基于電磁場技術(shù)的TriIns Water系統(tǒng)在水處理中的應(yīng)用研究

李 騁 張 怡 吳曉雪

(貴州省計量測試院，貴州 貴陽 550003)

1 概 述

在冶金、電力、化工、水泥等工業(yè)以及日常生活中，都需要循環(huán)冷卻水對各類設(shè)備進行降溫處理，而冷卻水的結(jié)垢都是一個非常常見且難纏的問題[1]。循環(huán)冷卻水的水垢主要有以下危害[2-6]：阻礙水的正常流通循環(huán)，減小水流的有效流通橫截面積；在電力、冶金行業(yè)表現(xiàn)為降低鍋爐系統(tǒng)的傳熱效率，在石油化工產(chǎn)業(yè)表現(xiàn)為降低油井產(chǎn)量，致使運行費用大幅度提高；使金屬器壁過熱而爆管，威脅生命安全；使輸水管線腐蝕，造成損失甚至引發(fā)事故；除垢劑為化學(xué)除垢劑，導(dǎo)致環(huán)境污染。基于以上因素，對垢的形成機理、阻垢抑垢方法機理的研究是各學(xué)科的熱點和難點。

目前市場的循環(huán)冷卻水處理仍以化學(xué)藥劑法為主，多種水處理藥劑的化學(xué)品被列為危險物質(zhì)，需要經(jīng)過培訓(xùn)的專職人員進行操作，以應(yīng)對化學(xué)品泄漏或是暴露事件；無法準(zhǔn)確控制藥劑添加量，常處于藥劑不足或過量狀態(tài)，影響處理效果；藥劑本身進入循環(huán)水系統(tǒng)，會產(chǎn)生化學(xué)品積垢；可控制的循環(huán)水濃縮倍數(shù)低，大量排污造成水資源浪費；直接排入水體，造成水環(huán)境污染，破壞生態(tài)平衡，引起水體富營養(yǎng)化及加大工業(yè)水處理成本[7]。

鋼制冷卻塔，由于整個塔體暴露在潮濕環(huán)境中，極易腐蝕。如在冷卻塔水池中直接加入酸性阻垢藥劑和強氧化性(例如次氯酸)的殺菌、抑藻藥劑，更會加速塔體腐蝕。

TriIns Water系統(tǒng)通過不同頻率的時變電磁場對水進行處理，通過磁種或者磁化混凝劑的方式強化對污染物的吸附去除性能，再通過磁分離(高梯度磁分離、磁盤分離等)或者沉淀等技術(shù)達到處理污、廢水的目的。對冷卻塔金屬水池進行針對性腐蝕防護，能夠達到結(jié)垢、腐蝕、藻類和細菌控制的目的。為發(fā)電及工業(yè)企業(yè)提供最優(yōu)的循環(huán)冷卻水處理方案，遵循“清污分離，分類回收、分質(zhì)回用”的原則，優(yōu)化全廠水平衡系統(tǒng)，通過水的梯級使用提高水重復(fù)利用率；通過全廠廢水綜合治理，提高廢水回收率，在確保設(shè)備安全運行的前提下，大部分廢水實現(xiàn)回用，最終基本實現(xiàn)全廠廢水“零排放”。

2 TriIns Water智水系統(tǒng)

2.1 原理

TriIns Water電磁波技術(shù)原理是通過特頻激勵裝置控制系統(tǒng)發(fā)射一種超低頻率的時變脈沖電磁波——特頻(TriIns)電磁波，運用特頻電磁波直接對水進行處理，在處理區(qū)形成離子電流疊加交變電磁場(工藝流程見圖1)。在此電磁場的作用下，水中碳酸鈣的溶解度提高或激發(fā)水中成垢物質(zhì)(主要為鈣離子)直接在水簇中生成高能態(tài)的微細文石粉末，而不會在過飽和狀態(tài)下于受熱表面形成堅硬的方解石(交變電磁場作用前后體系內(nèi)的鈣離子與氧原子分布見圖2)。

圖1 工藝流程

圖2 交變電磁場作用前后鈣離子與氧原子分布(左：電磁場作用前，右：電磁場作用后；紅色：水分子中的氧原子，綠色：鈣離子)

方解石很堅硬，只有通過有害的酸性化學(xué)品清洗工序才可以去除，而高能態(tài)的文石粉末可以隨水流沖走或者可以被容易地清除，不易附著在受熱表面或者管道內(nèi)壁。隨著處理的進行，原有的部分硬垢會逐漸脫落，達到除垢效果，進而全面提高系統(tǒng)的熱交換效率。方解石和文石粉末對比見圖3。

圖3 方解石及文石樣本對比(左:方解石；右:文石粉末)

當(dāng)水流經(jīng)過電磁場處理區(qū)域時，內(nèi)部能量增加，會使沉浸于水下或管道內(nèi)壁的鋼鐵表面已形成的松散銹層結(jié)垢硬化，同時在銹層下形成四氧化三鐵(Fe3O4)保護層，此保護層致密穩(wěn)定，類似鍍膜，保護系統(tǒng)免于進一步腐蝕。通過X射線衍射(XRD)，分析保護層衍射圖譜，可明確其主要成分為四氧化三鐵(Fe3O4)。通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)測定，所生成四氧化三鐵(Fe3O4)保護層的通常厚度僅約30～50μm(見圖4)。

圖4 四氧化三鐵保護層FESEM圖片

另外，TriIns特頻電磁波具有能夠干擾細胞分裂進程的機理，抑制微生物細胞生長。經(jīng)TriIns特頻電磁波處理后，細菌的增長速度和新陳代謝受到影響，總菌數(shù)會急劇下降，抑制生物膜在冷卻水系統(tǒng)中的形成；同時，TriIns特頻電磁波能夠破壞藻類的葉綠素及抑制藻類細胞增殖，從而實現(xiàn)對微生物的全盤控制。

TriIns Water系統(tǒng)能夠滿足絕大多數(shù)工業(yè)用戶在各種高挑戰(zhàn)水質(zhì)條件和應(yīng)用工況下的設(shè)計要求。

2.2 系統(tǒng)配置

TriIns Water智水系統(tǒng)由特頻激勵裝置、電磁波發(fā)射器、ABS自動排放系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)組成(見圖5)。電磁波發(fā)射器置于冷卻塔集水池并浸沒于冷卻水中，電磁波發(fā)射器信號電纜通過橋架或穿線管接入特頻激勵裝置中。ABS自動排放控制系統(tǒng)由自動排放閥組及水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成，用于監(jiān)測系統(tǒng)電導(dǎo)率等關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)并基于關(guān)鍵參數(shù)進行連鎖排污控制。監(jiān)控系統(tǒng)配備先進的在線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PLC及顯示系統(tǒng)，并實現(xiàn)遠程監(jiān)控，在PC或手機平臺上均可實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行情況。

圖5 TriIns Water智水系統(tǒng)循環(huán)冷卻水處理示意圖

3 應(yīng)用實例

3.1 上海一數(shù)據(jù)中心概況及存在問題

隨著5G商用時代來臨，用戶數(shù)據(jù)存儲量加大，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心建設(shè)快速增長。數(shù)據(jù)中心在運行過程中的能耗主要體現(xiàn)在電耗和水耗，其中用于空調(diào)制冷系統(tǒng)的電耗占到數(shù)據(jù)中心總電耗約1/3，水耗主要為循環(huán)冷卻水的蒸發(fā)及排污。該數(shù)據(jù)中心配備3臺空調(diào)冷水機組，單臺機組制冷容量為2286kW。每臺機組對應(yīng)一套美國BAC大型鋼制機力冷卻塔，單套冷卻塔循環(huán)冷卻水流量為470m3/h，合計總流量1410m3/h。

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補充水為自來水。數(shù)據(jù)中心自2018年6月初投運，截至2018年12月，采用化學(xué)藥劑水處理的方法進行循環(huán)冷卻水處理，采用自動加藥系統(tǒng)，并每半個月進行藥劑配制、添加及水樣檢測，但水質(zhì)處理效果一直欠佳，無法達到預(yù)期效果。

存在的問題：?冷凝器循環(huán)水側(cè)結(jié)垢，趨近溫度由初始的約1.2℃，上升到約2.2℃，熱交換效率降低，能耗增加；?系統(tǒng)腐蝕嚴(yán)重，水質(zhì)混濁、泛黃，尤其3號塔循環(huán)水總鐵含量長期高于2.0mg/L，嚴(yán)重超標(biāo)；?濃縮倍數(shù)低于3，排污量大，浪費水資源；?加藥量不足；?總菌數(shù)偏高，導(dǎo)致形成微生物黏膜；?含磷酸鹽類化學(xué)藥劑排污水作為“清下水”直接排入水體，不符合環(huán)保要求。

3.2 運行效果

TriIns Water智水系統(tǒng)于2018年12月14日完成調(diào)試投運(系統(tǒng)布置見圖6)，系統(tǒng)所有組件均掛靠式安裝，不會對冷卻塔結(jié)構(gòu)造成破壞，可以在不停車的情況下完成改造提升。截至2019年底，系統(tǒng)運行已超過12個月，系統(tǒng)展現(xiàn)出優(yōu)異性能，滿足設(shè)計要求，且節(jié)能降耗，利于環(huán)保。下面對對各方面運行效果進行詳細分析和介紹。

圖6 電磁波發(fā)射器、特頻激勵裝置和監(jiān)控系統(tǒng)布置

a.結(jié)垢控制。1～3號冷卻塔循環(huán)水鈣硬度均在有效阻垢限值范圍內(nèi)，冷凝器趨近溫度無上升趨勢。2019年5月30日，3號機組開缸查看冷凝器，管束清潔無結(jié)垢，表明實際控垢效果佳(見圖7)。

圖7 3號冷凝器

b.腐蝕控制。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)腐蝕控制效果顯著，各塔總鐵含量下降。尤其3號塔總鐵含量由初期的2.11mg/L(超標(biāo))逐步下降到約0.1mg/L，1號、2號塔總鐵含量也大幅下降到低于0.1mg/L，遠低于《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》(GB 50050—2017)中不高于2.0mg/L的限值。良好的腐蝕控制將降低設(shè)備折舊，延長使用壽命(圖8為總鐵變化趨勢)。

圖8 總鐵變化趨勢

c.微生物控制。安裝TriIns Water智水系統(tǒng)后，冷卻塔集水池內(nèi)的藻類得到良好的控制，細菌總數(shù)大幅下降，水樣濁度降低，水體中原因化學(xué)藥劑產(chǎn)生的大量泡沫消失(細菌總數(shù)和濁度值分別遠低于《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》(GB 50050—2017)中100000cfu/mL和20NTU的限值,變化趨勢見圖9和圖10。水質(zhì)的改善將極大減少系統(tǒng)微生物黏膜及污垢沉積，利于節(jié)能和系統(tǒng)腐蝕控制。

圖9 細菌總數(shù)變化趨勢

圖10 濁度變化趨勢

d.節(jié)能效果。系統(tǒng)長期運行后，會使TriIns Water智水系統(tǒng)較原有化學(xué)藥劑法平均趨近溫度低至少1℃，相當(dāng)于壓縮機功將耗降低約3%。本實例3臺空調(diào)冷水機組的輸入總功率為984kW，機組平均運行負載約50%。

e.節(jié)水效果。TriIns Water智水系統(tǒng)投運后，基于電導(dǎo)率計算的濃縮倍數(shù)COC顯著提升(趨勢見圖11)。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的COC由初始的平均約3提高到平均約5.5，相應(yīng)排污量由安裝前的約2.0m3/h下降至約0.9m3/h。

圖11 濃縮倍數(shù)趨勢

f.藥劑費用及人工節(jié)省。TriIns Water智水系統(tǒng)免去了日常加藥，由于取消藥劑的人工添加，水質(zhì)檢測、監(jiān)控工作量減少，冷卻塔、冷凝器、管路系統(tǒng)清洗周期也相應(yīng)延長。

4 結(jié) 論

TriIns Water智水系統(tǒng)由特頻激勵裝置、電磁波發(fā)射器、ABS自動排放系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)組成，運用特頻電磁波直接對水進行處理，目前，已應(yīng)用于多個行業(yè)中。通過對實例進行比較和分析，得出以下結(jié)論：

a.TriIns Water智水系統(tǒng)在結(jié)垢控制、腐蝕控制以及殺菌滅藻方面各項參數(shù)指標(biāo)優(yōu)于傳統(tǒng)的化學(xué)藥劑法。

b.改造安裝，屬外掛式，未對設(shè)備本體造成任何傷害，且系統(tǒng)運維高度智能化，設(shè)備管理工作量極少。

c.循環(huán)水處理未添加任何化學(xué)藥劑，沒有任何化學(xué)藥劑代謝物，排污水對水環(huán)境和操作人員友好，可回用作保潔、綠化等用水，或直排清水管網(wǎng)。

d.不僅完全取消了化學(xué)藥劑費用，同時取得了節(jié)能、節(jié)水、節(jié)省人工的良好收益，且對延長設(shè)備使用壽命有顯著成效。

綜上所述，基于電磁場技術(shù)的循環(huán)冷卻水處理系統(tǒng)——TriIns Water智水系統(tǒng)具有傳統(tǒng)化學(xué)藥劑法無法比擬的優(yōu)勢。技術(shù)先進可靠、節(jié)水節(jié)能效益好、降本增效能力強，該系統(tǒng)零排污廢水的特性完全符合當(dāng)前的環(huán)保形勢，是一項環(huán)境友好的綠色節(jié)能技術(shù)。此項技術(shù)不僅適用于數(shù)據(jù)機房、研發(fā)中心、商業(yè)大樓、醫(yī)院等空調(diào)系統(tǒng)，還可廣泛適用于水泥行業(yè)、分布式能源站、發(fā)電廠、鋼鐵廠及石化廠等的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。