循環水系統緩蝕阻垢劑開發及應用研究

郭學華 ，張 倩 ，于 泳

（1.開灤煤化工研發中心，河北 唐山 063611；2.河北省煤基材料與化學品工程技術研究中心，河北 唐山 063018；3.唐山開灤化工科技有限公司，河北 唐山 063020）

緩蝕阻垢劑是工業循環水使用和處理過程中必需的一種化學藥劑，可使循環水達到一定的質量要求，保證生產設備處于最佳的運行狀態，有效地抑制水垢的產生、預防管道設備的腐蝕，達到節約補水、降低能耗、延長設備使用壽命的目的。在國家環保政策日益嚴格的大環境下，開發和使用優質、高效的緩蝕阻垢劑成為企業降低設備使用維護費用、節約用水和后期水處理成本、適應新排放標準的必然選擇[1-3]。

由于各企業生產的產品和工藝不同，循環水系統水質和運行情況也有較大差異。企業需根據自身實際情況，開發適用的緩釋阻垢劑，以保證循環水系統經濟高效運行[4]。本文結合開灤中潤煤化工公司循環水系統實際，進行了緩蝕阻垢劑開發及應用研究。

1 循環水系統情況分析

1.1 循環水系統水質

開灤中潤煤化工公司為年產能220萬t焦炭、25萬t甲醇和20萬t苯加氫的大型煤化工企業，公司循環水系統主要分為焦化系統和化工系統兩部分，具體情況如表1所示。

表1 循環冷卻水系統參數

循環水系統補水主要采用自來水，循環水排污主要根據硬度及電導手動調節，部分排污水經過R/O反滲透處理后返回循環水池。循環水及補水水質如表2、表3所示。

表2 循環水水質分析

表3 循環水系統補水水質分析

1.2 水質分析及穩定性判斷

影響結垢的最主要因素是水質條件，所以人們通常按水質條件，根據平衡理論式或經驗式判斷結垢的趨勢，再結合其他影響因素具體判斷。一般通過Puciorius指數（PSI，結垢指數）定性判斷水系統腐蝕和結構趨勢[5-7]。結垢指數為：

其中，飽和pHs值計算方法為：

式中，A為總溶解固體系數，（A=0.1×l gTDS-0.1，適用條件TDS＜3200 mg/L）；B為溫度系數，（B=2.368-0.0164T，適用條件30≤T＜54℃）；C為鈣硬度系數，（C=lgCa，以CaCO3mg/L計）；D為M堿度系數，（D=lgM，以CaCO3mg/L計）。

平衡pHeq值的計算方法為：

式中，M堿度為系統中水的總堿度（以CaCO3計），mg/L。

根據自來水水質，理論計算不同濃縮倍數、不同溫度的結垢指數PSI值，分析其結垢趨勢，如表4所示。

表4 不同濃縮倍數、不同溫度的結垢指數PSI值及結垢趨勢

此種水質通過結垢指數判斷，循環水在低濃縮倍數時已經是中等結垢性水質，當溫度升高或濃縮倍數在3.0～3.5時，將變為嚴重或很嚴重結垢水質。同時，系統為開式循環水系統，在循環運行過程中，隨著濃縮倍數和溫度的提高，結垢傾向繼續增大，伴隨著結垢的增加，會發生細菌滋生及垢下腐蝕等問題。根據穩定性判斷，在選擇緩蝕阻垢劑時，在著重考慮阻垢組分的同時，必須考慮選用合適的緩蝕組分。

2 緩蝕阻垢劑開發試驗

根據公司循環水運行工況及水質條件，采用與生產系統設備材質相同的試件，進行了實驗室靜態阻垢試驗和腐蝕試驗，篩選出水處理配方的最佳配比。然后通過動態模擬試驗測取換熱器的污垢熱阻值和腐蝕率，對藥劑配方的阻垢緩蝕性能進行了評價。

2.1 靜態阻垢試驗

在相同的試驗條件下，測定三組不同緩蝕阻垢劑的阻垢率，通過比較可初步確定阻垢效果較好的緩蝕阻垢劑及用量。緩蝕阻垢劑初選時采用模擬現場4.0、5.0倍水做代表，同時考察不同濃縮倍數的阻垢率的變化情況，范圍及試驗選定值對應情況如表5所示。

表5 靜態阻垢試驗結果

試驗結果表明，采用緩蝕阻垢劑復合配方1、2、3都具有明顯的阻垢效果，尤以1阻垢效果最為突出；在不同濃縮倍數下，阻垢率明顯不一樣，仍然表現出隨著濃縮倍數的增大，阻垢率降低的趨勢，為了保證現場阻垢效果，濃縮倍數應控制在≤4.0區間范圍。

2.2 靜態緩蝕試驗

在模擬現場1.0、3.0倍水質條件下，采用旋轉掛片腐蝕儀對高硬度高中堿度水中初選的緩蝕阻垢劑1、2、3進行緩蝕試驗，試驗結果如表6所示。

靜態緩蝕試驗結果表明，所有復合緩蝕阻垢劑配方在n=1.0、3.0，碳鋼和不銹鋼腐蝕率均達到國家標準要求；隨著藥劑濃度的增加，碳鋼及不銹鋼的緩蝕性能均逐漸提高；隨著濃縮倍數的增加，碳鋼及不銹鋼的緩蝕性能均逐漸降低。綜合考慮，復配緩蝕阻垢劑配方1，對碳鋼和不銹鋼的緩蝕性能較2、3更優。

2.3 動態模擬試驗

動態試驗是在實驗室小試的基礎上，采用動態模擬裝置對所選復合配方進行綜合評價試驗，通過測取換熱器的污垢熱阻值和腐蝕率，對藥劑配方的阻垢緩蝕性能進行評價，以保證應用配方的實用性和可靠性。為了更準確地評價水處理的技術和經濟效果，選擇靜態試驗篩選出的1#和2#配方進行動態模擬試驗，并配套使用非氧化性殺菌滅藻劑。試驗參考化工行業標準《冷卻水動態模擬試驗方法》（HG/T2160-91）進行。

試驗用動態模擬裝置具有智能化在線控制系統，可對試驗水中藥劑、余氯、pH、電導、循環水量、排污水量、濃縮倍數、給水溫度、加熱介質溫度進行在線監測并實施自動控制。對于水中Cl-、Ca2+和總堿度，每四小時分析一次。

表6 靜態緩蝕試驗結果

表7 運行控制指標

動態試驗結果如表8所示。

表8 動態模擬試驗結果

動態試驗結果表明，所選兩組配方均可滿足循環冷卻水處理要求。腐蝕率及污垢熱阻值均低于工業水處理設計規范限定指標（碳鋼腐蝕率≤0.075 mm/a；不銹鋼腐蝕率≤0.0005 mm/a；銅腐蝕率≤0.005 mm/a；污垢熱阻值≤3.44×10-4m2·K/W）。兩組配方比較，腐蝕率和污垢熱阻值均為1#優于2#配方，所以1#配方為最優配方。

從以上試驗研究結果可知，無論從靜態或是動態模擬試驗可以看出，1#緩蝕阻垢劑具用優良的緩蝕阻垢性能，用其進行處理，腐蝕速率、阻垢率均優于國家設計規范的規定指標。

3 緩蝕阻垢劑應用方案

在實際使用緩蝕阻垢劑的過程中，人們應根據生產情況制定切實可行的投加方案，在保證處理效果的前提下，控制處理成本。公司循環水工藝流程為凈循環冷卻水系統，循環冷卻水進入換熱設備后，不被冷卻介質污染，僅水溫升高，回到冷卻塔降溫，進入涼水池，再由水泵送到所需冷卻的設備，循環使用。凈循環水系統主要解決腐蝕、結垢和細菌滋生問題，因此，在采用緩蝕阻垢劑控制系統的腐蝕與結垢的同時，交替使用氧化性殺菌劑和非氧化性殺菌劑，控制細菌滋生。

3.1 緩釋阻垢劑投加

使用初期，按使用濃度一次性將1#緩蝕阻垢劑沖擊性投加到涼水池中，使系統初始藥劑濃度快速達到所控制的藥劑濃度指標。在日常運行過程中，除按日常使用量投加外，還要考慮循環水系統中藥劑由于飛濺、排污、補充新鮮水等原因會有所消耗，應根據藥劑濃度控制指標，按要求補足所消耗的藥劑。

3.2 系統pH值調節

通過在線pH檢測，即時測定補充水及循環水中的pH并及時調整酸的加入量，控制整個循環水系統pH值在藥劑使用的要求范圍內。

3.3 殺菌滅藻劑的使用

配合1#緩蝕阻垢劑，采用氧化性和非氧化性兩種殺菌劑交替使用的方案，控制菌藻的滋生。日常投放氧化性殺菌劑，定期沖擊性投放非氧化性殺菌劑+黏泥剝離劑，集中去除系統殺死的菌類及其分泌物。不同種類的藥劑應交叉投放，避免長期使用一種藥劑使菌類產生抗藥性。