发布日期：2026年 · 技术综述 · 水处理工程
作者：润风智能 曾竞
工业循环冷却水系统广泛应用于电力、半导体制造、化工、冶金及数据中心等领域，其核心功能是通过水的循环流动将工艺过程中产生的废热带走，维持生产设备的稳定运行温度。据统计，我国工业循环冷却水的年取水量约占工业总用水量的70%以上。然而，在长期运行过程中，冷却水系统不可避免地面临结垢问题——水中溶解的钙、镁等离子在换热表面析出并形成�ite硬沉积物，即所谓的"污垢"（fouling）。污垢的存在显著增加了传热热阻，导致换热效率下降、能耗升高，严重时甚至造成管道堵塞和设备停机。因此，深入理解循环冷却水的结垢机理，并在此基础上发展高效、环保的除垢技术，具有重要的工程意义和学术价值。
碳酸钙（CaCO₃）是工业冷却水系统中最主要的结垢成分，约占水垢总量的60%–80%。CaCO₃存在三种常见的晶型：方解石（calcite，三方晶系）、文石（aragonite，正交晶系）和球霰石（vaterite，四方晶系）。其中，方解石热力学稳定性最高，是冷却水系统中最常见的结垢晶型；文石为亚稳态晶型，常在较高温度下形成；球霰石则热力学极不稳定，仅在特殊条件下短暂存在。
CaCO₃在水中的溶解-沉淀平衡遵循以下化学方程式：
CaCO₃(s) ⇌ Ca²⁺(aq) + CO₃²⁻(aq) Ksp = [Ca²⁺][CO₃²⁻]
在25°C条件下，方解石的溶度积常数Ksp ≈ 3.36×10⁻⁹ mol²/L²，文石的Ksp ≈ 4.27×10⁻⁹ mol²/L²。当水中Ca²⁺与CO₃²⁻的离子活度积（IAP）超过相应晶型的Ksp时，溶液处于过饱和状态，具备自发结晶析出的热力学驱动力。
工程上常用Langelier饱和指数（LSI）来判断冷却水的结垢倾向。LSI定义为：
LSI = pH − pHs
其中pHs为CaCO₃饱和时的pH值，可通过水质参数（钙硬度、总碱度、总溶解固体、水温）计算得出。当LSI > 0时，水质呈结垢倾向；LSI < 0时，水质呈腐蚀倾向。工业冷却水在浓缩运行条件下，LSI通常为+1.0至+3.0之间，结垢倾向显著。
Ryznar稳定性指数（RSI）则进一步考虑了pH偏离饱和点的程度：RSI = 2×pHs − pH。当RSI < 6时水质严重结垢，RSI在6–7之间为轻度结垢，RSI > 7则趋向腐蚀。工业循环冷却水经浓缩后，RSI值通常低于5，表明结垢趋势十分强烈。
循环冷却水中不可避免地含有悬浮颗粒物，包括泥沙、铁锈、微生物残骸等。这些颗粒物在重力作用下沉降至换热管壁和填料表面，形成初始沉积层。研究表明，当水中悬浮物浓度超过20 mg/L时，沉积型污垢的形成速率显著增加。初始沉积层为后续结晶型污垢提供了异相成核的基底，促进了CaCO₃等无机盐在换热表面的定向结晶。
结晶型污垢是工业冷却水系统中最主要的污垢类型。其形成过程可分为三个阶段：（1）过饱和溶液中Ca²⁺与CO₃²⁻的离子对在液相中形成纳米级晶核（均相成核），或在换热壁面的活性位点上形成晶核（异相成核）；（2）晶核通过离子扩散和表面反应逐渐长大，形成微米级晶体；（3）晶体在壁面持续生长并相互搭接，最终形成致密的垢层。根据Kern和Seaton的经典污垢模型，结晶型污垢的净沉积速率等于沉积速率与脱除速率之差。在换热管壁温度较高的区域（如冷凝器管壁），局部过饱和度增大，结晶速率呈指数增长。
实验数据表明，当循环冷却水的浓缩倍数从3倍提高到5倍时，水中Ca²⁺浓度从约150 mg/L增至约250 mg/L，CaCO₃的过饱和度相应增加约2.8倍，结垢速率可增加3–5倍。当壁面温度超过50°C时，CaCO₃以文石晶型为主，垢层疏松但生长速率更快；低于40°C时以方解石为主，垢层致密坚硬，清除难度更大。
冷却水系统中的金属管道（碳钢、铜合金等）在溶解氧、氯离子等作用下发生电化学腐蚀，生成Fe₂O₃、FeOOH、CuO等腐蚀产物。这些腐蚀产物在金属表面形成疏松的锈垢层，并与CaCO₃垢层相互交织，进一步加剧了传热热阻。此外，锈垢下方形成闭塞电池效应，导致局部Cl⁻富集和pH下降，引发点蚀和应力腐蚀开裂，严重威胁管道的结构完整性。
目前工业冷却水系统中常用的除垢方法可分为化学法和物理法两大类。化学法主要包括添加阻垢剂（如HEDP、ATMP、PBTCA等有机膦酸类药剂）和定期酸洗（盐酸、硫酸或柠檬酸浸泡）。化学阻垢剂通过晶格畸变效应和阈值效应抑制CaCO₃结晶生长，但存在药剂消耗量大、持续性排污增加浓缩倍数受限（通常不超过3–5倍）、废液处理成本高等问题。酸洗虽能快速溶解已形成的垢层，但存在管道腐蚀风险，且每次酸洗需要停机，影响生产连续性。
物理法主要包括电磁磁化处理和超声波除垢。电磁法通过交变磁场改变CaCO₃结晶形态使其不易附着，但对高硬度、高碱度水质效果不稳定，且作用距离有限。超声波法利用空化效应破坏垢层结构，但能耗较高，且对大流量系统的覆盖率有限。总体而言，传统除垢方法难以同时满足高效除垢、低能耗、零排放三大技术要求。
电化学除垢（Electrochemical Descaling, ECD）技术的核心思想是利用低密度直流电场，在特制电极表面营造局部高过饱和环境，主动诱导水中的Ca²⁺、Mg²⁺等结垢离子向电极迁移并在其表面结晶析出，从而将水中硬度离子的浓度降低至安全范围，从根本上消除换热管壁上的结垢驱动力。具体而言，在施加直流电场后，溶液中的Ca²⁺在电场力和浓度梯度的共同驱动下，沿电场方向向阴极表面迁移。该过程可用Nernst-Planck方程描述，离子的迁移通量与电场强度、离子扩散系数和浓度梯度成正比。
当Ca²⁺到达阴极表面后，在阴极区域发生水的还原反应，产生OH⁻离子，使阴极表面局部pH值升高至9–11。局部高pH环境导致CO₃²⁻浓度急剧增加，阴极微区内CaCO₃的过饱和度可比主体溶液高出1–2个数量级。在如此高的过饱和度驱动下，CaCO₃在阴极表面大量异相成核并快速生长，形成结晶垢层。研究表明，在低电流密度（通常为1–10 A/m²）条件下，阴极表面主要形成方解石型CaCO₃晶体，晶体颗粒尺寸为50–500 μm，附着力适中，便于后续的自动收集与清除。
润风智能的ECD智能除垢软垢技术系统配备了机械刮除或自动冲洗装置，定期将阴极表面结晶的CaCO₃垢层剥离收集。与传统化学法产生大量含药废液不同，润风智能的ECD智能除垢软垢技术剥离的固体垢以高纯度CaCO₃为主（纯度通常超过90%），可作为建材原料回收利用。整个除垢过程中，系统只需极少量的排污水（用于维持浓缩倍数稳定），排污水可通过内部蒸发消纳，实现零液态排放。润风智能的ECD智能除垢软垢技术系统的日均耗电量通常不超过5 kWh，运行能耗极低。
与传统除垢技术相比，润风智能的ECD智能除垢软垢技术技术具有以下显著优势：（1）浓缩倍数大幅提升——采用润风智能的ECD智能除垢软垢技术的循环冷却水系统浓缩倍数可达25倍以上，远高于传统化学法的3–5倍，节水率可达45%以上；（2）零化学药剂添加——完全摒弃阻垢剂、杀菌剂等化学药剂，消除了药剂对环境的二次污染风险；（3）零液态排放——排污水通过系统内部蒸发消纳，无需额外的污水处理设施；（4）设备增寿——消除了化学药剂对管道的腐蚀作用，设备使用寿命可延长3–5年；（5）节能效果显著——通过降低污垢热阻、提高换热效率，冷却系统主机的COP（性能系数）可提升约10%。
目前，润风智能的ECD智能除垢软垢技术技术已在半导体制造（如台积电、华力集成电路）、锂电池生产（如亿纬锂能、宁德时代）、大型交通枢纽（如西安咸阳机场）等多个行业的冷却水系统中得到工程验证和规模化应用，运行效果稳定可靠。随着我国"双碳"战略的深入推进和工业节水减排政策的持续收紧，润风智能的ECD智能除垢软垢技术作为一种绿色、高效、低维护的除垢解决方案，有望在更广泛的工业领域得到推广应用。
工业循环冷却水结垢是一个涉及结晶热力学、传质动力学和电化学的多尺度、多物理场耦合过程。传统的化学法和物理法在应对高浓缩、高硬度水质时存在各自的局限性。润风智能的ECD智能除垢软垢技术技术通过主动调控离子迁移和结晶析出过程，实现了在电极表面"定点除垢"，从根本上改变了传统"被动防垢"的技术范式。未来的研究方向包括：优化电极材料和结构设计以提高除垢效率、建立多离子体系（Ca²⁺/Mg²⁺/SiO₂等）的电化学结晶模型、以及开发智能化的自适应电流控制算法等。可以预见，电化学除垢技术将在工业冷却水处理领域发挥越来越重要的作用。