基于电磁场技术的TriIns Water系统在水处理中的应用研究

李 骋 张 怡 吴晓雪

(贵州省计量测试院，贵州 贵阳 550003)

1 概 述

在冶金、电力、化工、水泥等工业以及日常生活中，都需要循环冷却水对各类设备进行降温处理，而冷却水的结垢都是一个非常常见且难缠的问题[1]。循环冷却水的水垢主要有以下危害[2-6]：阻碍水的正常流通循环，减小水流的有效流通横截面积；在电力、冶金行业表现为降低锅炉系统的传热效率，在石油化工产业表现为降低油井产量，致使运行费用大幅度提高；使金属器壁过热而爆管，威胁生命安全；使输水管线腐蚀，造成损失甚至引发事故；除垢剂为化学除垢剂，导致环境污染。基于以上因素，对垢的形成机理、阻垢抑垢方法机理的研究是各学科的热点和难点。

目前市场的循环冷却水处理仍以化学药剂法为主，多种水处理药剂的化学品被列为危险物质，需要经过培训的专职人员进行操作，以应对化学品泄漏或是暴露事件；无法准确控制药剂添加量，常处于药剂不足或过量状态，影响处理效果；药剂本身进入循环水系统，会产生化学品积垢；可控制的循环水浓缩倍数低，大量排污造成水资源浪费；直接排入水体，造成水环境污染，破坏生态平衡，引起水体富营养化及加大工业水处理成本[7]。

钢制冷却塔，由于整个塔体暴露在潮湿环境中，极易腐蚀。如在冷却塔水池中直接加入酸性阻垢药剂和强氧化性(例如次氯酸)的杀菌、抑藻药剂，更会加速塔体腐蚀。

TriIns Water系统通过不同频率的时变电磁场对水进行处理，通过磁种或者磁化混凝剂的方式强化对污染物的吸附去除性能，再通过磁分离(高梯度磁分离、磁盘分离等)或者沉淀等技术达到处理污、废水的目的。对冷却塔金属水池进行针对性腐蚀防护，能够达到结垢、腐蚀、藻类和细菌控制的目的。为发电及工业企业提供最优的循环冷却水处理方案，遵循“清污分离，分类回收、分质回用”的原则，优化全厂水平衡系统，通过水的梯级使用提高水重复利用率；通过全厂废水综合治理，提高废水回收率，在确保设备安全运行的前提下，大部分废水实现回用，最终基本实现全厂废水“零排放”。

2 TriIns Water智水系统

2.1 原理

TriIns Water电磁波技术原理是通过特频激励装置控制系统发射一种超低频率的时变脉冲电磁波——特频(TriIns)电磁波，运用特频电磁波直接对水进行处理，在处理区形成离子电流叠加交变电磁场(工艺流程见图1)。在此电磁场的作用下，水中碳酸钙的溶解度提高或激发水中成垢物质(主要为钙离子)直接在水簇中生成高能态的微细文石粉末，而不会在过饱和状态下于受热表面形成坚硬的方解石(交变电磁场作用前后体系内的钙离子与氧原子分布见图2)。

图1 工艺流程

图2 交变电磁场作用前后钙离子与氧原子分布(左：电磁场作用前，右：电磁场作用后；红色：水分子中的氧原子，绿色：钙离子)

方解石很坚硬，只有通过有害的酸性化学品清洗工序才可以去除，而高能态的文石粉末可以随水流冲走或者可以被容易地清除，不易附着在受热表面或者管道内壁。随着处理的进行，原有的部分硬垢会逐渐脱落，达到除垢效果，进而全面提高系统的热交换效率。方解石和文石粉末对比见图3。

图3 方解石及文石样本对比(左:方解石；右:文石粉末)

当水流经过电磁场处理区域时，内部能量增加，会使沉浸于水下或管道内壁的钢铁表面已形成的松散锈层结垢硬化，同时在锈层下形成四氧化三铁(Fe3O4)保护层，此保护层致密稳定，类似镀膜，保护系统免于进一步腐蚀。通过X射线衍射(XRD)，分析保护层衍射图谱，可明确其主要成分为四氧化三铁(Fe3O4)。通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)测定，所生成四氧化三铁(Fe3O4)保护层的通常厚度仅约30～50μm(见图4)。

图4 四氧化三铁保护层FESEM图片

另外，TriIns特频电磁波具有能够干扰细胞分裂进程的机理，抑制微生物细胞生长。经TriIns特频电磁波处理后，细菌的增长速度和新陈代谢受到影响，总菌数会急剧下降，抑制生物膜在冷却水系统中的形成；同时，TriIns特频电磁波能够破坏藻类的叶绿素及抑制藻类细胞增殖，从而实现对微生物的全盘控制。

TriIns Water系统能够满足绝大多数工业用户在各种高挑战水质条件和应用工况下的设计要求。

2.2 系统配置

TriIns Water智水系统由特频激励装置、电磁波发射器、ABS自动排放系统以及监控系统组成(见图5)。电磁波发射器置于冷却塔集水池并浸没于冷却水中，电磁波发射器信号电缆通过桥架或穿线管接入特频激励装置中。ABS自动排放控制系统由自动排放阀组及水质监测系统构成，用于监测系统电导率等关键水质参数并基于关键参数进行连锁排污控制。监控系统配备先进的在线数据采集系统、PLC及显示系统，并实现远程监控，在PC或手机平台上均可实时监控系统的运行情况。

图5 TriIns Water智水系统循环冷却水处理示意图

3 应用实例

3.1 上海一数据中心概况及存在问题

随着5G商用时代来临，用户数据存储量加大，国内数据中心建设快速增长。数据中心在运行过程中的能耗主要体现在电耗和水耗，其中用于空调制冷系统的电耗占到数据中心总电耗约1/3，水耗主要为循环冷却水的蒸发及排污。该数据中心配备3台空调冷水机组，单台机组制冷容量为2286kW。每台机组对应一套美国BAC大型钢制机力冷却塔，单套冷却塔循环冷却水流量为470m3/h，合计总流量1410m3/h。

循环冷却水系统补充水为自来水。数据中心自2018年6月初投运，截至2018年12月，采用化学药剂水处理的方法进行循环冷却水处理，采用自动加药系统，并每半个月进行药剂配制、添加及水样检测，但水质处理效果一直欠佳，无法达到预期效果。

存在的问题：ⓐ冷凝器循环水侧结垢，趋近温度由初始的约1.2℃，上升到约2.2℃，热交换效率降低，能耗增加；ⓑ系统腐蚀严重，水质混浊、泛黄，尤其3号塔循环水总铁含量长期高于2.0mg/L，严重超标；ⓒ浓缩倍数低于3，排污量大，浪费水资源；ⓓ加药量不足；ⓔ总菌数偏高，导致形成微生物黏膜；ⓕ含磷酸盐类化学药剂排污水作为“清下水”直接排入水体，不符合环保要求。

3.2 运行效果

TriIns Water智水系统于2018年12月14日完成调试投运(系统布置见图6)，系统所有组件均挂靠式安装，不会对冷却塔结构造成破坏，可以在不停车的情况下完成改造提升。截至2019年底，系统运行已超过12个月，系统展现出优异性能，满足设计要求，且节能降耗，利于环保。下面对对各方面运行效果进行详细分析和介绍。

图6 电磁波发射器、特频激励装置和监控系统布置

a.结垢控制。1～3号冷却塔循环水钙硬度均在有效阻垢限值范围内，冷凝器趋近温度无上升趋势。2019年5月30日，3号机组开缸查看冷凝器，管束清洁无结垢，表明实际控垢效果佳(见图7)。

图7 3号冷凝器

b.腐蚀控制。循环冷却水系统腐蚀控制效果显著，各塔总铁含量下降。尤其3号塔总铁含量由初期的2.11mg/L(超标)逐步下降到约0.1mg/L，1号、2号塔总铁含量也大幅下降到低于0.1mg/L，远低于《工业循环冷却水处理设计规范》(GB 50050—2017)中不高于2.0mg/L的限值。良好的腐蚀控制将降低设备折旧，延长使用寿命(图8为总铁变化趋势)。

图8 总铁变化趋势

c.微生物控制。安装TriIns Water智水系统后，冷却塔集水池内的藻类得到良好的控制，细菌总数大幅下降，水样浊度降低，水体中原因化学药剂产生的大量泡沫消失(细菌总数和浊度值分别远低于《工业循环冷却水处理设计规范》(GB 50050—2017)中100000cfu/mL和20NTU的限值,变化趋势见图9和图10。水质的改善将极大减少系统微生物黏膜及污垢沉积，利于节能和系统腐蚀控制。

图9 细菌总数变化趋势

图10 浊度变化趋势

d.节能效果。系统长期运行后，会使TriIns Water智水系统较原有化学药剂法平均趋近温度低至少1℃，相当于压缩机功将耗降低约3%。本实例3台空调冷水机组的输入总功率为984kW，机组平均运行负载约50%。

e.节水效果。TriIns Water智水系统投运后，基于电导率计算的浓缩倍数COC显著提升(趋势见图11)。循环冷却水系统的COC由初始的平均约3提高到平均约5.5，相应排污量由安装前的约2.0m3/h下降至约0.9m3/h。

图11 浓缩倍数趋势

f.药剂费用及人工节省。TriIns Water智水系统免去了日常加药，由于取消药剂的人工添加，水质检测、监控工作量减少，冷却塔、冷凝器、管路系统清洗周期也相应延长。

4 结 论

TriIns Water智水系统由特频激励装置、电磁波发射器、ABS自动排放系统以及监控系统组成，运用特频电磁波直接对水进行处理，目前，已应用于多个行业中。通过对实例进行比较和分析，得出以下结论：

a.TriIns Water智水系统在结垢控制、腐蚀控制以及杀菌灭藻方面各项参数指标优于传统的化学药剂法。

b.改造安装，属外挂式，未对设备本体造成任何伤害，且系统运维高度智能化，设备管理工作量极少。

c.循环水处理未添加任何化学药剂，没有任何化学药剂代谢物，排污水对水环境和操作人员友好，可回用作保洁、绿化等用水，或直排清水管网。

d.不仅完全取消了化学药剂费用，同时取得了节能、节水、节省人工的良好收益，且对延长设备使用寿命有显著成效。

综上所述，基于电磁场技术的循环冷却水处理系统——TriIns Water智水系统具有传统化学药剂法无法比拟的优势。技术先进可靠、节水节能效益好、降本增效能力强，该系统零排污废水的特性完全符合当前的环保形势，是一项环境友好的绿色节能技术。此项技术不仅适用于数据机房、研发中心、商业大楼、医院等空调系统，还可广泛适用于水泥行业、分布式能源站、发电厂、钢铁厂及石化厂等的循环冷却水系统。