制氧循環水系統專用緩蝕阻垢劑的研發與應用

龍順紅 陳佩蘭 梁峻瑜 杜松燕

第一作者：龍順紅

收稿日期：2024-03-11

摘 要：針對氣體企業循環冷卻水系統的特點，研制出一種制氧循環水系統專用的緩蝕阻垢劑，在系統pH控制在8.1以上時，該配方投加濃度在50 ppm以上具有顯著的緩蝕和阻垢的效果，并通過在氣體企業2號40 000 Nm3/h制氧機組開展應用，應用期間現場碳鋼、黃銅、不銹鋼掛片腐蝕率均遠低限值要求，循環水系統中各項水質指標均達標，效果較優，可進一步推廣。

關鍵詞：氣體企業；循環水；緩蝕阻垢劑；應用

DEVELOPMENT AND APPLICATION OF OXYGEN NET RING WATER SYSTEM SPECIAL CORROSION SCALE INHIBITOR

Long Shunhong? ? Chen Peilan? ? Liang Junyu? ? Du Songyan

（Guangxi Liugang Environmental Protection Co.， Ltd.? ? Liuzhou? ? 545002，China）

Abstract：According to the characteristics of gas company circulating cooling water system， developed a oxygen net ring water system special corrosion scale inhibitor， in the system pH control above 8.1， the formula add concentration above 50 ppm has significant effect of corrosion and scale resistance， and through in steel gas company 2# 40000 Nm3/h unit application， during the application of carbon steel， brass， stainless steel hanging corrosion rate are far low limit requirements， the water quality indexes in circulating water system standard， the effect is better， can be further promoted.

Key words：gas company; circulating water; corrosion inhibitor and scale inhibitor; application

0? ? 引? ? 言

我國作為發展中國家，經濟正在快速發展，工業和城市化進程不斷加快，為了能夠讓經濟發展的同時將水資源的污染情況得到控制。相關部門針對水污染進行了低溫阻垢緩蝕技術在制氧工業水污染系統當中的實際應用，讓我國工業合理用水，減少水污染，與此同時在工業排放污染水資源時做好污染的處理，充分運用低溫阻垢緩蝕技術能夠保證水處理系統設備的正常運行，還能夠提升水資源的使用效率，從而去提高廢水資源的回收使用效率，讓我國工業水資源處于良性的發展循環當中，這樣能夠讓資源的使用效率有所提升[1]。制氧循環冷卻水系統分為常溫冷卻水系統和氮水預冷系統。常溫冷卻水是設備間接冷卻水，不與產品或物料直接接觸，使用后只是水溫升高，在得到降溫處理后循環使用。氮水預冷系統主要使用常溫冷卻水和由水冷塔、冷凍機產生的低溫水，該低溫冷卻端的溫度在5～

8 ℃。循環冷卻水隨著濃縮倍數的升高，空壓機冷卻器、冷凍機蒸發器冷凍水側等設備容易會出現結垢現象。低溫垢的形成，會使循環冷卻水系統中壓力增加，甚至使冷凍機部分和空冷塔局部堵死，造成全線停車[2]。制氧循環冷卻水系統作為制氧生產的重要組成部分，其水量、水壓、水質對制氧生產產生重要的影響，是實現制氧高產、穩定的重要因素。所以，考慮到制氧系統生產工藝和環境，緩蝕阻垢劑的性能要兼顧低溫下的阻垢性能。因此，針對制氧系統的特殊，開展該系統的專用緩蝕阻垢劑的研發。

1? ? 設計與研發

制氧循環水系統不同于常規的循環水系統，有其特殊性。因為有氮氣預冷系統，經過水冷塔冷卻后的水溫將近8 ℃，再進入冷凍機后的水溫低至4～5 ℃，導致到達氮氣預冷系統的循環水運行于低溫狀態。低溫下，與鈣鎂離子形成的螯合物在低溫端溶解度降低析出，附著在設備表面；而像碳酸鈣之類的鈣鹽卻因為溫度升高而溶解度增大，隨著循環水系統的不斷濃縮，溶液中存在的離子越來越多，環境的微小變化會導致鈣垢的析出，特別是存在結晶中心時，更容易析出，這類垢稱為低溫垢。因此，抑制水垢形成，特別是低溫5～8 ℃水垢的沉積，以保證空分設備安全、穩定、高效、長周期運行。因此，本文以有機磷藥劑、新型的含有磺酸鹽的多元聚電解質阻垢分散劑為主的復配型緩蝕阻垢劑，對水中的氧化鐵、磷酸鈣、磷酸鋅以及碳酸鈣的沉積，具有優良的抑制作用及分散螯合作用，在較低溫和高溫的情況下均起到良好的阻垢和緩蝕效果。本文對制氧廠進行系統研究，通過靜態和動態試驗進行篩選、研發出適用于氣體廠循環冷卻水系統的專用緩蝕阻垢劑配方，并通過進行獨立系統的工業應用試驗，取得良好的效果，值得推廣應用。

2? ? 應用試驗

2.1? ? 應用試驗方案

為考察制氧專用緩蝕阻垢劑的效果，通過靜態和動態試驗論證藥劑的使用效果，通過調節藥劑投加濃度、溫度、pH三個因子，篩選出藥劑發揮緩蝕效果最佳條件。試驗設計思路，首先通過不同藥劑濃度及水體中不同pH的影響，初步篩選出具有緩蝕作用的緩蝕阻垢劑；為進一步鞏固緩蝕阻垢劑的緩蝕性能，再次通過使用不同時間段的補水進行驗證，最后在藥劑濃度固定情況下，比較低溫條件下從4 ℃開始，每提升2 ℃作為一個觀察溫度，直至10 ℃，考察低溫緩蝕阻垢劑劑在4～10 ℃低溫條件下的阻垢性能。在完成緩蝕性能及低溫阻垢性能的靜態試驗后，通過在循環水系統開展工業應用試驗。

為了客觀科學地評價自研的新型低溫緩蝕阻垢劑，對其開展了的緩蝕性能和阻垢性能研究。主要的試驗設計方案如圖1所示。

圖1? ? 技術路線

2.1.1? ? 制氧系統專用緩蝕阻垢劑緩蝕性能的研究

由于本配方未含有對不銹鋼腐蝕的成分，不銹鋼材質的換熱器在現場應用中基本不容易被腐蝕，因此靜態試驗主要以碳鋼、黃銅掛片為主。

1）不同投加濃度對緩蝕性能的影響。

由于投加濃度的多少會影響藥劑性能的發揮，因此研究不同投加濃度下，考察制氧專用緩蝕阻垢劑的緩蝕性能。設置緩蝕阻垢劑投加濃度為30、40、50、60和70 ppm，通過使用旋轉掛片儀開展靜態試驗，考察不同濃度條件下對碳鋼、黃銅掛片的緩蝕性能研究。

2）不同pH對緩蝕性能的影響。

為了探究系統pH值對制氧專用緩蝕阻垢劑的藥劑性能發揮的影響，并選出適用于循環水系統的pH值，在調pH值至7.9、8.1、8.4和 8.6等四個pH梯度下，通過使用旋轉掛片儀開展靜態試驗，考察在50 ppm的藥劑濃度下，水系統不同pH的條件下對碳鋼、黃銅掛片的緩蝕性能研究。

3）不同時間段補水條件對緩蝕性能的影響。

循環水系統經過不斷運行、蒸發，水量有所減少，為了維持系統的水量平衡，需要補充水，因此研究補水水質對藥劑的緩蝕性能具有重要意義。本文研究某年6月8 日～ 某年6月10 日期間的補水對制氧專用緩蝕阻垢劑的性能影響。

2.1.2? ? 阻垢性能的研究

在優選出緩蝕性能較優的制氧專用緩蝕阻垢劑的前提下，研究不同溫度對阻垢性能的影響，制氧循環水系統低溫端的溫度一般為5～8 ℃，最低為4-℃左右，因此有必要探究其在不同低溫情況下的阻垢能力。在藥劑濃度固定情況下，比較低溫條件下從4 ℃開始，每提升2 ℃作為一個觀察溫度，直至10 ℃，考察低溫緩蝕劑在4～10 ℃溫度區間內水樣中水垢析出情況。

2.2? ? 試驗設備與器材

2.2.1? ? 緩蝕性能試驗

1）設備：分析天平，旋轉掛片儀，pH計，磁力攪拌器。

2）器材：碳鋼掛片，表面積28 cm2，密度

7.85 g/cm3；黃銅掛片，表面積28 cm2，密度

8.95 g/cm3 ；2 L燒杯、移液管、容量瓶等相關器皿。

2.2.2? ? 阻垢性能試驗

1）設備：數顯恒溫水浴鍋，低溫恒溫槽。

2）器材：250 mL錐形瓶、500 mL錐形瓶、250 mL容量瓶、500 mL容量瓶和移液管等相關器皿。

2.3? ? 試驗條件

2.3.1? ? 緩蝕性能試驗

溫度：50 ℃；轉速：70 r/min；懸掛時間：72 h；試驗介質：制氧系統補水（水質見表1）；試驗用水量：2 L。

2.3.2? ? 阻垢性能試驗

試驗介質：配制水。配置方法：在500 mL錐形瓶中加入400 mL純水，用滴定管加入氯化鈣溶液，使鈣離子的量約為120 mg，按要求加入水處理藥劑試樣溶液，然后加入20 mL硼砂緩沖溶液，搖勻。用滴定管加入一定體積的碳酸氫鈉標準溶液（邊加邊搖動），使碳酸氫根離子的量為

366 mg，用水稀釋至刻度，搖勻。空白除不加水處理劑試樣外，其他步驟一樣。溫度：5～10 ℃；時間：10～15 h。

3? ? 試驗結果與討論

3.1? ? 緩蝕性能試驗結果

1）不同投加濃度，相同pH條件下，考察新型低溫緩蝕阻垢劑碳鋼和黃銅掛片的緩蝕性能，系統中碳鋼和黃銅掛片緩蝕率如圖2所示。

圖2? ? 不同投加濃度條下碳鋼、黃銅掛片的緩蝕率比對

系統在相同pH的前提下，隨著藥劑濃度的增加，緩蝕效果也逐漸提高。當藥劑投加濃度為

20 ppm時，對碳鋼和黃銅具有較好的緩蝕效果，緩蝕率分別為94.23%和84.62%；當藥劑投加濃度為50 ppm時，對碳鋼的緩蝕率為98.82%，對黃銅緩蝕率為88.46%。當藥劑投加濃度達到70 ppm時，對碳鋼掛片和黃銅掛片起到較好的緩蝕效果，對碳鋼的緩蝕率高達99.25%，對黃銅的緩蝕率可達99.31%。當藥劑濃度超過50 ppm，緩蝕性能提升效果緩慢，在保證緩蝕效果的前提下，結合藥劑成本，優選50 ppm為新型低溫緩蝕阻垢劑的投加濃度。

圖3? ? 不同pH條件下碳鋼、黃銅掛片的緩蝕率比對

2）相同藥劑濃度，不同pH條件下，低溫緩蝕阻垢劑緩蝕性能試驗結果見圖3所示。

在藥劑投加濃度50 ppm的前提下，系統中pH在7.9～8.6時，對碳鋼掛片和黃銅掛片均起到較好的緩蝕效果。當pH為7.9時，對碳鋼和黃銅的緩蝕率分別為94.48%和80.77；然后隨著pH值升高，緩蝕率呈現逐漸增大的趨勢。當pH為8.1時，對碳鋼和黃銅的緩蝕率分別為99.12%和88.64%；當pH繼續增大，對碳鋼和黃銅掛片緩蝕性能提升緩慢，趨向于平穩。因此，當系統水質pH達到8.1以上時，新型低溫緩蝕阻垢劑的緩蝕效果最佳。

3）在相同藥劑濃度50 ppm和pH為8.1的條件下，對不同時間段的補水開展緩蝕性能重復性試驗，考察藥劑效果的重現性，試驗結果如圖4所示。

某年6月9日補水條件下碳鋼掛片腐蝕率最高，為0.014 6 mm/a，此腐蝕率已經遠小于

0.075 mm/a的標準要求。黃銅掛片腐蝕率波動不大，均小于0.005 mm/a的標準要求。上述表明藥劑緩蝕效果重現性較好。

圖4? ? 不同時間段補水條件下碳鋼、黃銅掛片的腐蝕率

比對

3.2? ? 阻垢性能試驗結果

在藥劑濃度相同的情況下，考察不同低溫（4～10 ℃）條件下的阻垢性能，阻垢性能結果見圖5所示。

圖5? ? 不同溫度條件下阻垢性能試驗的阻垢率比對

在藥劑投加濃度50 ppm的前提下，開展4～

10 ℃低溫阻垢性能試驗，試驗結果顯示：試驗后水樣均無明顯垢樣析出，阻垢率高達97.29%，低溫阻垢性能較優異。

3.3? ? 工業應用情況

1）開展工業應用試驗。

某年11月在氣體企業2號40 000 Nm3/h制氧機組凈環水系統開展工業應用試驗，分兩期分別懸掛了碳鋼、黃銅、不銹鋼三種掛片，掛片的懸掛周期分別382、360 h，掛片懸掛期間無停機情況，現場掛片的效果如圖6所示。

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a-第一期現場掛片效果；b-第二期現場掛片效果

圖6? ? 工業應用試驗現場掛片的效果示意

圖7? ? 工業應用的掛片腐蝕情況

結果表示，三種掛片表面都呈現光亮的狀態，均無明顯腐蝕現象。分析制氧專用緩蝕阻垢劑在工業應用的掛片腐蝕情況（圖7），數據表明第一期碳鋼腐蝕率趨近第二期，兩期碳鋼掛片腐蝕率最高值為0.007 4 mm/a，滿足小于0.075 mm/a的標準要求，黃銅掛片腐蝕率最高為0.001 9 mm/a，不銹鋼掛片腐蝕率最高為0.000 3 mm/a，均滿足小于

0.005 mm/a的標準要求，說明制氧專用緩蝕阻垢劑在工業應用具有良好的緩蝕阻垢效果。

2）中試期間通過監控系統水質運行數據。

從表2可知，11月份氣體企業2號40 000 Nm3/h制氧機組各項水質項目合理控制在指標范圍內。各項內控指標均達到規定的要求。

4? ? 結? ? 論

1）通過不斷對自研制氧專用緩蝕阻垢劑配方進行試驗、調試，在系統中pH達到8.1以上時，使用該自研的制氧專用緩蝕阻垢劑在投加濃度為50 ppm時，實驗室試驗的碳鋼和銅掛片的緩蝕性能均能達到較優水平。在投加濃度為50 ppm情況下，自研的制氧專用緩蝕阻垢劑在4～10 ℃之間具有優異的低溫阻垢性能，阻垢率高達97.29%，低溫阻垢性能也較為優異。

2）制氧專用緩蝕阻垢劑應用到氣體企業循環冷卻水中的2號40 000 Nm3/h制氧機組水系統，在系統不停機的情況下，通過懸掛掛片表明，試驗的碳鋼、黃銅、不銹鋼掛片腐蝕率均達到標準要求（碳鋼掛片腐蝕率≤0.075 mm/a，黃銅、不銹鋼掛片腐蝕率≤0.005 mm/a）。

3）制氧專用緩蝕阻垢劑在氣體廠凈環水系統的應用，具有減緩設備和管道的局部腐蝕和阻止結垢，節約設備維護成本，進而可以使換熱效果提升，達到節能降碳作用。

參考文獻

[1]? ? 狄鵬.低溫阻垢緩蝕技術在制氧工業水處理系統中的應用[J].山東工業技術，2019（4）：63-65.

[2]? ? 王慶生，李靖，趙愛民，等.制氧過程循環冷卻水系統中低溫結垢的研究[J].工業水處理，2006，26（5）：47-49，84.