高效緩蝕阻垢劑在鈦冶煉循環系統中的應用

謝麗娟，滕鳳遠，陳勇

（攀枝花鋼城集團有限公司，四川 攀枝花 617000）

循環冷卻水處理是工業生產中必不可少的環節，其水量占工業用水的60%～90%，對生產的順暢運行有極為重要的作用。在實際生產中，因循環冷卻水處理不當而引起的換熱設備腐蝕、結垢問題屢見不鮮。腐蝕容易引起金屬管穿孔、開裂，增加設備的檢修時間和次數，縮短設備的使用壽命，減少產量，增加成本；管道結垢一方面會導致垢下腐蝕，另一方面也會降低換熱器的熱交換效率，從而影響到生產效率，增加能源消耗，導致正常生產周期縮短，設備壽命降低，運行成本提高，生產效率下降，造成巨大的經濟損失。因此，采取經濟有效的手段防止循環冷卻水系統的腐蝕和結垢非常重要。目前阻垢藥劑主要針對普通工業水，阻垢率一般可達90%以上，但對于冶煉系統軟水在運行中出現結垢的特殊情況卻鮮有報道［1-3］。本文結合攀鋼鈦冶煉廠循環水系統的實際情況，進行了緩蝕阻垢劑配方的優化研究，并將其應用于現場試驗。

1 循環冷卻水系統概況

攀鋼鈦冶煉廠區內循環水系統用冷卻設備以碳鋼為主，部分主要供冶煉冷卻使用的設備含少量銅和不銹鋼。循環水量為1 700 m3/h，保有水量1 000 m3，補充水量15 m3/h。循環水系統關鍵部位采用銅質管道，接觸溫度約50℃，進入涼水塔冷卻前溫度為45℃。現場循環水系統均屬于凈環水處理系統，新鮮的生產水經過樹脂吸附處理后作為補水，前期藥劑投加量為60～70 mg/L，濃縮倍數為2～3倍。循環水系統水質情況及出水要求如表1所示。

表1 循環水系統水質情況及出水要求

從表1可以看出，系統循環水硬度超標。實際上在循環水冷卻系統中，需要通過CaCO3飽和指數（L.S.I）和穩定指數（R.S.I）判斷其水質傾向［3-4］，從而找到循環水系統存在的主要問題，確定循環水緩蝕阻垢劑的主要作用方向。其中，L.S.I是用水的實際pH值與飽和pHs值之差來判定，即L.S.I=pH-pHs；R.S.I指數則是在修正L.S.I的基礎上提出的，對循環水的故障傾向能做出更進一步的判斷，R.S.I=2pHs-pH。飽和pHs值按以下公式計算：

pHs=（9.7+A+B）-（C+D） （1）式中，A為總溶固系數；B為溫度系數；C為鈣鎂硬度系數；D為M-堿度系數。

水質的結垢腐蝕傾向判定如表2所示。根據表1的水質檢測結果，結合公式（1）和表2，可以測算出循環系統補水的R.S.I為10.8，具有很強的腐蝕性。然而因為冶煉系統的特殊性，當濃縮倍數升高后，循環水水質硬度超標，經測算，循環水R.S.I降低到5.03，整個循環水系統呈現出結垢的趨勢。所以，循環冷卻水處理的重點應該是防止管道在高濃縮倍數下的結垢，同時預防管道的腐蝕。

表2 水質的結垢腐蝕傾向判定

2 循環水緩蝕阻垢實驗

2.1 實驗方案

選取可抑制阻垢的緩蝕阻垢劑單體HEDP、AA/AMPS、PBTC、PAPE、HPMA、ATMP 和 ZnCl2進行有機組合［1，5］，配制 6 種配方藥劑，依次標記為1#～6#，另取一水樣做空白對比，標記為 0#，循環水緩蝕阻垢劑配比方案如表3所示。

表3 循環水緩蝕阻垢劑配比方案（質量分數） %

采用現場新鮮補水，進行靜態阻垢法和鼓泡法阻垢性能測試，及靜態掛片腐蝕實驗。根據現場藥劑量設定實驗藥劑投加濃度為65 mg/L（以補水量計）。最終結合實驗數據，篩選出藥劑的最佳配比。

2.2 阻垢性能測試

阻垢性能測試的原理：大多數水的結垢是由于水中的碳酸氫鈣分解為碳酸鈣沉淀引起的，化學反應如式（2）所示。添加阻垢劑可以抑制碳酸鈣垢的析出，阻垢劑的性能越好，則從水中析出的碳酸鈣越少，保留在水中的碳酸氫鈣越多，水中的鈣離子（Ca2+）濃度就越高。

2.2.1 靜態阻垢法

靜態阻垢法以Ca2+穩定濃度的大小作為評定阻垢性能優劣的標準。水溫控制為恒溫80℃，實驗時間10 h，檢測加熱前后水中Ca2+濃度。在相同的實驗條件下，投加阻垢劑后的Ca2+濃度穩定后的數值越大，則說明該阻垢劑的性能越好。靜態阻垢法測試結果如表4所示。

從表4可以看出，在系統不排污的情況下，1#～6#藥劑均具有明顯的阻垢效果，阻垢率在60.93%～94.25%范圍。其中1#和6#藥劑阻垢效果最佳，投加后水中的Ca2+濃度明顯高于其他藥劑，阻垢率達到90%以上，說明1#和6#藥劑的阻垢性能較其余藥劑更加適宜于循環水系統。

表4 靜態阻垢法測試結果

2.2.2 鼓泡法

鼓泡法模擬了冷卻水在換熱器中受熱和在冷卻塔中曝氣兩個過程，相當于動態模擬過程，相較于靜態阻垢法，其具有更高的可靠性。采用鼓泡快速測定法對優選出來的1#和6#藥劑進行進一步阻垢效果驗證［4，6］。 根據《水處理阻垢性能的測定方法 鼓泡法》（HG/T 2024-2009）內容進行實驗，水溫控制在（60±1）℃，按 80 L/h鼓入空氣，實驗 6 h后檢測Ca2+濃度。系統鼓泡法測試結果如表5所示。

表5 系統鼓泡法測試結果

從表5可以看出，1#和6#藥劑的阻垢率與靜態阻垢法實驗結果基本一致，均達到90%以上。其中6#藥劑處理的水樣中Ca2+濃度最高，阻垢率為94.28%，相比1#藥劑的阻垢效果更優。

2.3 緩蝕性能測試

根據阻垢實驗的結果，選取阻垢效果較好的1#和6#藥劑進行15天的靜態掛片腐蝕實驗，考察不同藥劑及其投加濃度對I型A3碳鋼和銅質掛片的腐蝕效果。水質采用現場循環用水，使用碳鋼和銅質掛片各1片，藥劑投加濃度分別設置為40 mg/L、65 mg/L、90 mg/L。 循環水緩蝕實驗結果如表6所示。

表6 循環水緩蝕實驗結果

從表6可以看出，隨著投加濃度的提高，兩種藥劑對掛片的腐蝕速度降低。其中，6#藥劑對碳鋼和銅片的腐蝕速度要低于1#藥劑，即6#藥劑的緩蝕性能要優于1#藥劑；且從經濟角度出發，投加濃度設置為65 mg/L為宜。

3 緩蝕阻垢劑應用試驗

3.1 試驗方案

根據循環水緩蝕阻垢實驗結果，選擇6#配方進行現場應用試驗，跟蹤記錄實際阻垢和緩蝕效果［7］。實驗持續31天，在冷卻池對角線兩端放置A3、銅質和不銹鋼Ⅰ型掛片各2片。藥劑量按補充水量計，濃度按65 mg/L控制，進行連續投加；殺生劑每間隔一周進行沖擊性投加。

3.2 阻垢試驗結果

現場循環水監測數據如表7所示。從表7可以看出，循環水pH值略微偏高，但仍基本處于6～9的要求范圍，濁度出現波動（與現場系統運行波動有關），電導率＜2 000 μs/cm。總硬度穩定，維持在20 mg/L以下，經檢測，其中鈣硬度＜6.0 mg/L，結垢趨勢控制良好。雖然總堿度偏高，但仍滿足＜400 mg/L的指標要求，且由于能與其結合的Ca2+含量低（鈣硬度＜6 mg/L），因此投加藥劑后結垢趨勢可以得到有效抑制。由于循環系統無直接排污口，水中總磷出現富集，含量較高。結合現場實際水質來看，較高的總磷含量對管道的緩蝕控制是有利的。藥劑中的有機膦可以與管道表面金屬形成沉積型保護膜，隔絕水與管道的接觸，從而控制管道腐蝕。經檢測，循環水中由有機磷分解的無機磷含量僅為1.158 7 mg/L，占總磷含量的11%，說明6#藥劑對現場高溫、高pH值條件具有較強的適應性和穩定性，同時形成磷酸鈣垢的可能性很小。為保證殺菌滅藻效果，投加的非氧化性殺菌劑含氯，所以循環水中Cl-含量較試驗前有所升高，但控制在200 mg/L以內，且滿足《工業循環冷卻水處理設計規范》（GB 50050-2007）中Cl-濃度 ≤1 000 mg/L的要求，對水質影響不大。

另一方面，從循環水R.S.I的變化來看，試驗開始前循環水系統R.S.I為5.03，趨于結垢；試驗開始后，循環水R.S.I逐步下降，最后在6.2～6.6范圍內波動，說明試驗投加的藥劑對系統水質控制穩定，基本處于不腐蝕不結垢的狀態。

表7 現場循環水監測數據

3.3 緩蝕試驗結果

腐蝕速率測算結果如表8所示。

表8 腐蝕速率測算結果

從現場掛片的情況來看，懸掛了24天的掛片表面均無生物黏泥附著和結垢情況出現，這與上述水質指標分析結果一致，說明試驗藥劑的阻垢、殺菌效果明顯。在試驗中，不銹鋼和銅質掛片沒有明顯變化，僅碳鋼掛片有輕微腐蝕，說明Cl-含量對系統無明顯影響，與上文分析一致。雖然在現場試驗過程中存在各種影響因素，但總體來說，6#藥劑的緩蝕阻垢性能在冶煉爐循環系統中發揮了明顯的作用，水質結垢傾向得到控制，各類掛片的腐蝕速率均低于國家標準GB 50050-2007要求。

綜上所述，循環水的8項監測指標基本穩定，數據無明顯波動，且均滿足冶煉廠對循環水質的要求（見表2）。因此，6#藥劑適應冶煉廠的循環水質，現場系統和投加情況均控制良好。

4 結論

針對攀鋼鈦冶煉廠循環水冷卻系統的實際情況，選取5種緩蝕阻垢劑單體進行有機組合，形成6種配方藥劑，通過實驗優選出最佳配方藥劑，并應用于現場試驗，結果表明：

（1）6#藥劑緩蝕阻垢效果最佳，其配方（質量分數）為 HEDP 20%、HPMA 5%、PAPE 5%和ZnCl24%，在實驗室鼓泡法阻垢性能測試中，投加濃度控制為65 mg/L）（按補水量計）時，阻垢率達到94.28%，且對碳鋼和銅質試片的腐蝕速率均滿足國標要求。

（2）在現場應用試驗中，循環水硬度＜20 mg/L，pH 在 6～9 范圍內， 電導率＜ 2 000 μs/cm，Cl-濃度＜200 mg/L，總堿度＜400 mg/L，指標均滿足運行要求；系統的R.S.I由5.03升高至6.2～6.6范圍，循環水從結垢趨勢調整為不腐蝕不結垢狀態；現場掛片試驗各材質試片腐蝕率均滿足國標要求。試驗期間系統運行正常，無異常反饋，6#藥劑表現出良好的阻垢和緩蝕性能，能夠滿足現場生產要求。