中高壓鍋爐新型無磷螯合分散劑的研究進(jìn)展

趙之斌

(海洋石油富島有限公司，海南 東方 572600)

雖然中、高壓鍋爐水質(zhì)經(jīng)過一系列的凈化、除鹽和除氧等處理，但水質(zhì)在運(yùn)行條件下所發(fā)生受熱、蒸發(fā)、濃縮、結(jié)晶等一系列的物理及化學(xué)變化，為水中的微量雜質(zhì)沉積提供了便利條件。當(dāng)這些雜質(zhì)在鍋水中不斷濃縮飽和時，便有沉淀物析出。結(jié)果造成汽水共騰、蒸汽品質(zhì)惡化、金屬腐蝕、熱阻增加、壁溫升高、金屬過熱、強(qiáng)度降低，大大縮短了鍋爐的使用壽命。因此，為穩(wěn)定鍋爐給水水質(zhì)和爐水品質(zhì)，改善蒸汽質(zhì)量，相應(yīng)提高濃縮倍數(shù)、減少排污，采用先進(jìn)的爐內(nèi)水處理技術(shù)就顯得尤為重要。鍋內(nèi)加藥處理是作為鍋爐補(bǔ)給水、凝結(jié)水、生成返回水處理的延續(xù)和補(bǔ)充處理。其作用是使隨給水帶入鍋爐內(nèi)的結(jié)垢物質(zhì)與所加藥劑反應(yīng)，生成懸浮顆粒，呈分散狀態(tài)，通過鍋爐排污排出鍋內(nèi)，或使其成為溶解狀態(tài)存在于鍋水中，不會沉積在鍋爐管壁上，以達(dá)到防垢的目的。

1 無磷螯合分散劑開發(fā)進(jìn)展

1.1 聚合物分散劑

水處理用的聚合物分散劑分為均聚物、二元共聚物、三元及多元共聚物，這些分散劑主要是為循環(huán)冷卻水開發(fā)的(見表1)，用于鍋爐的分散劑種類有限[1]，作為鍋爐用的聚合物分散劑有聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚馬來酸酐、馬來酸/苯乙烯磺酸、丙烯酸/乙烯乙醇/烯醛醚，發(fā)展方向是耐高溫的中低分子量的陰離子型聚羧酸類分散劑。聚合物分散劑處理法除了單獨(dú)使用外，還可以與其他水處理劑配合作用，其效果比各自單獨(dú)使用為佳。

表1 我國開發(fā)的聚合物阻垢分散劑

1.2 螯合劑

資料[2]詳細(xì)報道了鍋內(nèi)螯合劑的處理法。20世紀(jì)60年代開始，鍋內(nèi)采用螯合劑處理。常用的螯合劑有乙二胺四乙酸(EDTA)、氨基三乙酸(NTA)等。以除鹽水作補(bǔ)給水的鍋爐，在熱負(fù)荷很高時，采用螯合劑EDTA處理，防止鐵垢在鍋內(nèi)的沉積，效果較好。對于中、高壓鍋爐采用EDTA處理，一般均要求以除鹽水作為補(bǔ)給水。

有機(jī)螯合劑可采用如下一種或幾種。氨三乙酸(NTA)、羥乙基乙二胺三乙酸三(HEDTA)、乙二胺四醋酸(EDTA)，二乙烯三胺五醋酸(DTPA)、N,N -二羧酸氨基-2-羥基丙烷基磺酸鈉、亞氨基二琥珀酸(IDS)、3-羥基-2,2'-亞氨基二琥珀酸四鈉(HIDS)、聚天門冬氨酸(PASP)。有資料報道能生物降解且無毒性的螯合劑N,N -二羧酸氨基-2-羥基丙烷基磺酸鈉、亞氨基二琥珀酸(IDS)[3]、3-羥基-2,2'-亞氨基二琥珀酸四鈉(HIDS)、聚天門冬氨酸(PASP)是有機(jī)螯合劑的發(fā)展方向。

中高壓鍋爐用無磷螯合分散劑的發(fā)展方向是，開發(fā)用量少、性能高、水質(zhì)適用范圍廣、對硅有良好的增溶性，對鐵有良好的分散性，不產(chǎn)生泡沫，無副作用和對環(huán)境友好的藥劑。

2 無磷螯合分散處理技術(shù)及原理

鍋內(nèi)無磷分散處理技術(shù)包括有機(jī)聚合物分散處理法和螯合劑處理法。

2.1 無磷聚合物分散處理技術(shù)及原理

有機(jī)高分子聚羧酸類分散劑，主要的作用機(jī)理是靜電斥力作用，同時還具有晶格畸變、增溶作用的作用機(jī)理。

靜電斥力作用：聚羧酸在水中電離成陰離子后有強(qiáng)烈的物理吸附和化學(xué)吸附性，它會吸附到CaCO3等小晶體粒子和吸附到懸浮在水中的一些雜質(zhì)粒子上，改變了粒子的表面的電荷分布，使粒子表面形成了一個雙電層。當(dāng)一個聚羧酸負(fù)離子和兩個或多個CaCO3小晶體和懸浮粒子吸附時，可以使兩個CaCO3小晶體和懸浮粒子帶上相同的電荷，發(fā)生靜電斥力，阻礙了CaCO3小晶體間碰撞形成大晶體，阻礙懸浮粒子聚集，從而抑制了在爐水金屬界面上沉積而形成垢層。

晶格畸變：有機(jī)高分子聚羧酸，電離出的負(fù)離子，它們會吸附到碳酸鈣晶體的活性增長點(diǎn)上與Ca2+螯合，抑制了碳酸鈣晶格向一定的方向成長，使晶格歪曲，因而產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，長不大，也就是說晶體被高分子聚羧酸的分子所包圍而失去活性。另外，部分吸附在晶體上并隨著晶體增長被卷入晶格中，使CaCO3晶格發(fā)生位錯，在垢層中形成一些空洞，分子與分子之間的相互作用減小，使硬垢變軟，較易流動，隨排污排除爐外。

增溶作用：高分子聚羧酸能與Ca2+、Mg2+等金屬離子形成穩(wěn)定絡(luò)合物，從而提高了CaCO3晶粒析出時的過飽和度，也就是說增加了CaCO3在水中的溶解度。

2.2 螯合劑處理技術(shù)及原理

螯合劑處理法是采用有機(jī)螯合劑單獨(dú)或與其他藥劑聯(lián)合使用對鍋水進(jìn)行處理的一種方法。有機(jī)螯合劑分子式為：

-CHR1-CH-COOH-R2-，式中R1是H、烷基、C6H5、COOH；R2是CH(CH3)、C6H5、COOH、烷基、酰胺基。

螯合劑處理法是以除鹽水作補(bǔ)給水的鍋爐，在熱負(fù)荷很高時，采用螯合劑處理，防止Ca2+、Mg2+，尤其是Fe離子在鍋內(nèi)的沉積。對硅有良好的增溶性能，減少聚合硅的產(chǎn)生。螯合劑與鐵形成的螯合物，在高溫高壓下，一部分會在鍋水中發(fā)生熱分解，其產(chǎn)物磁性Fe3O4和γ-Fe2O3會在潔凈的鍋爐管壁上生成良好的保護(hù)膜，這層保護(hù)膜很薄且致密，能對金屬起到良好的保護(hù)作用，可以減少金屬腐蝕。

螯合劑處理法原理：螯合劑使?fàn)t水中陽離子形成螯合物，使其呈溶解狀態(tài)，隨排污排出爐外。

3 評價方法及探討

3.1 阻垢率的測定方法(常壓掛片法)

按照GB/T 16811-2005鍋內(nèi)加藥水處理的藥劑效果應(yīng)符合表2的規(guī)定。

表2 鍋內(nèi)加藥水處理經(jīng)濟(jì)運(yùn)行合格指標(biāo)

3.1.1 測定儀器

①高腳燒杯：500 mL；

②試劑瓶：3000 mL；

③試驗電爐：1000 W；

④分析天平(精確度1/10000)。

3.1.2 測定材料

試片：采用與鍋爐本體相同材質(zhì)，清洗干凈，吹干，放人干燥器中備用。

3.1.3 測定方法

用空白試驗水和加藥試驗水分別做試驗，并進(jìn)行計算。

①取按藥劑用量配好的加藥試驗水和不加任何藥劑的空白試驗水各2500 mL，分別投入3000 mL的試劑瓶中，然后分別取出 250 mL投人500 mL高腳燒杯中。

②掛人試片。

③試杯底部用電爐加熱，并用調(diào)壓器調(diào)節(jié)，水溫控制在95℃±2℃，使試驗水緩慢蒸發(fā)濃縮，不要飛濺溢出，并不斷從試劑瓶中滴加試驗用水保持試杯液面平衡，并注意觀察水樣的渾蝕程度、泡沫的多少，每隔 1 h，測量一下試杯水的 pH值，做好記錄。

④當(dāng)2500 mL試驗用水從試劑瓶中滴完后，試杯中僅存有250 mL左右的水時，停止加熱，取出試片，冷卻吹干后立即稱量與原片質(zhì)量比較，可得所結(jié)的垢質(zhì)量(以mg計)，并觀察試片表面的腐蝕情況，做好記錄。

⑤阻垢率按下式計算：

GZ=(GK-GJ)/GK

式中：

GZ-阻垢劑的阻垢率，用(%)表示；

GK-空白試驗水試片垢質(zhì)量，單位為(mg)；

GJ-加藥試驗水試片垢質(zhì)量，單位為(mg)。

⑥濃縮試驗水冷卻后過濾，分析硬度、堿度、氯離子含量并做好記錄。

3.2 中高壓試驗裝置阻垢率測定方法的探討

由于中高壓鍋爐一般采用除鹽水作為補(bǔ)充水，水中成垢粒子濃度很低，在運(yùn)行中的鍋爐水很難采用循環(huán)冷卻水可以直接測定水中Ca2+、Mg2+等粒子濃度的方法來判斷藥劑的阻垢性能。因此本文探討了采用中高壓試驗裝置并結(jié)合常規(guī)評價方法，對鍋爐阻垢分散劑和螯合劑的性能的間接評價方法。

通過中高壓試驗裝置，定量投加鍋爐阻垢分散劑和螯合劑，在一定的高溫高壓下和濃縮倍數(shù)下，取鍋爐排污水，按照常規(guī)方法評價爐水中阻垢分散劑和螯合劑的阻垢性能，并以此間接評價高溫高壓下藥劑的阻垢性能、分散性能、耐溫性能。

4 結(jié)論

本文綜述用于鍋爐處理的無磷聚合物分散劑和螯合劑及其發(fā)展方向。探討了中高壓鍋爐無磷阻垢分散劑和螯合劑的間接評價方法，期望為現(xiàn)場中高壓鍋爐無磷技術(shù)的成功應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。