張柏鴻，王坤鵬，李俊峰，李紅，陳奇，陳麗鵬

（1.鞍鋼貝克吉利尼水處理有限公司，遼寧　鞍山　114000；2.鞍鋼股份有限公司，遼寧　鞍山　114000）

低磷復(fù)配緩蝕阻垢劑在循環(huán)冷卻水中的研究與應(yīng)用

張柏鴻1，2，王坤鵬1，李俊峰1，李紅1，陳奇1，陳麗鵬1

（1.鞍鋼貝克吉利尼水處理有限公司，遼寧鞍山114000；2.鞍鋼股份有限公司，遼寧鞍山114000）

以咪唑啉季銨鹽、膦羧酸共聚物、丙烯酸-丙烯酸酯-磺酸鹽共聚物、鋅鹽為主要成分復(fù)配低磷緩蝕阻垢劑，采用旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗(yàn)、靜態(tài)阻垢試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)評價(jià)其緩蝕性能和阻垢性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，上述4種成分按2.0∶1.0∶1.5∶1.0的質(zhì)量比復(fù)配成低磷緩蝕阻垢劑，該藥劑投加量為30mg/L時(shí)，其緩蝕率和阻垢率分別為95.85%和91.62%。將該低磷緩蝕阻垢劑現(xiàn)場應(yīng)用于鲅魚圈鋼鐵燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組（CCPP）的凈環(huán)水處理系統(tǒng)，也取得良好的使用效果。

低磷；緩蝕；阻垢；低硬度

鞍鋼股份鲅魚圈鋼鐵分公司現(xiàn)有29套循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，原采用的是有機(jī)磷水處理劑。隨著環(huán)保要求的提高，有機(jī)磷水處理劑無法滿足GB 13456—2012《鋼鐵工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排污水中磷濃度的要求。為了達(dá)到循環(huán)冷卻水排污水磷濃度排放限值的要求，確保循環(huán)冷卻水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，本研究以咪唑啉季銨鹽、膦羧酸共聚物、丙烯酸-丙烯酸酯-磺酸鹽共聚物、鋅鹽為主要成分［1］，復(fù)配低磷緩蝕阻垢藥劑，采用旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗(yàn)、靜態(tài)阻垢試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)評價(jià)該低磷緩蝕阻垢藥劑的緩蝕性能和阻垢性能，并現(xiàn)場進(jìn)行工程應(yīng)用性驗(yàn)證。

1　試驗(yàn)部分

1.1水質(zhì)條件

試驗(yàn)用水取自鲅魚圈鋼鐵燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組（CCPP）的凈環(huán)水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)保有水量為1.8萬m3，循環(huán)冷卻水量為1.2萬m3，其換熱設(shè)備材質(zhì)為碳鋼、不銹鋼等。近年來鲅魚圈鋼鐵CCPP凈環(huán)水處理系統(tǒng)概況見表1。

根據(jù)表1水質(zhì)數(shù)據(jù)，水溫在45℃時(shí)，經(jīng)計(jì)算可以得出穩(wěn)定指數(shù)（R.S.I）和結(jié)垢指數(shù)（P.S.I）分別為7.13、8.16［2］，從R.S.I和P.S.I指數(shù)結(jié)果判斷該水質(zhì)傾向于以腐蝕為主，結(jié)垢為輔的水質(zhì)。

表1　鲅魚圈鋼鐵CCPP凈環(huán)水處理系統(tǒng)補(bǔ)充水水質(zhì)和系統(tǒng)水質(zhì)Tab.1　Make-up water and system water qua1ity of net ring water treatment system of Bayuquan iron and stee1 CCPP

1.2試驗(yàn)儀器與試劑

試驗(yàn)儀器［3］：RCC-Ⅱ型旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗(yàn)儀、恒溫水浴鍋、動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)裝置、電磁攪拌器等。

主要試劑：咪唑啉季銨鹽、膦羧酸共聚物（POCA）、丙烯酸-丙烯酸酯-磺酸鹽共聚物、氯化鋅。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1緩蝕性能評價(jià)

依據(jù)GB/T 18175—2014《水處理劑緩蝕阻垢性能的測定 旋轉(zhuǎn)掛片法》進(jìn)行緩蝕性能評定［4］，試驗(yàn)用水按濃縮5倍補(bǔ)充水水質(zhì)，水溫為（45±1）℃；采用A3碳鋼片，旋轉(zhuǎn)速度為80 r/min，試驗(yàn)時(shí)間為72 h，試驗(yàn)后測A3碳鋼片失重，計(jì)算腐蝕率。

1.3.2靜態(tài)阻垢性能評價(jià)

依據(jù)GB/T 16632—2008《水處理劑阻垢性能的測定 碳酸鈣沉積法》進(jìn)行阻垢性能評定［5］，試驗(yàn)用水按國標(biāo)要求配制，水溫加熱至（80±1）℃，試驗(yàn)時(shí)間為10 h，檢測試驗(yàn)前、后水樣中Ca2+濃度的變化，計(jì)算水處理劑的阻垢性能。

1.3.3動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)

為了更好的評價(jià)低磷緩蝕阻垢劑在實(shí)際循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的使用效果，對選定的藥劑進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)，測試其模擬現(xiàn)場實(shí)際水質(zhì)下的緩蝕阻垢性能，依據(jù)HG/T 2160—2008《冷卻水動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)方法》進(jìn)行緩蝕阻垢效果評定。試驗(yàn)用水為工業(yè)新水補(bǔ)充水，具體參數(shù)如下：冷卻水進(jìn)水溫度為30℃，冷卻水出水溫度為40℃，常壓飽和蒸汽溫度為100℃，試管尺寸為DN 19 mm×2 mm無縫碳鋼、不銹鋼金屬單管，冷卻水流量為1.2 m/s，投加新型低磷緩蝕阻垢劑30mg/L，濃縮倍數(shù)為4.5～5.5，試驗(yàn)時(shí)間為360 h。

2　結(jié)果與討論

2.1緩蝕性能評價(jià)

將咪唑啉季銨鹽、膦羧酸共聚物、丙烯酸-丙烯酸酯-磺酸鹽共聚物、氯化鋅按不同的質(zhì)量比進(jìn)行復(fù)配：配方1中其質(zhì)量比為1.8∶1.2∶1.3∶1.1，配方2中其質(zhì)量比為2.0∶1.0∶1.5∶1.0，配方3中其質(zhì)量比為2.3∶0.8∶1.7∶0.8，按30mg/L的投加量加入待測水樣中，旋轉(zhuǎn)掛片試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2　緩蝕試驗(yàn)結(jié)果Tab.2　Experimenta1 resu1ts of corrosion mitigation test

由表2可以看出，各組配方都表現(xiàn)出很好的緩蝕效果，其中配方2的緩蝕效果最佳，達(dá)到95.85%，在5倍濃縮下碳鋼掛片腐蝕速率依然滿足GB 50050—2007《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》［6］的要求，水中總磷符合GB13456—2012中工業(yè)排放水的ρ（總磷）≤1.0mg/L的要求［7］。

2.2阻垢性能評價(jià)

在靜態(tài)阻垢試驗(yàn)中，配方1、配方2、配方3均按30mg/L的投加量分別加入到配制水中，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3　阻垢試驗(yàn)結(jié)果Tab.3　Resu1ts of sca1e inhibition test

由表3可以看出，在Ca2+質(zhì)量濃度為240.48mg/L下，各組配方阻垢率都在85%以上，配方2更是達(dá)到91.62%，阻垢性能更加突出。

2.3動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)結(jié)果

通過緩蝕性能和阻垢性能對比可知，配方2的質(zhì)量配比更加合理，緩蝕和阻垢效果更加突出，因此選擇配方2做動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)。配方2投加量為30mg/L，pH值控制在8.5，濃縮倍數(shù)為4.5～5.5，動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4　動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)結(jié)果Tab.4　Resu1ts of dynamic simu1ation test

由表4可以看出，碳鋼腐蝕速率、不銹鋼腐蝕速率及年污垢熱阻均符合GB 50050—2007的要求，水中總磷符合GB 13456—2012中的ρ（總磷）≤1.0mg/L的要求。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明，該低磷緩蝕阻垢劑配方完全能夠代替磷系緩蝕阻垢劑并應(yīng)用在實(shí)際循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中。

2.4緩蝕阻垢機(jī)理分析

咪唑啉季銨鹽、膦羧酸共聚物、丙烯酸-丙烯酸酯-磺酸鹽共聚物3種組分之間有良好的協(xié)同增效作用，其中咪唑啉季銨鹽［8］作為主劑之一，其優(yōu)良的緩蝕效果是多種因素協(xié)調(diào)作用的結(jié)果：①當(dāng)金屬與酸性介質(zhì)接觸時(shí)，該緩蝕劑可以在金屬表面形成單分子膜；②由于該緩蝕劑中的咪唑啉的N原子經(jīng)過季銨化后成為陽離子大分子，很容易被表面帶負(fù)電荷的金屬表面活性點(diǎn)吸附，對氫離子放電有很大的抑制作用，從而有效地抑制了陰極反應(yīng)；③季銨鹽大分子有很大的覆蓋作用。咪唑啉的緩蝕效果隨咪唑環(huán)中電子密度的增加而增加，若向咪唑啉分子引入非極性基團(tuán)，不僅可通過誘導(dǎo)效應(yīng)改變中心原子的吸附能力，而且還可以增大它的疏水效應(yīng)，有利于形成吸附膜，提高緩蝕性能。膦羧酸共聚物具有優(yōu)異的阻碳酸鈣垢性能［9］，將丙烯酸-丙烯酸酯-磺酸鹽共聚物與之復(fù)配，能夠促進(jìn)金屬表面形成單分子膜，使其形成嚴(yán)密、均勻保護(hù)膜。

3　現(xiàn)場應(yīng)用

鲅魚圈鋼鐵CCPP凈環(huán)水處理系統(tǒng)由原來的有機(jī)磷緩蝕阻垢劑更換為低磷緩蝕阻垢劑，運(yùn)行1個(gè)月后，碳鋼掛片腐蝕速率為0.019 3 mm/a，每天檢測循環(huán)冷卻水總磷的質(zhì)量濃度，均不超過1.0mg/ L，系統(tǒng)冷卻器無碳酸鹽垢沉積，取得很好的應(yīng)用效果，保證了循環(huán)冷卻水系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。該低磷緩蝕阻垢劑在鲅魚圈鋼鐵CCPP凈環(huán)水處理系統(tǒng)的成功應(yīng)用，為鲅魚圈鋼鐵分公司其它28套循環(huán)冷卻水系統(tǒng)改用低磷藥劑打下了良好的基礎(chǔ)。

4　結(jié)論

（1）將咪唑啉季銨鹽、膦羧酸共聚物、丙烯酸-丙烯酸酯-磺酸鹽共聚物、氯化鋅按2.0∶1.0∶1.5∶1.0的質(zhì)量比復(fù)配成低磷緩蝕阻垢劑。該藥劑在投加量為30mg/L時(shí)，旋轉(zhuǎn)掛片和靜態(tài)阻垢試驗(yàn)結(jié)果表明，緩蝕率和阻垢率分別為95.85%和91.62%。其動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)結(jié)果也表明碳鋼腐蝕速率、不銹鋼腐蝕速率及年污垢熱阻均符合GB 50050—2007的要求。

（2）現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該低磷緩蝕阻垢劑效果穩(wěn)定，能夠保證系統(tǒng)不結(jié)垢、不腐蝕，處理效果優(yōu)異。

（3）該水質(zhì)穩(wěn)定劑配方是低磷環(huán)保型，使用劑量低，滿足GB 13456—2012中工業(yè)排放水ρ（總磷）≤1.0mg/L的要求。

［1］嚴(yán)蓮荷.水處理藥劑及配方手冊［M］.北京：中國石化出版社，2004.

［2］周本省.工業(yè)水處理技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［3］沙志強(qiáng)，曾玉，魏新國，等.低磷/無磷復(fù)配緩蝕阻垢劑的研究和應(yīng)用［J］.工業(yè)水處理，2010，30（10）：73-75.

［4］全國化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)水處理劑分技術(shù)委員會(huì).水處理劑緩蝕性能的測定 旋轉(zhuǎn)掛片法：GB/T 18175—2000［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［5］全國化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)水處理分會(huì).水處理劑阻垢性能的測定 碳酸鈣沉積法：GB/T 16632—2008［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［6］中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)化工分會(huì).工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50050—2007［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2008.

［7］環(huán)境保護(hù)部科技標(biāo)準(zhǔn)司.鋼鐵工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)：GB 13456—2012［S］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2012.

［8］劉明華.水處理化學(xué)品［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［9］李兵，全貞花，王秀榮，等.低膦?；人峁舱{(diào)聚物的阻垢性能研究［J］.工業(yè)用水與廢水，2007，38（3）：80-83.

Research and application of low phosphorus corrosion and scale inhibitor in circulating cooling water treatment

ZHANG Bai-hong1，2，WANG Kun-peng1，LI Jun-feng1，LI Hong1，CHEN Qi1，CHEN Li-peng1
（1.Angang BK Giulini Water Treatment Co.，LTD.，Anshan 114000，China；2.Angang Steel Co.，Ltd.，Anshan 114000，China）

Low phosphorus corrosion and sca1e inhibitor was synthesized with imidazo1ine-ammonium-sa1e，phosphonium carboxy1ate copo1ymer，cry1ic acid-acry1ate-su1fonate copo1ymer，and zinc sa1t as the main components，and then，its corrosion and sca1e inhibiting performance was eva1uated by rotary hanging sheet corrosion test，static sca1e inhibition test，and dynamic simu1ation test.The resu1ts of those tests showed that，composing 1ow phosphorus corrosion and sca1e inhibitor by the above 4 components with mass ratios of 2.0∶1.0∶1.5∶1.0，the anti-corrosion rate and sca1e-inhibiting rate of the composed reagent reached 95.85%and 91.62%respective1y when the dosage was 30mg/L.Adopting the said reagent in the net ring water treatment system of Bayuquan iron and stee1 gas steam combined cyc1e power p1ant（CCPP），a good treatment effect was obtained.

1ow phosphorus；corrosion mitigation；sca1e inhibition；1ow ca1cium hardness

TU991.4；TQ085+.4

A

1009-2455（2016）03-0049-03

張柏鴻（1974-），男，遼寧鞍山人，工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事工業(yè)水處理相關(guān)的設(shè)備、工藝、藥劑研發(fā)等技術(shù)工作，（電子信箱）zbh@angangbkg.com；責(zé)任作者：王坤鵬（1985-），男，遼寧鞍山人，助理工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事工業(yè)水處理藥劑研發(fā)等技術(shù)工作，（電子信箱）kunpeng.wang@angangbkg.com。

2016-04-12（修回稿）