垢的电化学除硬装置及方法，解决了传统电化学除硬过程中阴极表面垢层难清理、有效阴极面积小且设备占地面积大的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明提供了一种基于振动强化倒极脱垢的电化学除硬装置，该装置包括依次连接的电解装置、过滤罐和缓冲罐单元，其中所述的电解装置的下部设置有原水进水口与原水进水管相连，在靠近电极区的部位设置有振动发生器，底部设置有排渣管，所述的电解装置、过滤罐和缓冲罐各单元进出口设置为下进上出；运行时含硬水质从排渣管上方电解装置电极区下方反向折流，经电化学处理后进入所述过滤罐、缓冲罐，得到低硬度出水；

所述的电解装置自顶部至底部依次包括电极区、布水区和排渣区，所述的电极区顶部固定并均匀分布有板式、丝束式或其他形式的阴、阳极，阴极与阳极内侧边缘间距大于6mm，其中所述的阴极材质为钛或者其合金、或者其他阀型金属或合金，且阴极壁面平滑。

本发明所述的电化学除硬装置中，所述的阳极优选为石墨、铅合金、钛基贵金属电极或钛基金属氧化物电极。

优选，所述的阴极其任意面与水平面垂直或与水平面夹角为60-90度。

优选，所述的电解装置内阴、阳极按阴极和阳极面积比在4到100之间均匀布局。

优选，所述电极区固定阴、阳极的固定部件为设置在电解装置顶部的钛集流板。

优选，所述的电解装置、过滤罐和缓冲罐各单元采用自动控制或半自动控制，其中自动控制优选包括信号输入单元、现场数据处理单元、远程数据处理单元及信号输出单元。

优选，所述布水区内原水进水管管口朝向排渣区，使进水折返缓冲后向上方均匀流入电极区；进水管数量根据电解装置大小可设置多支并均匀分布，且进水管边缘间距大于50mm；此外，每支进水管上可均匀设置多个出水口。

优选，所述排渣区和布水区通过窄管连通，窄管直径大于40mm；所述布水区呈倒锥子形；所述布水区原水进水管管口朝向排渣口，使进水折返缓冲后向上方均匀流入电极区。

优选，所述的电解装置、过滤罐和缓冲罐各单元中壳体或壳体内壁采用耐氧化、耐压的工程塑料。

优选，所述的振动发生器为机械振动发生器或超声振动发生器。

本发明进一步提供了一种采用上述的电化学除硬装置处理含硬水质过程中自脱垢的方法，其特征在于，包括如下步骤：含硬水质经原水进水管进入所述电化学除硬装置的电解装置，经电化学除硬处理后进入所述过滤罐、缓冲罐，各单元水流方向均是下进上出，得到低硬度出水；

当所述的电化学除硬装置运行过程中阴极电流密度大于5A/m

在电化学倒极过程中，电流密度控制在5～40A/m

本发明上述处理含硬水质过程中自脱垢的方法，在电化学除硬阶段，优选采用周期性暂停电解并降低进水流量后，单独启动振动发生器2-8min，以脱除电极壁面疏松垢层。

本发明基于振动强化倒极脱垢的电化学除硬装置及方法的有益效果是：本发明将物理振动和电化学自清垢耦合起来，优化了电解装置内的电极布局，使其相比传统的基于机械刮垢的电化学除硬装备，其自清垢技术可进一步缩小阴阳极间距，明显提升装备集成度(单台设备有效阴极面积较传统桶式电化学除硬器明显提升，其除硬效率显著提升，除硬速率可提升5倍以上)，能有效降低装备占地面积；其次，与现有自动刮垢除硬装备相比，设备动力系统大大简化，能耗可显著降低；最后，本发明通过耦合了振动物理场，相比单一的电化学倒极清垢技术，可明显提升电极的自清垢效率及稳定性(当前装备在无人工酸洗清垢的情况下，稳定运行时长达100天以上)，实际应用性更强。

附图说明

图1为本发明基于振动强化倒极脱垢的电化学除硬装置的一种实施例整体结构示意图；

图2为图1电化学除硬装置中的电解装置的结构示意图；

图3为本发明的过滤罐结构示意图；

图4为本发明的自动控制系统的结构示意图；

其中，1、电解装置；2、过滤罐；3、缓冲罐；4、自动控制系统；101、绝缘垫板；102、阴极集流板；103、阳极；104、阴极；105、振动发生器；106、进水阀；107、原水进水管路；108、稳流电源；109、阳极集流板；110、电极区；111、电解装置壳体；112、布水区；113、排渣区；114、排渣阀；115、排渣管；201、上封头；202、纤维束滤料；203、过滤罐壳体；204、下封头；401、信号输入单元；402、现场数据处理单元；403、远程数据处理单元；404、信号输出单元；405、进水流量传感器；406、进水压力传感器；407、进水电导率传感器；408、进水浊度传感器；409、槽压传感器；410、出水流量传感器；411、出水压力传感器；412、出水浊度传感器；413、出水电导率传感器；414、排渣阀控制开关；415、振动发生器开关；416、电源时控开关；417、进水阀控制开关；418、出水阀控制开关；419、稳流电源正向运行开关；420、稳流电源反向运行开关。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明基于振动强化倒极脱垢的电化学除硬装置及方法技术方案作进一步描述。

如图1所示，本发明基于振动强化倒极脱垢的电化学除硬装置，包括依次连接的电解装置1、过滤罐2和缓冲罐3单元，其中电解装置1的下部原水进水口与原水进水管107相连，在靠近电极区110的壳体部位设置有振动发生器105(图1实施例中采用的振动发生器105是以机械振动发生器为例介绍，本领域一般技术人员根据本说明书的记载可以采用超声振动发生器，在此不作赘述)，底部设置有排渣管115。运行时三个单元的水流走向均设为下进上出，在自动控制系统4的调控下，含硬水质依次经电解装置1电化学处理后进入过滤罐2和缓冲罐3，得到低硬度出水。

如图2所示，本发明电解装置壳体111为耐氧化耐压的聚丙烯，装置顶部至底部依次包括电极区110、布水区112和排渣区113。在电极区110，采用钛材质的阴极集流板102和阳极集流板109(二者通过绝缘垫板101隔开，并用螺丝紧固在电解装置壳体111顶部)固定阴极104和阳极103，其中阴极104为厚度1mm的平滑钛板，阳极103是由直径3mm的钛基钌铱钛氧化物涂层电极直丝垂直焊接而成的网板，阴极104与阳极103均垂直悬挂在电极区110，内侧边缘间距为6mm，面积比为16:1。装置的布水区112和排渣区113的设计可根据单台设备处理水量进行合理设计。当单台设备处理量较小(10m

如图3所示，本发明电化学除硬装置的过滤罐壳体203为耐氧化性耐压工程塑料聚丙烯，罐体自上而下包括带孔的上封头201(可拆卸)、带孔的下封头204(可拆卸)以及罐内封装的纤维束滤料202(可过滤0.4um以上的垢晶颗粒)。运行时，经电解装置1处理后含垢晶颗粒的水质从过滤罐2下侧流入，处理后的滤液从过滤罐2上侧流出。

如图4所示，本发明电化学除硬装置的自动控制系统4主要包括信号输入单元401、现场数据处理单元402、远程数据处理单元403及信号输出单元404四部分。其中，信号输入单元401连接进水流量传感器405、进水压力传感器406、进水电导率传感器407、进水浊度传感器408、槽压传感器409、出水流量传感器410、出水压力传感器411、出水浊度传感器412和出水电导率传感器413。装置的数据处理单元由现场数据处理单元402和远程数据处理单元403组成。信号输出单元404连接排渣阀控制开关414、振动发生器开关415、电源时控开关416、进水阀控制开关417、出水阀控制开关418、稳流电源的正向运行开关419和反向运行开关420。

电化学除硬过程中，阴极电流密度根据水质情况设定在5～40A/m

当进、出口电导率差值低于装置初始运行时电导率差值的30％时，或者槽压高于初始运行槽压的20％时，关闭稳流电源108的正向运行开关419，并调低进水流量或关停进水，然后启动稳流电源108的反向运行开关420，倒极电流密度大小根据实际沉积垢的脱除效果来设定，调控范围为5-40A/m

除了“倒极→振动”清垢模式外，在电化学除硬阶段，周期性暂停电解并降低进水流量后，单独启动振动发生器2-8min(根据水质及脱垢情况设定)，以脱除电极壁面疏松垢层。

当电化学除硬装置运行一定时间(具体时长由设备排渣区113容积及处理水质确定)后，设备启动排渣模式。通过时空开关416自动关闭稳流电源108，然后启动排渣阀控制开关414，打开排渣阀114，利用进水水流冲击作用将电解装置1排渣区113中的垢渣排走。

某企业开路循环冷却水系统循环水量1000m

表1某企业循环水物化参数

表2设备运行工艺参数

表3各时间点进出水水质及设备性能参数

实验结果显示本发明电化学自清垢除硬理装置的应用稳定性高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。