無磷循環冷卻水處理藥劑的研究與開發

陳博武

(中國石化上海石油化工股份有限公司質量管理中心，200540)

陳金泉

(中國石化上海石油化工股份有限公司，200540)

無磷循環冷卻水處理藥劑的研究與開發

陳博武

(中國石化上海石油化工股份有限公司質量管理中心，200540)

陳金泉

(中國石化上海石油化工股份有限公司，200540)

目前國內的循環水系統普遍使用含磷藥劑配方，而含磷廢水排放會對水環境造成污染。文章開發了以聚環氧琥珀酸為主要成分的無磷水處理藥劑配方，試驗表明無磷水處理藥劑配方的阻垢緩蝕性能達到了常規有磷藥劑的指標，而且可以進一步提高循環水的濃縮倍數，它的應用可以解決循環水磷超標排放的問題。

循環水處理 無磷 水處理藥劑 配方 阻垢 緩蝕

目前，工業循環冷卻水中水處理劑主要為磷系產品，全國每年用于阻垢緩蝕劑生產的磷近100 kt，但是這些磷化合物最終會作為廢物排放到自然水體中，對環境造成了較大污染［1］。同時，在我國磷礦作為一種不可再生資源也日益枯竭，儲量僅能維持到2050－2060年，國土資源部已經將磷礦列入2010年后不能滿足國民經濟發展需求的20個礦藏品種之一［2］。因此，應用環境友好的無磷水處理藥劑，已成為我國水處理技術發展的必由之路。聚環氧琥珀酸(PESA)是美國通用電氣公司新近推出的一種無磷碳酸鈣阻垢劑，它具有生物降解的環境友好特性，阻垢性能優于含磷藥劑，它的開發奠定了無磷水處理劑配方的基礎。

中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)擁有33套主要的循環水裝置，循環水總量約為220 kt/h，循環水排放量約為600 t/h，排污水通過清下水管道排放至隨塘河中。根據國家污水排放的要求(GB 8978－1996)，磷被列為第二類污染物，排放標準為限磷1.0 mg/L(以磷計)。目前，上海石化大部分循環水藥劑都屬高磷產品，排放水中磷的質量濃度在2～6 mg/L左右(以磷計)。另外，上海石化工業水中磷的質量濃度在0.1～0.3 mg/L左右(以磷計)，經循環濃縮4～5倍后已接近排放的標準值，故必須使用無磷水處理藥劑解決磷的排放問題。2010年上海石化立項對無磷水處理藥劑進行研究和開發，通過阻垢、動態、配方配伍性等方面的試驗研究，開發出了適應上海石化水質特點的無磷水處理藥劑配方。

1 試驗部分

1.1 試驗儀器及裝置

本研究采用主要儀器見表1。

表1 主要儀器

1.2 試驗材料

試驗使用的試劑、原料見表2。

表2 主要藥品

1.3 試驗方法

1.3.1 阻垢性能測試

碳酸鈣阻垢率測試參照GB/T 16632－2008《水處理劑阻垢性能的測定碳酸鈣沉積法》。

1.3.2 中試性能評價

中試性能評價參照HG/T 2160－2008《冷卻水動態模擬試驗方法》。

1.3.3 配伍性能評價

碳酸鈣阻垢率測試參照GB/T 16632－2008《水處理劑阻垢性能評定方法碳酸鈣沉積法》，緩蝕評定方法參照GB/T 18175－2000《水處理劑緩蝕性能測定旋轉掛片法》，穩定鋅鹽的評價方法參照《中國石油化工集團公司冷卻水分析和試驗方法》(靜態阻垢評定方法403)。

2 結果與討論

2.1 無磷單劑與含磷藥劑的阻垢性能比較

選取常用的有機膦及無磷阻垢劑進行阻垢性能測試。有機膦阻垢劑包括HEDP、PBTCA，無磷阻垢劑包括 PESA、PASP、HPMA、SPC －640B。常用無磷單劑阻垢性能的比較見圖1，無磷單劑與含磷藥劑阻垢性能的比較見圖2。

從圖1可看出，在無磷水處理藥劑中，PASP、HPMA阻垢能力明顯低于PESA及SPC－640B。PESA及SPC－640B在試驗的濃度范圍內，阻垢率隨著藥劑使用濃度同步上升，而PESA阻垢效果更佳。從圖2可以看出，無磷水處理藥劑PESA的阻垢性能優于常用的有機膦產品。

2.2 無磷水處理藥劑配方的中試評價

無磷水處理藥劑的配方，以可生物降解的PESA為主要成分，輔以其他分散劑及緩蝕劑，對比藥劑選用美國通用電氣公司的AEC－3175。中試性能評價是水處理藥劑現場應用的前提及基礎，分為常規動態模擬試驗及極限邊界試驗。常規動態模擬試驗是在濃縮倍數4.0～5.0的標準下考察藥劑的性能，極限邊界試驗采用不排污的極限濃縮方法考查藥劑能達到最大邊界。在考察過程中，無磷水處理藥劑配方與進口對比藥劑的添加劑量皆為120 mg/L，循環水系統的pH值、電導率采用在線自動控制。

2.2.1 常規動態模擬試驗

(1)實驗控制邊界條件。根據上海石化工業水的特點，以系統濃縮倍數4.0～5.0的標準來設置循環水系統的操作控制邊界。循環水系統的操作控制邊界條件見3。

(2)實驗結果。由反映常規動態試驗結果的表4可以看出，在濃縮倍數4.0～5.0的范圍內，無磷水處理藥劑及進口對比藥劑對于控制腐蝕率、粘附速率是有效的，指標達到了中國石油化工集團公司“好”級標準。

表4 常規動態試驗結果

2.2.2 極限邊界動態模擬試驗

極限邊界動態模擬試驗的方法與常規動態模擬試驗相同，只是不對循環水的濃縮倍數進行控制，也就是循環水系統只補水不進行排污和加藥，考察藥劑的失效邊界。1#、2#兩系統的濃縮倍數分別用惰性離子(Cl－)及易沉淀離子(Ca2+)進行計算。

(1)試驗過程濃縮倍數變化。由表征試驗過程濃縮倍數變化的圖3可以看出，1#、2#兩系統的濃縮倍數一直上升到15倍時，鈣離子上升趨勢與氯離子同步，從側面證明了系統換熱器未發生鈣垢的沉積。

圖3 濃縮倍數變化

(2)試驗過程中污垢熱阻變化。由計算機采集進出口溫差、蒸汽溫度及設定循環水的流量，所計算的瞬時污垢熱阻見圖4。

圖4 運行過程兩系統的瞬時污垢熱阻

從圖4可以看出，1#、2#兩系統的污垢熱阻一直未上升且遠小于標準值(3.44×10－4m2·K·W－1)，溫差未下降，直接證明了系統換熱器的傳熱效率未受到影響。

(3)監測結果。從極限邊界動態試驗結果的表5可以看出，兩種藥劑均有較強的阻垢緩蝕性能，通過自動調節的控制方式，運行的允許離子強度遠超出目前循環水通常控制邊界條件。在最高濃縮倍數達到15的情況下，兩個系統的腐蝕速率及粘附速率均優于標準指標。

表5 極限邊界動態試驗結果

2.3 配伍性能研究

循環水處理藥劑主要由阻垢分散劑、緩蝕劑、殺菌劑等組成，阻垢緩蝕劑與殺菌劑的相容與否也是水處理方案成敗的關鍵因素之一。試驗采用的殺菌劑皆為現場常用產品，投加計量也采用現場的投加濃度，用以考察配方在現場與常用殺菌劑的相容性問題(見表6)。

從表6可看出，無磷水處理藥劑與常規氧化性、非氧化性殺菌劑的配伍性良好，只是SPC－1109陽離子殺菌劑對緩蝕性能略有影響，現場應避免與此類藥劑共同投加。

表6 相容性試驗結果

3 結論和建議

(1)以聚環氧琥珀酸為主劑的無磷水處理藥劑，其阻垢緩蝕性能達到了常規磷系藥劑的標準。

(2)常規動態模擬試驗結果表明，無磷水處理藥劑的性能達到國外同類產品的水平;極限邊界試驗的結果表明，無磷水處理藥劑可進一步提高循環水的濃縮倍數，無磷水處理藥劑與大部分殺菌劑的配伍性良好。

(3)使用無磷水處理藥劑可以解決循環水場排污水磷超標的問題，具有明顯的環境效益和社會效益。

(4)建議在自動控制硬件較好的循環水系統應用無磷水處理藥劑，進一步提高循環水的濃縮倍數，以實現循環水藥劑的環境友好及推進節水減排工作。

1 吳宇峰，曾凡亮.綠色化學品與無磷阻垢緩蝕劑［J］.化工時刊，2005，19(7):44 －48.

2 柳正.我國磷礦資源的開發利用現狀［J］.中國非金屬礦工業導刊，2006，52(1):21 －23.

Study and Development of Non－phosphate Circulating Cooling Water Treatment Agent

Chen Bowu
(Quality Management Center，SINOPEC Shanghai Petrochemical Co.，Ltd.200540)
Chen Jinquan
(SINOPEC Shanghai Petrochemical Co.，Ltd.200540)

Currently，domestic circulating water system universally use phosphorus － containing treatment agent，which inevitably causes pollution on water environment due to the discharge of phosphorus.A kind of non －phosphate water treatment agent formulation was developed with polyepoxysuccinic acid as main part.Experiment showed that the scale prohibition and corrosion inhibition performance of the non－phosphate water treatment agent formulation met the indexes of conventional phosphorus－ containing agents，and could further improve the weight concentration of circulating water，so its application could solve the problem of excessive discharge of phosphorus in circulating water.

treatment of circulating water，non － phosphate water treatment agent，formulation，scale prohibition，corrosion inhibition，environment protection

1674－1099 (2011)01－0028－05

TE992.2

A

2010-12-04。

陳博武，男，1976年出生，1999年畢業于上海電力學院化學工程專業，工程碩士，高級工程師，主要從事工業水處理方面的技術及管理工作。