湛鋼循環水系統化學清洗新型技術的應用

靳創杰

（寶鋼湛江鋼鐵能源環保部，廣東湛江 524001）

引言

化學清洗技術由于清洗速度快、效果好，且容易控制等優點，目前已被廣泛應用于冶金、機械、石油、化工、熱工動力、建材、軍工等各類工業領域，并發展成為一門行業技術，其主要內容包括清洗和預膜。清洗是指用有機酸、有機分散劑等化學藥劑，通過化學作用將附著在循環冷卻設備和管道中的水垢、粘泥、油污、沉積物進行溶解、疏松和剝離，使設備表面清潔；預膜是指在清洗后向循環水系統中投加預膜劑，在活化的金屬表面預上一層完整、耐腐蝕的保護膜[1]。清洗和預膜被稱為循環冷卻水化學處理的預處理，是循環水系統開車前的必要步驟，目的是使緩蝕阻垢劑的化學處理效果得以正常發揮[2]。

寶鋼股份在循環水系統化學清洗時，一直沿襲著傳統的開車清洗技術方案，即將脫脂、除銹和預膜分步實施，每個步驟完成后均需進行水體置換至滿足下一道工序水質要求，清洗周期長、置換水量大，同時清洗廢液COD 含量高達2 000 mg/L 以上。而根據湛江鋼鐵生產廢水處理系統的工藝流程，清洗預膜過程中產生的置換排水進入全廠生產廢水管網，最終匯至中央水處理廠集中處理，經混凝沉淀、氣浮和過濾處理后回用為生產消防水。整個廢水處理環節只有在混凝沉淀過程中可去除少部分COD，處理過程無生化處理設施。采用傳統方案，經處理后的出水難以滿足生產消防水中COD 含量低于50 mg/L 的回用要求，因此循環水系統開車清洗需采用相對環保的化學清洗技術。

1 化學清洗技術及工藝

1.1 傳統化學清洗技術和工藝

傳統的工業循環冷卻水系統開車化學清洗主要依照《冷卻水系統化學清洗、預膜處理技術規則》HG/T3778-2005 制定清洗方案，不同的功能的藥劑需要在各自不同的水質體系中分別完成，其典型工藝流程見圖1。傳統的清洗工藝在現場應用過程中，仍然存在著一些問題和不足。脫脂和除油一般使用堿性物質（磷酸三鈉、氫氧化鈉、碳酸鈉等），易與銹、垢反應，加速了污垢沉積和腐蝕，脫脂完成后必須進行水體置換，否則易與后續的酸洗藥劑反應產生有毒有害氣體，形成酸霧。酸洗采用鹽酸、硝酸、硫酸或檸檬酸，對設備本體腐蝕性大，過程中需采用胺類緩蝕劑緩解設備腐蝕，COD 和氨氮含量高，環保性差。預膜鈍化采用聚磷酸鹽進行預膜或采用亞硝酸鹽，對水質pH、濁度、總鐵要求均較高，酸洗后必須進行水體置換，才能達到預膜、鈍化的水質條件要求。因此，整個清洗過程中廢水排放量大，且所有廢液必須到廢水處理廠進行集中處理，增加了廢水處理成本。

圖1 傳統化學清洗技術工藝流程

1.2 新型化學清洗技術和工藝

本次開車化學清洗采用新技術，主要在藥劑配方和清洗工藝上進行了改進。所有清洗藥劑均采用新配方，現場操作更為簡單，新技術將脫脂、酸洗、預膜鈍化融合在同一個水質體系中完成，過程不需要進行水體置換。工藝流程見圖2。

圖2 新型化學清洗技術工藝流程

該技術的技術要點為：

1）工藝流程的簡化主要基于藥劑配方的改進，采用無磷烷基磺酸鹽進行脫脂，在弱堿性條件下進行，脫脂除油效果好，而且在酸性條件下，烷基磺酸鹽又是良好的緩蝕劑和浸潤劑，所以不需要進行水體置換，可直接進入除銹工序，將水體中殘有的脫脂劑作為緩蝕劑和浸潤劑。

2）除銹采用有機羧酸聚合物為主要組分的復合化學清洗劑，清洗緩蝕劑采用碘鹽，不含氨氮、COD 低，除銹效果與常用無機酸相當，但對金屬本體侵蝕小。

3）預膜采用無磷有機復合型預膜劑，可在高濁度、高鐵、較低pH 值（5～6.5）水質條件下進行，為了節水減排，預膜時也不需進行水體置換。

4）預膜結束后，進行水體置換，使循環水達到正常運行水質要求，廢水排到廢水處理系統中只需簡單用堿（碳酸鈉或氫氧化鈉）調節pH到8～10,即可發生絮凝沉降反應，經絮凝沉降后的廢水清液水質可達到國家綜合排放一級標準。

與傳統工藝相比，新技術優勢明顯，節水減排60%以上，具有流程短、環保等優點。

2 現場應用

2.1 實施方案

1）清洗前對水系統水質pH、濁度、總鐵指標進行測定，要求濁度小于10 NTU，水質達不到清洗條件時，落實系統水質置換工作。

2）系統水質滿足清洗條件后，投加脫脂藥劑，脫脂過程約為2～3 h，期間記錄pH、電導率、濁度和總鐵水質數據。

3）投加緩蝕劑運行0.5 h后，投加清洗劑。運行2 h 后，安排腐蝕監測掛片（根據系統換熱設備金屬材質種類，確定掛片材質包括碳鋼、不銹鋼、銅）、模擬銹蝕掛片（模擬新系統所具有代表性的浮銹掛片）。除銹處理期間，系統pH 控制在2.5～4.0，除銹過程約為16～18 h，期間跟蹤pH、電導率、濁度、總鐵水質數據。

4）若系統總鐵上升趨緩，除銹達到終點，取出監測掛片，分別進行腐蝕率測定和除銹效果評價。

5）當系統pH 自然回升至4.0 以上，投加預膜劑以及分散劑，控制系統pH 在4.0～4.5 運行0.5 h 后，在系統冷水池懸掛預膜監測掛片，預膜處理時間4～5 h，以預膜監測掛片表面出現了明顯的色暈為終點，預膜期間跟蹤pH、電導率、濁度和總鐵水質數據。

6）預膜處理結束后，取出預膜評價掛片，采用硫酸銅顯色時間評價成膜質量，要求顯色時間＞7 s，安排系統置換。

7）當系統總鐵接近2 mg/l后，清洗置換結束，系統轉入日常的加藥運行管理。

水系統清洗過程水質變化和過程控制情況具體如圖3所示。

圖3 清洗過程水質變化和過程控制

2.2 清洗效果

2.2.1 系統設備檢查評價

為了客觀地評價清洗效果，通常選擇系統中2～3 個流速較低的用戶端管道作為清洗效果評價的監測點，同時需考慮拆檢的方便性。在開車清洗前和水質達到除銹終點后，打開監測點管道，以此作為清洗過程是否達到除銹終點的依據。

2.2.2 腐蝕掛片監測評價

依據《冷卻水系統化學清洗、預膜處理技術規則》（HG/T 3778-2005）[3]，清洗過程中監測掛片（20#碳鋼）腐蝕速率≤3 g/（m2·h），不銹鋼、銅材試片的腐蝕速率≤0.5 g/（m2·h）。監測掛片上應有明顯的藍紫色色暈，膜對硫酸銅溶液滴液反應色變時間差應≥10 s。根據腐蝕監測掛片的稱重數據，碳鋼、銅和不銹鋼試片的腐蝕速率均低于控制標準。同時，碳鋼預膜掛片表面成膜致密、均勻，呈現明顯的藍紫色光暈，經硫酸銅溶液滴定后，顯色時間在20 s 以上。根據掛片的監測結果表明,數據見表1，新型系統清洗技術的清洗效果均符合技術要求。

表1 系統腐蝕監測掛片腐蝕速率

3 評價及總結

新型開車清洗技術與傳統清洗技術相比，優勢明顯，在現場應用中表現出了良好的經濟、社會及環保效益。

1）清洗周期短

新型開車清洗技術采用脫脂、除銹和預膜一步到位，減少了中間環節的置換步驟，縮短了清洗周期。脫脂過程約為2～3 h，除銹過程約為16～18 h，預膜過程約為4～5 h，清洗周期約為22～26 h，而傳統的開車清洗周期約為168 h，在清洗周期上，新型清洗技術具有明顯的時間優勢，由此也減少了大量的人力物力投入，降低了清洗成本。

2）降低新水用量、廢水處理量

在清洗之前，傳統清洗技術和新型清洗技術均要求系統濁度＜10 NTU，但新型清洗技術在整個開車清洗過程中，只有預膜結束后才需要進行系統置換。因此，新型清洗技術有效減少了用水量和排水量，減少了廢水處理量，在節水、環保方面效果顯著。

3）清洗廢液COD含量低

傳統的開車清洗技術的排放廢水COD 含量為2 000～3 000 mg/L，廢水處理成本約為40元/m3；而新型開車清洗技術清洗廢液COD 可保持在50 mg/L 以下，不需要經過生化處理，清洗廢液排入生產廢水處理系統統一處理，經過沉淀、氣浮和過濾處理后，出水水質可達到生產消防水回用水質標準，大幅度減少了廢水處理難度和成本，減輕了企業的環保壓力。

4）清洗費用

新型開車清洗技術費用主要包含脫脂劑、清洗劑和預膜劑等藥劑費用和現場技術服務費用，藥劑投加量主要與系統保有水量相關，按保有水量折算，新型開車清洗技術費用約為45元/m3。