新型高效緩蝕阻垢劑在海綿鈦廠水循環(huán)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

謝麗娟，徐 蘋

(攀枝花鋼城集團(tuán)有限公司，四川 攀枝花 617000)

某海綿鈦生產(chǎn)廠有一套循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，因市場原因，該循環(huán)水系統(tǒng)前期維持低負(fù)荷生產(chǎn)，循環(huán)水量共計2000 m3/h。經(jīng)水質(zhì)檢測發(fā)現(xiàn)，循環(huán)水系統(tǒng)有明顯腐蝕傾向，水質(zhì)明顯發(fā)黃，曾出現(xiàn)管道銹穿后串液的情況，說明原使用的磷系處理藥劑對循環(huán)系統(tǒng)沒有起到有效的保護(hù)作用。現(xiàn)全廠需要逐步恢復(fù)產(chǎn)能，為了保證生產(chǎn)系統(tǒng)能平穩(wěn)運(yùn)行，需要重新尋找一種能有效保護(hù)循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施的水處理藥劑。針對以上情況，本文進(jìn)行了高效緩蝕阻垢水處理藥劑的研究，并將其應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，試驗證明該藥劑在應(yīng)用中顯示出良好的緩蝕效果。

1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)概述

廠區(qū)內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)，分別供應(yīng)氯化車間、精制車間、鎂電解車間和還蒸車間的設(shè)備循環(huán)冷卻使用，冷卻設(shè)備以碳鋼為主，部分設(shè)備含少量銅。現(xiàn)場循環(huán)水均屬于凈環(huán)水處理系統(tǒng)，新鮮的生產(chǎn)水經(jīng)過樹脂吸附處理后作為補(bǔ)水，原緩蝕阻垢劑投加濃度為40 ppm，現(xiàn)場循環(huán)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)詳見表1。

表1 某海綿鈦廠循環(huán)水系統(tǒng)正常運(yùn)行參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場水質(zhì)檢測結(jié)果(詳見表2)來看，系統(tǒng)的循環(huán)水和補(bǔ)水水質(zhì)的總硬度均超出運(yùn)行要求。在循環(huán)水冷卻系統(tǒng)中，需要通過CaCO3飽和指數(shù)(L.S.I)和穩(wěn)定指數(shù)(R.S.I)判斷其水質(zhì)傾向，找到循環(huán)水系統(tǒng)存在的主要問題，從而確定循環(huán)水緩蝕阻垢劑的主要作用方向[1]。如表3所示，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(shù)則是在修正L.S.I的基礎(chǔ)上提出的，對循環(huán)水的故障傾向能做出更進(jìn)一步的判斷，R.S.I=2pHs-pH。pHs按以下公式計算：

pHs=(9.7+A+B)-(C+D)

(1)

式中，A：總?cè)芄滔禂?shù)；B：溫度系數(shù)；C：鈣鎂硬度系數(shù)；D：M-堿度系數(shù)。

表2 現(xiàn)場水質(zhì)檢測結(jié)果及運(yùn)行要求

表3 水質(zhì)的結(jié)垢腐蝕傾向判定

結(jié)合表2 和表3 的數(shù)據(jù)，可以計算出生產(chǎn)現(xiàn)場循環(huán)水的L.S.I數(shù)值為0.4328，R.S.I數(shù)值為7.2644。以R.S.I數(shù)值為準(zhǔn)來看，在運(yùn)行的循環(huán)水冷卻系統(tǒng)均屬于腐蝕型水質(zhì)，且已接近嚴(yán)重腐蝕的狀態(tài)，是有可能造成管道銹蝕穿孔的，故該循環(huán)冷卻水處理的重點是防止腐蝕，且兼有優(yōu)良適應(yīng)性。在該系統(tǒng)運(yùn)行過程中，隨著濃縮倍數(shù)的增加，水中各種陰陽離子將會不斷濃縮，腐蝕和結(jié)垢傾向會同時存在。如果處理不當(dāng)，將會產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕或者垢下腐蝕，引起金屬管穿孔、開裂，增加設(shè)備的檢修時間和次數(shù)，縮短設(shè)備的使用壽命，增加運(yùn)行成本，嚴(yán)重威脅到整個生產(chǎn)的正常運(yùn)行[2-3]。同時，根據(jù)表2生產(chǎn)現(xiàn)場對水質(zhì)的要求來看，現(xiàn)場補(bǔ)水硬度80.10 mg/L遠(yuǎn)超指標(biāo)要求，而且電導(dǎo)率等指標(biāo)也偏高，在這種操作狀態(tài)下，投加緩蝕藥劑后水質(zhì)中電導(dǎo)率難以控制在1100 μS/cm的要求以下。所以，在更換樹脂保證補(bǔ)水硬度的前提下，采取經(jīng)濟(jì)的有效的手段防止循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的腐蝕和結(jié)垢是非常重要的。

2 循環(huán)水處理實驗

擬選取可抑制腐蝕的緩蝕阻垢劑單體[4]HEDP、AA/AMPS、POCA、PBTC、PAPE和ZnCl2進(jìn)行有機(jī)組合，從中篩選出最佳配比，與原系統(tǒng)用緩蝕阻垢劑進(jìn)行靜態(tài)掛片腐蝕對比實驗。

2.1 配方種類篩選

靜態(tài)掛片實驗采用I型A3碳鋼掛片在30 ℃水溫下進(jìn)行為期15天的靜態(tài)耐腐蝕實驗，投加濃度為40 ppm，用水采用現(xiàn)場新取的循環(huán)冷卻水。根據(jù)多年現(xiàn)場經(jīng)驗，實驗配制出9種配方(標(biāo)記為1#～9#樣)，其中HDPE比例控制為0.05%～0.1%，AA/AMPS比例為0.1%，POCA比例控制為0.05%～0.15%，PBTC比例控制為0.05%～0.1%，PAPE比例控制為0.1%～0.2%，ZnCl2比例控制為0.05%～0.1%。另設(shè)空白樣(標(biāo)記為0#樣)和原系統(tǒng)用緩蝕阻垢劑(標(biāo)記為10#樣)各一個，每種配方使用掛片各一個，測算15天后的腐蝕速率。腐蝕速度計算公式如下：

x=(W1-W2)×87600/(A×T×D)

(2)

式中，x：試片腐蝕速率，mm/a；W1：試片實驗前稱重，g；W2：試片實驗后稱重，g；A：試片表面積，cm2；T：實驗時間，h；D：試片材質(zhì)密度，g/cm2。

實驗結(jié)果如表4所示，使用了1～10#配方均對碳鋼掛片腐蝕有一定的抑制作用，靜態(tài)掛片實驗的1#、3#和9#配方滿足《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》(GB 50050-2017)中碳鋼腐蝕速度≤0.075 mm/a的要求，其中，9#配方腐蝕速率最低為0.019 mm/a；4#和7#配方基本接近標(biāo)準(zhǔn)要求，而原來使用的緩蝕阻垢劑腐蝕速度明顯超過標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 最佳投加濃度篩選

根據(jù)2.1靜態(tài)掛片實驗結(jié)果，選取緩蝕效果較好的9#、1#、3#配方進(jìn)行最佳投加濃度靜態(tài)對比實驗，考察不同藥劑投加濃度對I型A3碳鋼掛片的腐蝕效果。水質(zhì)采用現(xiàn)場循環(huán)用水，每種藥劑使用掛片各1片，藥劑投加濃度分別設(shè)置為20 ppm、40 ppm、60 ppm、100 ppm，腐蝕速度按照式(2)進(jìn)行計算，具體結(jié)果如圖1所示。9#配方的緩蝕效果始終優(yōu)于其他配方，除投加濃度為20 ppm時，腐蝕速度達(dá)到0.078 mm/a略超標(biāo)準(zhǔn)要求外，增加投加濃度后的碳鋼掛片腐蝕速度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。從經(jīng)濟(jì)角度分析，投加濃度控制為40 ppm較為合適。

表4 不同配方靜態(tài)掛片實驗結(jié)果

圖1 不同投加濃度靜態(tài)掛片實驗結(jié)果

3 緩蝕阻垢劑應(yīng)用試驗

根據(jù)上述實驗結(jié)果，選擇9#配方進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用試驗，跟蹤其實際的緩蝕效果。試驗在完成補(bǔ)水樹脂更換后，水質(zhì)硬度達(dá)標(biāo)的情況下開展，實驗從5月20日開始持續(xù)34天。第一天加藥對管道內(nèi)壁進(jìn)行剝離處理，待取樣檢測總鐵含量達(dá)到1.06 mg/L后，開始進(jìn)行預(yù)膜處理。預(yù)膜期3天，完成后開始正常投加試驗，5月27日在冷卻塔和冷卻池內(nèi)放置A3、銅質(zhì)Ⅰ型掛片各2片。9#藥劑量按補(bǔ)充水量計，濃度控制為40 ppm進(jìn)行連續(xù)投加，殺生劑間隔一周進(jìn)行沖擊性投加[5]。

如圖2所示，預(yù)膜完畢后在5月25日開始到6月3日，投加了大劑量的緩蝕阻垢劑，循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定指數(shù)R.S.I呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，從腐蝕逐漸趨于穩(wěn)定。隨著6月4日緩蝕阻垢劑開始正常投加，穩(wěn)定指數(shù)R.S.I趨于平穩(wěn)，在5.6～6.3范圍內(nèi)波動，說明9#藥劑的投加對系統(tǒng)水質(zhì)控制穩(wěn)定，基本處于不腐蝕不結(jié)垢的狀態(tài)。期間總磷含量始終保持在2～3 ppm，導(dǎo)電率≤1100 us/cm，總硬度≤120 mg/L，滿足設(shè)計運(yùn)行要求。

圖2 投加藥劑后循環(huán)水穩(wěn)定指數(shù)變化情況

掛片總共試驗29天，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測記錄，6月12日前所有掛片均光亮如新，掛片表面均無腐蝕或結(jié)垢情況出現(xiàn)。只有懸掛于冷卻池中的3045#、1679#掛片在掛線的地方有輕微腐蝕，主要是因為冷卻池水流量較小，掛線處為藻類、菌類提供了一個暫時的棲息之處，藻菌類的存在造成了掛片受到一定腐蝕。由于攀枝花夏天天氣炎熱、光照充足，6月12日系統(tǒng)開始出現(xiàn)青苔后，碳鋼掛片表面亦開始出現(xiàn)腐蝕。后期通過增加殺菌劑用量，該腐蝕情況得到控制。試驗結(jié)束后，從掛片表面情況來看(見圖3)，銅質(zhì)掛片基本沒有發(fā)生腐蝕，碳鋼掛片后期出現(xiàn)因菌類數(shù)量增加產(chǎn)生少量腐蝕。根據(jù)式(2)算得掛片的平均腐蝕速度如表5所示，均滿足參考標(biāo)準(zhǔn)GB 50050-2017的要求。從試驗結(jié)果來看，9#配方是適合于海綿鈦循環(huán)冷卻系統(tǒng)使用的，其最佳投加濃度控制為40 ppm。

表5 腐蝕速率測算

圖3 現(xiàn)場掛片情況(懸掛29天)

4 結(jié)論

針對某海綿鈦廠的循環(huán)冷卻系統(tǒng)，通過對緩蝕阻垢劑單體的復(fù)配和系列實驗優(yōu)選出的9#配方，在實際應(yīng)用試驗中表現(xiàn)出明顯優(yōu)于原處理藥劑的緩釋阻垢性能，投加濃度控制為40 ppm(按補(bǔ)水量計)，系統(tǒng)水質(zhì)的各項指標(biāo)達(dá)到設(shè)計運(yùn)行指標(biāo)要求，系統(tǒng)運(yùn)行正常，滿足了現(xiàn)場生產(chǎn)要求。