(廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣東 廣州 510663)

HEDP水化學(xué)工況與中低壓鍋爐節(jié)能減排技術(shù)研究

李茂東 劉 娟 葉向榮 吳從容

(廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣東 廣州 510663)

有機膦酸鹽羥基亞乙基二膦酸(HEDP)廣泛應(yīng)用于工業(yè)水阻垢緩蝕，在中低壓鍋爐鍋水溫度下性能穩(wěn)定。文章在實驗室采用電導(dǎo)法和靜態(tài)阻垢法以及電化學(xué)方法評價了HEDP的阻垢、緩蝕性能，結(jié)果表明HEDP濃度為25mg/L時阻垢、緩蝕效果最佳。同時，現(xiàn)場向在用中低壓鍋爐鍋水中投加HEDP，在鍋水中建立有機膦HEDP水化學(xué)工況，應(yīng)用結(jié)果表明HEDP水化學(xué)工況具有投資少、效率高特點，能有效減少鍋爐排污，改善鍋水水質(zhì)，提高鍋爐熱效率，對中低壓鍋爐的節(jié)能減排效果顯著。

HEDP 阻垢緩蝕 中低壓鍋爐 節(jié)能減排

0 引言

目前我國中低壓鍋爐占絕大多數(shù)，在生產(chǎn)、生活中發(fā)揮著非常重要的作用。由于中低壓鍋爐補給水處理方式相對簡單和運行管理差等原因，結(jié)垢、腐蝕情況突出。傳統(tǒng)的解決方法是投加無機阻垢劑，但存在加藥量大、阻垢緩蝕效果差、鍋爐能效指標(biāo)超標(biāo)等不足。有機膦酸鹽羥基亞乙基二膦酸(HEDP)在工業(yè)循環(huán)冷卻水中除垢、防垢效率高，用量少，在250℃水溫下仍能具有良好的阻垢、緩蝕作用，在高pH下性能仍很穩(wěn)定，不易水解，是工業(yè)上應(yīng)用較為廣泛的一種有機膦酸鹽類阻垢劑[1-3]。如何把其應(yīng)用于中低壓鍋爐，提高鍋水的阻垢緩蝕、鍋爐能效是關(guān)注的重點。王英英[4]研究發(fā)現(xiàn)，將HEDP等有機膦系水質(zhì)穩(wěn)定劑在“九水”投運后，效果顯著，腐蝕率、結(jié)垢率和污垢熱阻均達(dá)到了規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。黃金營等[5]通過不同條件下的失重和酸堿滴定試驗，研究了HEDP溶解碳酸鈣垢的性能和規(guī)律，為HEDP在工業(yè)鍋爐酸洗中的應(yīng)用提供了依據(jù)。

徐華山[6]、張利[7]等采用靜態(tài)阻垢法，測定不同濃度的HEDP藥劑對碳酸鈣垢的阻垢效果，考察了不同鈣離子濃度與HEDP的沉積效應(yīng)。王清等[8]研究得出HEDP在水介質(zhì)中對碳鋼有良好的緩蝕作用，Ca2+濃度對HEDP的緩蝕作用無顯著的影響。

目前阻垢劑性能評定方法有靜態(tài)阻垢法和鼓泡法。電導(dǎo)法[9-11]具有測定時間短、操作簡單等優(yōu)點。本文選擇電導(dǎo)法和靜態(tài)阻垢法以及電化學(xué)方法[12]來評定HEDP的阻垢緩蝕效果，同時將其應(yīng)用到在用中低壓鍋爐中，建立新型鍋內(nèi)水化學(xué)工況，考察中低壓鍋爐HEDP水化學(xué)工況的建立與鍋爐節(jié)能減排的關(guān)系。

1 試驗方法

1.1 HEDP阻垢性能試驗

1.1.1 電導(dǎo)法

在一定濃度的氯化鈣溶液中，加入阻垢劑混合均勻，待溶液溫度穩(wěn)定在25℃時，滴加Na2CO3溶液，記錄消耗的Na2CO3溶液體積，待電導(dǎo)率儀讀數(shù)穩(wěn)定后記錄相應(yīng)的電導(dǎo)率，繼續(xù)滴加Na2CO3溶液，并記錄溶液電導(dǎo)率。計算電導(dǎo)率突變點時Na2CO3的過飽和度值S。以相對過飽和度來評價阻垢劑的性能。相對過飽和度Sr按式(1)進(jìn)行計算:

式中：

SP—加有阻垢劑時CaCO3的過飽和度；

S0—空白溶液CaCO3的過飽和度。

1.1.2 靜態(tài)阻垢法

阻垢率α(%)由式(2)進(jìn)行計算：

式中：

V"' —不加阻垢劑且未經(jīng)恒溫的試液所耗EDTA體積，mL；

V" —不加阻垢劑但經(jīng)恒溫的試液所耗EDTA體積，mL；

V' —加入阻垢劑且經(jīng)恒溫的試液所耗EDTA體積，mL。

1.2 HEDP緩蝕性能試驗

配制好模擬鍋水，采用三電極體系：甘汞電極(參比電極)、鉑電極(輔助電極)、20#碳鋼電極(工作電極)。工作電極經(jīng)打磨、清洗后，置于模擬鍋水中浸泡1h，待自腐蝕電位穩(wěn)定后開始測量。試驗在室溫下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 阻垢性能試驗結(jié)果

2.1.1 電導(dǎo)法

25℃時，不同的HEDP濃度下，滴定劑Na2CO3體積與溶液電導(dǎo)率的關(guān)系見圖1?？梢钥闯?，不加HEDP時，隨著Na2CO3的加入，電導(dǎo)率值先升高而后迅速下降，繼續(xù)滴加Na2CO3溶液，溶液的電導(dǎo)率值又開始快速增大。分別加入0.5mg/L、1mg/L、5mg/L的HEDP后，臨界點依次為1.1mL、1.5mL、1.6mL，由式(1)計算其相對過飽和度分別為3.7、5.0、5.6。表明HEDP的加入能有效的抑制CaCO3垢的生成，相對增大了CaCO3的溶解度，表明HEDP有優(yōu)良的阻垢性能。

2.1.2 靜態(tài)阻垢法

圖2給出了不同溫度、不同HEDP濃度時阻垢率的變化曲線。由圖2可以看出溫度較低(溫度≤100℃)時，隨著溫度的升高，HEDP的阻垢率逐漸下降。HEDP濃度在5mg/L以內(nèi)時，阻垢率隨其濃度升高而急劇增大，此后隨HEDP濃度的繼續(xù)增大，阻垢率略有下降后，呈現(xiàn)相對穩(wěn)定狀態(tài)。溫度較高時(溫度＞100℃)，溫度對HEDP的阻垢率影響不大，阻垢率隨著HEDP濃度增加而變大，其最大阻垢率較低溫時有所降低，要達(dá)到較高的阻垢效果，需投加的HEDP的量也較大。

電導(dǎo)法和靜態(tài)阻垢法對HEDP的阻垢性能評價結(jié)果具有一致性。隨著HEDP濃度的增加，阻垢率逐漸增大；但當(dāng)HEDP濃度增大一定值后，阻垢率相對穩(wěn)定。

圖1 不同HEDP濃度下，Na2CO3體積與溶液電導(dǎo)率的關(guān)系

圖2 不同溫度、不同HEDP濃度下阻垢率的變化

2.2 緩蝕性能試驗結(jié)果

2.2.1 交流阻抗法

圖3為碳鋼電極在含不同濃度HEDP的模擬鍋水中的Nyquist譜。橫坐標(biāo)Z＇為阻抗實部，縱坐標(biāo)Z＂為阻抗虛部。由圖3可見，阻抗譜圖都出現(xiàn)了不同程度的大半圓特征，并且隨著HEDP濃度增加，容抗弧半徑逐漸增大。表明HEDP對碳鋼有明顯的緩蝕作用，且當(dāng)HEDP濃度為25mg/L時緩蝕效果最佳。

2.2.2 Tafel極化法

碳鋼在含不同濃度HEDP的模擬鍋水中的極化曲線見圖4。碳鋼電極在不同濃度HEDP的模擬鍋水中的極化參數(shù)列于表1中。HEDP對碳鋼的緩蝕效率可由下式進(jìn)行計算。

式中：

I0corr為未加緩蝕劑的腐蝕電流密度；

Icorr為加緩蝕劑后的腐蝕電流密度。

由圖4以及表1可以看出：相對空白溶液，加入HEDP后，自腐蝕電位Ecorr顯著地正向移動，碳鋼的腐蝕電流密度減小，且陽極的Tafel斜率βa相對于陰極Tafel斜率βc變化較大，表明緩蝕劑對碳鋼腐蝕產(chǎn)生抑制作用，其最佳緩蝕濃度為25mg/L。當(dāng)HEDP濃度超過25mg/L時，腐蝕速率又有所增加，這與交流阻抗所得的結(jié)果一致。

圖3 碳鋼電極在含不同濃度HEDP模擬鍋水中的Nyquist譜

圖4 碳鋼在含不同濃度HEDP的模擬鍋水中的極化曲線

表1 室溫下碳鋼電極在含不同濃度HEDP模擬鍋水中的極化參數(shù)

表2 試驗鍋爐信息表

表3 低壓鍋爐試驗前后數(shù)據(jù)對比表

3 HEDP水化學(xué)工況與中低壓鍋爐節(jié)能減排

3.1 試驗方案

對在用的2臺低壓鍋爐、1臺中壓鍋爐進(jìn)行現(xiàn)場試驗，建立HEDP有機膦酸鹽水化學(xué)工況。3臺鍋爐的信息見表2。低壓鍋爐試驗周期為3個月，中壓鍋爐為1個月。試驗前停爐，對鍋爐內(nèi)部進(jìn)行全面檢查，并記錄受熱面沉積物情況。試驗在額定工作壓力下進(jìn)行，給水符合相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，僅除氧劑繼續(xù)添加，其他藥劑停止加入，鍋內(nèi)改投加HEDP，投加濃度為25mg/L。

低壓鍋爐采用間斷加藥方式直接加在給水系統(tǒng)管道上，中壓鍋爐利用鍋爐原有的磷酸鹽加藥系統(tǒng)。試驗過程中測量鍋爐水質(zhì)、鍋爐排煙溫度，試驗前后測量鍋爐熱效率。

3.2 現(xiàn)場試驗結(jié)果及分析

3.2.1 低壓鍋爐試驗結(jié)果

試驗前，兩臺低壓鍋爐適當(dāng)添加磷酸三鈉作為阻垢劑，受熱面煙管平均約有1mm厚的沉積物，腐蝕狀況不明顯。試驗數(shù)據(jù)對比如表3所示。

由表3以及試驗結(jié)束后現(xiàn)場檢查結(jié)果可以得出，添加HEDP后，不僅鍋爐受熱面沉積物的生成減少，而且HEDP的絡(luò)合或螯合作用使鍋爐受熱面的沉積物脫落，排煙溫度降低，鍋爐熱效率升高。鍋水中建立了HEDP水化學(xué)工況，殘余硬度等雜質(zhì)與有機膦生成溶于水的螯合物，不增加鍋水的溶解固形物和水渣量，鍋爐排污率降低。此外，由于不再添加無機堿性阻垢劑，鍋水的總堿度也有所下降。

3.2.2 中壓鍋爐試驗結(jié)果

試驗前，該中壓鍋爐配有專門的磷酸鹽加藥裝置，運行過程中鍋水添加磷酸三鈉。日常運行過程鍋爐平均排煙溫度為180℃左右，分別割取受熱面水冷壁管和省煤器管檢查發(fā)現(xiàn)沉積物厚度平均約0.5mm左右，省煤器略高，水冷壁管腐蝕狀況不明顯，低溫省煤器管氧腐蝕較嚴(yán)重。鍋爐運行過程中補給水水質(zhì)基本滿足GB/T 12145要求，溶解氧有超標(biāo)現(xiàn)象(＜15μ g/L)，凝汽器有泄漏情況，蒸汽Na和SiO2超標(biāo)。試驗數(shù)據(jù)對比如表4所示。

從表4和圖5可見，中壓鍋爐鍋內(nèi)采用HEDP調(diào)節(jié)水化學(xué)工況后，鍋爐排煙溫度、排污率有所下降，熱效率升高。這是因為鍋水中HEDP的存在不僅可以絡(luò)合水中的殘余硬度、鐵等成垢雜質(zhì)，使其在鍋水中處于懸浮分散狀態(tài)而不沉積，而且由于HEDP的晶格畸變、分散的作用，還可以清潔受熱面的沉積物，使得鍋爐受熱面沉積物的生成量和存在量減少。同時鍋水溶解固形物量減少，鍋爐排污率降低。若鍋爐補給水為除鹽水，采用HEDP水化學(xué)工況過程中應(yīng)考慮用堿調(diào)節(jié)鍋水pH值在規(guī)定范圍。

表4 中壓鍋爐試驗前后數(shù)據(jù)對比表

圖5 鍋爐排煙溫度和排污率變化曲線

4 結(jié)論

HEDP在中低壓鍋爐鍋水環(huán)境下性能穩(wěn)定，阻垢緩蝕效果好。

(1)一定濃度范圍內(nèi)，HEDP的投加量與鍋爐節(jié)能減排效果具有線性關(guān)系，但當(dāng)其濃度增加到一定值時，鍋爐節(jié)能減排效果不再明顯增加。當(dāng)鍋爐給水指標(biāo)滿足要求時，最佳濃度為25mg/L。

(2)在額定壓力≥3.82MPa的中低壓鍋爐鍋水中，采用HEDP水化學(xué)工況對節(jié)能減排的作用比傳統(tǒng)的無機阻垢劑效果更明顯，尤其是以軟化水做補給水的鍋爐。

(3)在HEDP水化學(xué)工況下，由于其螯合和緩蝕作用，鍋水表面形成的保護(hù)膜更穩(wěn)定致密，受熱面結(jié)垢速率和腐蝕速率都有所降低。此外，由于鍋爐受熱面沉積物量減少以及HEDP水工況下受熱面金屬表面保護(hù)膜更穩(wěn)定致密牢固，垢下腐蝕等局部腐蝕的發(fā)生幾率大大降低，鍋爐運行安全系數(shù)提高。

中低壓鍋爐采用HEDP水化學(xué)工況，只需改變鍋爐原來的鍋內(nèi)水化學(xué)工況所使用的藥劑，不需要增加任何設(shè)備投資，就能大幅度減少鍋爐排污，提高鍋爐熱效率，對中低壓鍋爐的節(jié)能減排效果顯著，經(jīng)濟、社會效益良好。

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A Study on HEDP Water Chemistry Conditions and the Energy Conservation in Medium & Low-pressure Boilers

LI Mao-dong, LIU Juan, YE Xiang-rong, WU Cong-rong
(Guangzhou Special Pressure Equipment Inspection and Research Institute, Guangzhou 510663, China)

Organic phosphonates hydroxy ethylidene diphosphonic acid (HEDP) is widely used in industrial water as scale and corrosion inhibitor, for stable performance in water of medium and lowpressure boilers. The scale and corrosion inhibition performance of HEDP was evaluated by conductivity method, static scale inhibition method and electrochemical method in the laboratory. It could reach higher inhibiting and corrosion efficacy with the HEDP concentration of 25mg/L. Meanwhile, adding HEDP in medium and Low-pressure Boilers in use, an HEDP water chemistry condition was established. It showed that HEDP water chemistry condition could reduce boiler blowdown effectively, improve water quality, improve thermal efficiency, and could be beneficial to the energy conservation in medium and Lowpressure Boilers significantly, with less investment, high efficiency characteristics.

HEDP; scale and corrosion inhibition; medium & low-pressure; energy conservation

TG174.42

A

10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2014.11.077.05

李茂東 (1972－) ，男，遼寧葫蘆島人，總工程師，高級工程師，碩士，主要研究特種設(shè)備安全與節(jié)能。