高效缓蚀阻垢剂在钛冶炼循环系统中的应用

谢丽娟，滕凤远，陈勇

（攀枝花钢城集团有限公司，四川 攀枝花 617000）

循环冷却水处理是工业生产中必不可少的环节，其水量占工业用水的60%～90%，对生产的顺畅运行有极为重要的作用。在实际生产中，因循环冷却水处理不当而引起的换热设备腐蚀、结垢问题屡见不鲜。腐蚀容易引起金属管穿孔、开裂，增加设备的检修时间和次数，缩短设备的使用寿命，减少产量，增加成本；管道结垢一方面会导致垢下腐蚀，另一方面也会降低换热器的热交换效率，从而影响到生产效率，增加能源消耗，导致正常生产周期缩短，设备寿命降低，运行成本提高，生产效率下降，造成巨大的经济损失。因此，采取经济有效的手段防止循环冷却水系统的腐蚀和结垢非常重要。目前阻垢药剂主要针对普通工业水，阻垢率一般可达90%以上，但对于冶炼系统软水在运行中出现结垢的特殊情况却鲜有报道［1-3］。本文结合攀钢钛冶炼厂循环水系统的实际情况，进行了缓蚀阻垢剂配方的优化研究，并将其应用于现场试验。

1 循环冷却水系统概况

攀钢钛冶炼厂区内循环水系统用冷却设备以碳钢为主，部分主要供冶炼冷却使用的设备含少量铜和不锈钢。循环水量为1 700 m3/h，保有水量1 000 m3，补充水量15 m3/h。循环水系统关键部位采用铜质管道，接触温度约50℃，进入凉水塔冷却前温度为45℃。现场循环水系统均属于净环水处理系统，新鲜的生产水经过树脂吸附处理后作为补水，前期药剂投加量为60～70 mg/L，浓缩倍数为2～3倍。循环水系统水质情况及出水要求如表1所示。

表1 循环水系统水质情况及出水要求

从表1可以看出，系统循环水硬度超标。实际上在循环水冷却系统中，需要通过CaCO3饱和指数（L.S.I）和稳定指数（R.S.I）判断其水质倾向［3-4］，从而找到循环水系统存在的主要问题，确定循环水缓蚀阻垢剂的主要作用方向。其中，L.S.I是用水的实际pH值与饱和pHs值之差来判定，即L.S.I=pH-pHs；R.S.I指数则是在修正L.S.I的基础上提出的，对循环水的故障倾向能做出更进一步的判断，R.S.I=2pHs-pH。饱和pHs值按以下公式计算：

pHs=（9.7+A+B）-（C+D） （1）式中，A为总溶固系数；B为温度系数；C为钙镁硬度系数；D为M-碱度系数。

水质的结垢腐蚀倾向判定如表2所示。根据表1的水质检测结果，结合公式（1）和表2，可以测算出循环系统补水的R.S.I为10.8，具有很强的腐蚀性。然而因为冶炼系统的特殊性，当浓缩倍数升高后，循环水水质硬度超标，经测算，循环水R.S.I降低到5.03，整个循环水系统呈现出结垢的趋势。所以，循环冷却水处理的重点应该是防止管道在高浓缩倍数下的结垢，同时预防管道的腐蚀。

表2 水质的结垢腐蚀倾向判定

2 循环水缓蚀阻垢实验

2.1 实验方案

选取可抑制阻垢的缓蚀阻垢剂单体HEDP、AA/AMPS、PBTC、PAPE、HPMA、ATMP 和 ZnCl2进行有机组合［1，5］，配制 6 种配方药剂，依次标记为1#～6#，另取一水样做空白对比，标记为 0#，循环水缓蚀阻垢剂配比方案如表3所示。

表3 循环水缓蚀阻垢剂配比方案（质量分数） %

采用现场新鲜补水，进行静态阻垢法和鼓泡法阻垢性能测试，及静态挂片腐蚀实验。根据现场药剂量设定实验药剂投加浓度为65 mg/L（以补水量计）。最终结合实验数据，筛选出药剂的最佳配比。

2.2 阻垢性能测试

阻垢性能测试的原理：大多数水的结垢是由于水中的碳酸氢钙分解为碳酸钙沉淀引起的，化学反应如式（2）所示。添加阻垢剂可以抑制碳酸钙垢的析出，阻垢剂的性能越好，则从水中析出的碳酸钙越少，保留在水中的碳酸氢钙越多，水中的钙离子（Ca2+）浓度就越高。

2.2.1 静态阻垢法

静态阻垢法以Ca2+稳定浓度的大小作为评定阻垢性能优劣的标准。水温控制为恒温80℃，实验时间10 h，检测加热前后水中Ca2+浓度。在相同的实验条件下，投加阻垢剂后的Ca2+浓度稳定后的数值越大，则说明该阻垢剂的性能越好。静态阻垢法测试结果如表4所示。

从表4可以看出，在系统不排污的情况下，1#～6#药剂均具有明显的阻垢效果，阻垢率在60.93%～94.25%范围。其中1#和6#药剂阻垢效果最佳，投加后水中的Ca2+浓度明显高于其他药剂，阻垢率达到90%以上，说明1#和6#药剂的阻垢性能较其余药剂更加适宜于循环水系统。

表4 静态阻垢法测试结果

2.2.2 鼓泡法

鼓泡法模拟了冷却水在换热器中受热和在冷却塔中曝气两个过程，相当于动态模拟过程，相较于静态阻垢法，其具有更高的可靠性。采用鼓泡快速测定法对优选出来的1#和6#药剂进行进一步阻垢效果验证［4，6］。 根据《水处理阻垢性能的测定方法 鼓泡法》（HG/T 2024-2009）内容进行实验，水温控制在（60±1）℃，按 80 L/h鼓入空气，实验 6 h后检测Ca2+浓度。系统鼓泡法测试结果如表5所示。

表5 系统鼓泡法测试结果

从表5可以看出，1#和6#药剂的阻垢率与静态阻垢法实验结果基本一致，均达到90%以上。其中6#药剂处理的水样中Ca2+浓度最高，阻垢率为94.28%，相比1#药剂的阻垢效果更优。

2.3 缓蚀性能测试

根据阻垢实验的结果，选取阻垢效果较好的1#和6#药剂进行15天的静态挂片腐蚀实验，考察不同药剂及其投加浓度对I型A3碳钢和铜质挂片的腐蚀效果。水质采用现场循环用水，使用碳钢和铜质挂片各1片，药剂投加浓度分别设置为40 mg/L、65 mg/L、90 mg/L。 循环水缓蚀实验结果如表6所示。

表6 循环水缓蚀实验结果

从表6可以看出，随着投加浓度的提高，两种药剂对挂片的腐蚀速度降低。其中，6#药剂对碳钢和铜片的腐蚀速度要低于1#药剂，即6#药剂的缓蚀性能要优于1#药剂；且从经济角度出发，投加浓度设置为65 mg/L为宜。

3 缓蚀阻垢剂应用试验

3.1 试验方案

根据循环水缓蚀阻垢实验结果，选择6#配方进行现场应用试验，跟踪记录实际阻垢和缓蚀效果［7］。实验持续31天，在冷却池对角线两端放置A3、铜质和不锈钢Ⅰ型挂片各2片。药剂量按补充水量计，浓度按65 mg/L控制，进行连续投加；杀生剂每间隔一周进行冲击性投加。

3.2 阻垢试验结果

现场循环水监测数据如表7所示。从表7可以看出，循环水pH值略微偏高，但仍基本处于6～9的要求范围，浊度出现波动（与现场系统运行波动有关），电导率＜2 000 μs/cm。总硬度稳定，维持在20 mg/L以下，经检测，其中钙硬度＜6.0 mg/L，结垢趋势控制良好。虽然总碱度偏高，但仍满足＜400 mg/L的指标要求，且由于能与其结合的Ca2+含量低（钙硬度＜6 mg/L），因此投加药剂后结垢趋势可以得到有效抑制。由于循环系统无直接排污口，水中总磷出现富集，含量较高。结合现场实际水质来看，较高的总磷含量对管道的缓蚀控制是有利的。药剂中的有机膦可以与管道表面金属形成沉积型保护膜，隔绝水与管道的接触，从而控制管道腐蚀。经检测，循环水中由有机磷分解的无机磷含量仅为1.158 7 mg/L，占总磷含量的11%，说明6#药剂对现场高温、高pH值条件具有较强的适应性和稳定性，同时形成磷酸钙垢的可能性很小。为保证杀菌灭藻效果，投加的非氧化性杀菌剂含氯，所以循环水中Cl-含量较试验前有所升高，但控制在200 mg/L以内，且满足《工业循环冷却水处理设计规范》（GB 50050-2007）中Cl-浓度 ≤1 000 mg/L的要求，对水质影响不大。

另一方面，从循环水R.S.I的变化来看，试验开始前循环水系统R.S.I为5.03，趋于结垢；试验开始后，循环水R.S.I逐步下降，最后在6.2～6.6范围内波动，说明试验投加的药剂对系统水质控制稳定，基本处于不腐蚀不结垢的状态。

表7 现场循环水监测数据

3.3 缓蚀试验结果

腐蚀速率测算结果如表8所示。

表8 腐蚀速率测算结果

从现场挂片的情况来看，悬挂了24天的挂片表面均无生物黏泥附着和结垢情况出现，这与上述水质指标分析结果一致，说明试验药剂的阻垢、杀菌效果明显。在试验中，不锈钢和铜质挂片没有明显变化，仅碳钢挂片有轻微腐蚀，说明Cl-含量对系统无明显影响，与上文分析一致。虽然在现场试验过程中存在各种影响因素，但总体来说，6#药剂的缓蚀阻垢性能在冶炼炉循环系统中发挥了明显的作用，水质结垢倾向得到控制，各类挂片的腐蚀速率均低于国家标准GB 50050-2007要求。

综上所述，循环水的8项监测指标基本稳定，数据无明显波动，且均满足冶炼厂对循环水质的要求（见表2）。因此，6#药剂适应冶炼厂的循环水质，现场系统和投加情况均控制良好。

4 结论

针对攀钢钛冶炼厂循环水冷却系统的实际情况，选取5种缓蚀阻垢剂单体进行有机组合，形成6种配方药剂，通过实验优选出最佳配方药剂，并应用于现场试验，结果表明：

（1）6#药剂缓蚀阻垢效果最佳，其配方（质量分数）为 HEDP 20%、HPMA 5%、PAPE 5%和ZnCl24%，在实验室鼓泡法阻垢性能测试中，投加浓度控制为65 mg/L）（按补水量计）时，阻垢率达到94.28%，且对碳钢和铜质试片的腐蚀速率均满足国标要求。

（2）在现场应用试验中，循环水硬度＜20 mg/L，pH 在 6～9 范围内， 电导率＜ 2 000 μs/cm，Cl-浓度＜200 mg/L，总碱度＜400 mg/L，指标均满足运行要求；系统的R.S.I由5.03升高至6.2～6.6范围，循环水从结垢趋势调整为不腐蚀不结垢状态；现场挂片试验各材质试片腐蚀率均满足国标要求。试验期间系统运行正常，无异常反馈，6#药剂表现出良好的阻垢和缓蚀性能，能够满足现场生产要求。