一種低磷高效緩蝕阻垢劑的研究與應(yīng)用

陳維忠　張曉冬　岳云怡　喻果

摘 要：研究了緩蝕阻垢劑HZ1601、丙烯酸與2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物（AA/AMPS）、鋅鹽、磷酸鹽復(fù)配的優(yōu)選比例，得到一種低磷高效緩蝕阻垢劑HZ1601-1。通過旋轉(zhuǎn)掛片實驗和靜態(tài)阻垢實驗，HZ1601-1表現(xiàn)出良好的緩蝕性能和阻垢性能。在黃河水作為循環(huán)冷卻水的動態(tài)模擬試驗中，年污垢熱阻可達到3.15×10-4 m2·K/W，換熱管腐蝕率為0.004 207 mm/a，均完全滿足循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的要求。

關(guān) 鍵 詞：阻垢性能；緩蝕性能；污垢熱阻值

中圖分類號：TQ 051 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2017）07-1340-03

Research and Application of Low Phosphorus and High

Efficiency Corrosion and Scale Inhibitor

CHEN Wei-zhong，ZHANG Xiao-dong，YUE Yun-yi，YU Guo

（Weihai Xiangyu Technology Co.，Ltd.，Shandong Weihai 264205， China）

Abstract： Corrosion inhibitor HZ1601， acrylic acid and 2-acrylamide-2 -methyl acrylate copolymer （AA/AMPS）， zinc salt and phosphate were compounded to obtain a kind of low phosphorus and high efficiency corrosion and scale inhibitor HZ1601-1. Rotating coupon experiments and static scale inhibition experiments of HZ1601-1 showed good corrosion inhibition performance and scale inhibition performance. In dynamic simulation test by using Yellow River water as circulating cooling water， the annual fouling resistance reached to 3.15×10-4 m2·K/W， the corrosion rate of heat exchange tube was 0.004 207 mm/a， which can fully meet the requirements of the circulating cooling water system.

Key words： Scale inhibition performance； Corrosion inhibition performance； Fouling resistance

工業(yè)生產(chǎn)中循環(huán)冷卻水用量很大，尤其是在電力、冶金、石化和鋼鐵等行業(yè)，冷卻水的用量約占企業(yè)用水總量的85%以上[1]。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)可以有效地節(jié)約水資源，但其運行過程中會出現(xiàn)嚴重的結(jié)垢、腐蝕等弊端[2-4]，為保證循環(huán)水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，需要向系統(tǒng)中投加緩蝕阻垢劑，而目前廣泛應(yīng)用的磷系緩蝕阻垢劑易造成環(huán)境污染，隨著我國環(huán)境保護政策加強、國民安全意識的提高，磷系水處理劑逐漸引起人們的擔憂，因此，采用低磷或無磷的緩蝕阻垢劑已成為當今研究的重點[5]。

本文以丙烯酸與2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物（AA/AMPS）、鋅鹽、磷酸鹽為原料，與威海翔宇環(huán)保科技股份有限公司阻垢劑HZ1601進行復(fù)配，研制出一種低磷高效緩蝕阻垢劑。首先，采用正交實驗，對復(fù)合低磷緩蝕阻垢劑配方進行篩選；其次，采用靜態(tài)阻垢實驗和旋轉(zhuǎn)掛片緩蝕實驗，對優(yōu)選配方的緩蝕性能和阻垢性能進行評定；最后，通過動態(tài)模擬試驗驗證優(yōu)選配方的應(yīng)用效果。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

實驗材料：阻垢劑HZ1601（威海翔宇環(huán)保科技股份有限公司）、丙烯酸與2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物（AA/AMPS）、鋅鹽、磷酸鹽等。

儀器：RCC-型旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗儀、HH-8數(shù)顯恒溫水浴鍋、雙水路循環(huán)冷卻水動態(tài)模擬試驗臺（威海翔宇環(huán)?？萍脊煞萦邢薰驹O(shè)計制造）。

1.2 實驗用水

采用高硬度、高堿度循環(huán)水作為實驗用水，實驗用水取自濱州某化工廠，補充水為黃河水，具體水質(zhì)分析情況見表1。

水pH值、總硬度和總堿度較高，水質(zhì)LSI為2.17，屬于易結(jié)垢性水質(zhì)，表現(xiàn)為結(jié)垢為主，腐蝕為輔的水質(zhì)。因此，緩蝕與結(jié)垢要同時兼顧。

1.3 實驗方法

1.3.1 正交實驗

為了優(yōu)化阻垢劑HZ1601性能，并篩選出阻垢和緩蝕效果最佳的低磷緩蝕阻垢劑配方，以A（AA/AMPS）、B（鋅鹽）、C（磷酸鹽）這三種藥劑進行正交實驗。阻垢劑HZ1601質(zhì)量濃度為50 mg/L，其中，AA/AMPS的質(zhì)量濃度為1～3 mg/L、鋅鹽的質(zhì)量濃度為0.3～1.5 mg/L，磷酸鹽的質(zhì)量濃度為0.5～1.5 mg/L，正交實驗條件表如表2所示。

.3.2 緩蝕性能評價

采用“旋轉(zhuǎn)掛片實驗”[6]對復(fù)合低磷緩蝕阻垢劑的緩蝕性能進行評價，實驗用水為1.2中的循環(huán)水，采用RCC-型旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗儀，采用A3碳鋼掛片-Ⅰ型（符合HG/T 3523的規(guī)定），實驗溫度為（45±1.0）℃，實驗周期為72h。

1.3.3 阻垢性能評價

采用“靜態(tài)阻垢實驗”[7]對復(fù)合低磷緩蝕阻垢劑的阻垢性能進行評價，將投加阻垢劑和未投加阻垢劑的實驗水至于500 mL錐形瓶中，在HH-8數(shù)顯恒溫水浴鍋中水浴10 h，實驗溫度為（80±1.0）℃。

1.3.4 動態(tài)模擬試驗

為了進一步模擬循環(huán)水現(xiàn)場運行狀態(tài)，采用“動態(tài)模擬試驗”[8]對復(fù)合低磷緩蝕阻垢劑的應(yīng)用效果進行模擬驗證，試驗用水為自來水（黃河水），采用雙水路循環(huán)冷卻水動態(tài)模擬試驗臺，采用A3碳鋼掛片-Ⅱ型，表面積為20.64 cm2，采用外表鍍鉻無縫不銹鋼管，規(guī)格為D10 mm×1 mm×570 mm，進水溫度為（32±1）℃，加熱爐蒸汽溫度為100 ℃，濃縮倍數(shù)為2.5～3，試驗時間為360 h。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合低磷緩蝕阻垢劑配方篩選

為得到良好緩蝕性能與阻垢性能的低磷緩蝕阻垢劑，通過正交實驗對阻垢劑HZ1601進行改進，實驗選取了AA/AMPS、鋅鹽、磷酸鹽作為實驗因素，以各因素的質(zhì)量濃度作為水平數(shù)，并以緩蝕性能和阻垢性能作為評價指標進行實驗。正交實驗結(jié)果見表3。

由表3可知，影響緩蝕性能的三個因素極差R大小排序為磷酸鹽>鋅鹽>AA/AMPS，磷酸鹽對緩蝕性能影響最大，其中，緩蝕性能最好的配方組成為A1B3C2，即AA/AMPS、鋅鹽、磷酸鹽質(zhì)量濃度分別為1、1.5、1.0 mg/L。影響阻垢性能的三個因素極差R大小排序為AA/AMPS>磷酸鹽>鋅鹽，AA/AMPS對阻垢性能影響最大，其中，阻垢性能最好的配方組成為A3B2C2，即AA/AMPS、鋅鹽、磷酸鹽質(zhì)量濃度分別為3、0.8、1.0 mg/L。分別對上述兩種配方的緩蝕性能和阻垢性能進行測定，實驗結(jié)果表明，A3B2C2的綜合性能更好。將該配方所得的緩蝕阻垢劑命名為HZ1601-1。

2.2 HZ1601-1的緩蝕性能測定

緩蝕阻垢劑HZ1601-1加藥質(zhì)量濃度為10，20，30，40，50，60 mg/L時，測定緩蝕率，分析加藥濃度對緩蝕性能的影響。實驗采用水源為黃河水的循環(huán)水，在溫度為（45±1.0）℃的條件下，測定HZ1601-1的緩蝕性能，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，HZ1601-1的緩蝕性能隨藥劑質(zhì)量濃度的增加而逐漸增加，當質(zhì)量濃度為40 mg/L時，緩蝕率為87.47%；質(zhì)量濃度為50 mg/L時，腐蝕率為0.048 mm/a、緩蝕率為96.18%，腐蝕率小于我國工業(yè)循環(huán)冷卻水處理行業(yè)標準規(guī)定0.075 mm/a[9]；質(zhì)量濃度為60 mg/L時，緩蝕率為97.8%。這說明藥劑質(zhì)量濃度為50 mg/L時，表現(xiàn)出良好的緩蝕效果，藥劑質(zhì)量濃度大于50 mg/L時，緩蝕率增加不顯著。

2.3 HZ1601-1的阻垢性能測定

在溫度為（80±1.0）℃的條件下，測定HZ1601-1的阻垢性能，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，HZ1601-1的阻垢性能隨藥劑質(zhì)量濃度的增加而逐漸增加，當質(zhì)量濃度為40 mg/L時，阻垢率為90.89%；質(zhì)量濃度為50 mg/L時，阻垢率為93.55%；質(zhì)量濃度為60 mg/L時，阻垢率為90.08%。這說明藥劑質(zhì)量濃度為50 mg/L時，表現(xiàn)出良好的阻垢效果，藥劑質(zhì)量濃度大于50 mg/L時，緩蝕率增加不顯著。

2.4 動態(tài)模擬試驗

采用威海翔宇科技雙水路循環(huán)冷卻水動態(tài)模擬試驗臺，在3倍濃縮條件下，HZ1601-1質(zhì)量濃度為50 mg/L時，測定HZ1601-1的緩蝕性能和阻垢性能，緩蝕試驗結(jié)果如表4所示。

由表4可知，HZ1601-1取得了良好的緩蝕阻垢效果，加藥后年污垢熱阻可達到3.15×10-4 m2·K/W，換熱管腐蝕率為0.004 207 mm/a，均完全滿足循環(huán)水系統(tǒng)的要求。循環(huán)水進水側(cè)和出水側(cè)掛片腐蝕速率平均值為0.0162 95 mm/a，腐蝕率小于靜態(tài)實驗結(jié)果（0.048 mm/a），試驗后加藥側(cè)掛片只有懸掛處發(fā)生輕微接觸腐蝕，而空白掛片整體發(fā)生腐蝕，銹跡明顯（如圖3）。上述結(jié)果表明，HZ1601-1緩蝕性能和阻垢性能優(yōu)異，可以替代高磷含量的水處理藥劑。

3 結(jié) 論

（1）正交實驗結(jié)果表明，以HZ1601、AA/AMPS、鋅鹽、磷酸鹽為原料，在質(zhì)量配比為250∶15∶4∶5時，復(fù)配得到的緩蝕阻垢劑HZ1601-1緩蝕性能和阻垢性能優(yōu)異，且達到行業(yè)標準。

（2）以黃河水為補水的循環(huán)水系統(tǒng)中，在3倍濃縮條件下， 系統(tǒng)基本不腐蝕、不結(jié)垢，節(jié)約水資源，并確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

（3）同無磷水處理藥劑相比，低磷復(fù)配緩蝕阻垢劑HZ1601-1可以降低企業(yè)運營成本，同時滿足環(huán)保排放標準，具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢。

參考文獻：

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[9] 中國工程建設(shè)標準化協(xié)會化工分會. GB 50050-2007，工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范[S].