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(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的特點(diǎn)，研制出一種制氧循環(huán)水系統(tǒng)專用的緩蝕阻垢劑，在系統(tǒng)pH控制在8.1以上時(shí)，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(yè)2號40 000 Nm3/h制氧機(jī)組開展應(yīng)用，應(yīng)用期間現(xiàn)場碳鋼、黃銅、不銹鋼掛片腐蝕率均遠(yuǎn)低限值要求，循環(huán)水系統(tǒng)中各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，效果較優(yōu)，可進(jìn)一步推廣。

關(guān)鍵詞：氣體企業(yè)；循環(huán)水；緩蝕阻垢劑；應(yīng)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(fā)展中國家，經(jīng)濟(jì)正在快速發(fā)展，工業(yè)和城市化進(jìn)程不斷加快，為了能夠讓經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)將水資源的污染情況得到控制。相關(guān)部門針對水污染進(jìn)行了低溫阻垢緩蝕技術(shù)在制氧工業(yè)水污染系統(tǒng)當(dāng)中的實(shí)際應(yīng)用，讓我國工業(yè)合理用水，減少水污染，與此同時(shí)在工業(yè)排放污染水資源時(shí)做好污染的處理，充分運(yùn)用低溫阻垢緩蝕技術(shù)能夠保證水處理系統(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)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(yè)水資源處于良性的發(fā)展循環(huán)當(dāng)中，這樣能夠讓資源的使用效率有所提升[1]。制氧循環(huán)冷卻水系統(tǒng)分為常溫冷卻水系統(tǒng)和氮水預(yù)冷系統(tǒng)。常溫冷卻水是設(shè)備間接冷卻水，不與產(chǎn)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(huán)使用。氮水預(yù)冷系統(tǒng)主要使用常溫冷卻水和由水冷塔、冷凍機(jī)產(chǎn)生的低溫水，該低溫冷卻端的溫度在5～

8 ℃。循環(huán)冷卻水隨著濃縮倍數(shù)的升高，空壓機(jī)冷卻器、冷凍機(jī)蒸發(fā)器冷凍水側(cè)等設(shè)備容易會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象。低溫垢的形成，會(huì)使循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中壓力增加，甚至使冷凍機(jī)部分和空冷塔局部堵死，造成全線停車[2]。制氧循環(huán)冷卻水系統(tǒng)作為制氧生產(chǎn)的重要組成部分，其水量、水壓、水質(zhì)對制氧生產(chǎn)產(chǎn)生重要的影響，是實(shí)現(xiàn)制氧高產(chǎn)、穩(wěn)定的重要因素。所以，考慮到制氧系統(tǒng)生產(chǎn)工藝和環(huán)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(tǒng)的特殊，開展該系統(tǒng)的專用緩蝕阻垢劑的研發(fā)。

1? ? 設(shè)計(jì)與研發(fā)

制氧循環(huán)水系統(tǒng)不同于常規(guī)的循環(huán)水系統(tǒng)，有其特殊性。因?yàn)橛械獨(dú)忸A(yù)冷系統(tǒng)，經(jīng)過水冷塔冷卻后的水溫將近8 ℃，再進(jìn)入冷凍機(jī)后的水溫低至4～5 ℃，導(dǎo)致到達(dá)氮?dú)忸A(yù)冷系統(tǒng)的循環(huán)水運(yùn)行于低溫狀態(tài)。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(shè)備表面；而像碳酸鈣之類的鈣鹽卻因?yàn)闇囟壬叨芙舛仍龃螅S著循環(huán)水系統(tǒng)的不斷濃縮，溶液中存在的離子越來越多，環(huán)境的微小變化會(huì)導(dǎo)致鈣垢的析出，特別是存在結(jié)晶中心時(shí)，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(shè)備安全、穩(wěn)定、高效、長周期運(yùn)行。因此，本文以有機(jī)磷藥劑、新型的含有磺酸鹽的多元聚電解質(zhì)阻垢分散劑為主的復(fù)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(yōu)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(jìn)行系統(tǒng)研究，通過靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行篩選、研發(fā)出適用于氣體廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的專用緩蝕阻垢劑配方，并通過進(jìn)行獨(dú)立系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)，取得良好的效果，值得推廣應(yīng)用。

2? ? 應(yīng)用試驗(yàn)

2.1? ? 應(yīng)用試驗(yàn)方案

為考察制氧專用緩蝕阻垢劑的效果，通過靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)論證藥劑的使用效果，通過調(diào)節(jié)藥劑投加濃度、溫度、pH三個(gè)因子，篩選出藥劑發(fā)揮緩蝕效果最佳條件。試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jìn)一步鞏固緩蝕阻垢劑的緩蝕性能，再次通過使用不同時(shí)間段的補(bǔ)水進(jìn)行驗(yàn)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(gè)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(tài)試驗(yàn)后，通過在循環(huán)水系統(tǒng)開展工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)。

為了客觀科學(xué)地評價(jià)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(yàn)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1? ? 技術(shù)路線

2.1.1? ? 制氧系統(tǒng)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(zhì)的換熱器在現(xiàn)場應(yīng)用中基本不容易被腐蝕，因此靜態(tài)試驗(yàn)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(huì)影響藥劑性能的發(fā)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(shè)置緩蝕阻垢劑投加濃度為30、40、50、60和70 ppm，通過使用旋轉(zhuǎn)掛片儀開展靜態(tài)試驗(yàn)，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(tǒng)pH值對制氧專用緩蝕阻垢劑的藥劑性能發(fā)揮的影響，并選出適用于循環(huán)水系統(tǒng)的pH值，在調(diào)pH值至7.9、8.1、8.4和 8.6等四個(gè)pH梯度下，通過使用旋轉(zhuǎn)掛片儀開展靜態(tài)試驗(yàn)，考察在50 ppm的藥劑濃度下，水系統(tǒng)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(shí)間段補(bǔ)水條件對緩蝕性能的影響。

循環(huán)水系統(tǒng)經(jīng)過不斷運(yùn)行、蒸發(fā)，水量有所減少，為了維持系統(tǒng)的水量平衡，需要補(bǔ)充水，因此研究補(bǔ)水水質(zhì)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(bǔ)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(yōu)選出緩蝕性能較優(yōu)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(huán)水系統(tǒng)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(gè)觀察溫度，直至10 ℃，考察低溫緩蝕劑在4～10 ℃溫度區(qū)間內(nèi)水樣中水垢析出情況。

2.2? ? 試驗(yàn)設(shè)備與器材

2.2.1? ? 緩蝕性能試驗(yàn)

1）設(shè)備：分析天平，旋轉(zhuǎn)掛片儀，pH計(jì)，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(guān)器皿。

2.2.2? ? 阻垢性能試驗(yàn)

1）設(shè)備：數(shù)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(guān)器皿。

2.3? ? 試驗(yàn)條件

2.3.1? ? 緩蝕性能試驗(yàn)

溫度：50 ℃；轉(zhuǎn)速：70 r/min；懸掛時(shí)間：72 h；試驗(yàn)介質(zhì)：制氧系統(tǒng)補(bǔ)水（水質(zhì)見表1）；試驗(yàn)用水量：2 L。

2.3.2? ? 阻垢性能試驗(yàn)

試驗(yàn)介質(zhì)：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(biāo)準(zhǔn)溶液（邊加邊搖動(dòng)），使碳酸氫根離子的量為

366 mg，用水稀釋至刻度，搖勻?？瞻壮患铀幚韯┰嚇油猓渌襟E一樣。溫度：5～10 ℃；時(shí)間：10～15 h。

3? ? 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1? ? 緩蝕性能試驗(yàn)結(jié)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(tǒng)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(tǒng)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(dāng)藥劑投加濃度為

20 ppm時(shí)，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(dāng)藥劑投加濃度為50 ppm時(shí)，對碳鋼的緩蝕率為98.82%，對黃銅緩蝕率為88.46%。當(dāng)藥劑投加濃度達(dá)到70 ppm時(shí)，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(dá)99.25%，對黃銅的緩蝕率可達(dá)99.31%。當(dāng)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(jié)合藥劑成本，優(yōu)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(yàn)結(jié)果見圖3所示。

在藥劑投加濃度50 ppm的前提下，系統(tǒng)中pH在7.9～8.6時(shí)，對碳鋼掛片和黃銅掛片均起到較好的緩蝕效果。當(dāng)pH為7.9時(shí)，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(xiàn)逐漸增大的趨勢。當(dāng)pH為8.1時(shí)，對碳鋼和黃銅的緩蝕率分別為99.12%和88.64%；當(dāng)pH繼續(xù)增大，對碳鋼和黃銅掛片緩蝕性能提升緩慢，趨向于平穩(wěn)。因此，當(dāng)系統(tǒng)水質(zhì)pH達(dá)到8.1以上時(shí)，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(shí)間段的補(bǔ)水開展緩蝕性能重復(fù)性試驗(yàn)，考察藥劑效果的重現(xiàn)性，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

某年6月9日補(bǔ)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(jīng)遠(yuǎn)小于

0.075 mm/a的標(biāo)準(zhǔn)要求。黃銅掛片腐蝕率波動(dòng)不大，均小于0.005 mm/a的標(biāo)準(zhǔn)要求。上述表明藥劑緩蝕效果重現(xiàn)性較好。

圖4? ? 不同時(shí)間段補(bǔ)水條件下碳鋼、黃銅掛片的腐蝕率

比對

3.2? ? 阻垢性能試驗(yàn)結(jié)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(jié)果見圖5所示。

圖5? ? 不同溫度條件下阻垢性能試驗(yàn)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(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示：試驗(yàn)后水樣均無明顯垢樣析出，阻垢率高達(dá)97.29%，低溫阻垢性能較優(yōu)異。

3.3? ? 工業(yè)應(yīng)用情況

1）開展工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)。

某年11月在氣體企業(yè)2號40 000 Nm3/h制氧機(jī)組凈環(huán)水系統(tǒng)開展工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)，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(jī)情況，現(xiàn)場掛片的效果如圖6所示。

a? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?b

a-第一期現(xiàn)場掛片效果；b-第二期現(xiàn)場掛片效果

圖6? ? 工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)現(xiàn)場掛片的效果示意

圖7? ? 工業(yè)應(yīng)用的掛片腐蝕情況

結(jié)果表示，三種掛片表面都呈現(xiàn)光亮的狀態(tài)，均無明顯腐蝕現(xiàn)象。分析制氧專用緩蝕阻垢劑在工業(yè)應(yīng)用的掛片腐蝕情況（圖7），數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)要求，說明制氧專用緩蝕阻垢劑在工業(yè)應(yīng)用具有良好的緩蝕阻垢效果。

2）中試期間通過監(jiān)控系統(tǒng)水質(zhì)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

從表2可知，11月份氣體企業(yè)2號40 000 Nm3/h制氧機(jī)組各項(xiàng)水質(zhì)項(xiàng)目合理控制在指標(biāo)范圍內(nèi)。各項(xiàng)內(nèi)控指標(biāo)均達(dá)到規(guī)定的要求。

4? ? 結(jié)? ? 論

1）通過不斷對自研制氧專用緩蝕阻垢劑配方進(jìn)行試驗(yàn)、調(diào)試，在系統(tǒng)中pH達(dá)到8.1以上時(shí)，使用該自研的制氧專用緩蝕阻垢劑在投加濃度為50 ppm時(shí)，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的碳鋼和銅掛片的緩蝕性能均能達(dá)到較優(yōu)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(yōu)異的低溫阻垢性能，阻垢率高達(dá)97.29%，低溫阻垢性能也較為優(yōu)異。

2）制氧專用緩蝕阻垢劑應(yīng)用到氣體企業(yè)循環(huán)冷卻水中的2號40 000 Nm3/h制氧機(jī)組水系統(tǒng)，在系統(tǒng)不停機(jī)的情況下，通過懸掛掛片表明，試驗(yàn)的碳鋼、黃銅、不銹鋼掛片腐蝕率均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)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(huán)水系統(tǒng)的應(yīng)用，具有減緩設(shè)備和管道的局部腐蝕和阻止結(jié)垢，節(jié)約設(shè)備維護(hù)成本，進(jìn)而可以使換熱效果提升，達(dá)到節(jié)能降碳作用。

參考文獻(xiàn)

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