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(guò)旋轉(zhuǎn)掛片實(shí)驗(yàn)和靜態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)，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(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)中，年污垢熱阻可達(dá)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(hào)：TQ 051 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)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(yùn)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(guó)環(huán)境保護(hù)政策加強(qiáng)、國(guó)民安全意識(shí)的提高，磷系水處理劑逐漸引起人們的擔(dān)憂，因此，采用低磷或無(wú)磷的緩蝕阻垢劑已成為當(dāng)今研究的重點(diǎn)[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)?？萍脊煞萦邢薰咀韫竸〩Z1601進(jìn)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(shí)驗(yàn)，對(duì)復(fù)合低磷緩蝕阻垢劑配方進(jìn)行篩選；其次，采用靜態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)和旋轉(zhuǎn)掛片緩蝕實(shí)驗(yàn)，對(duì)優(yōu)選配方的緩蝕性能和阻垢性能進(jìn)行評(píng)定；最后，通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)選配方的應(yīng)用效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料：阻垢劑HZ1601（威海翔宇環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆⒈┧崤c2-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(yàn)儀、HH-8數(shù)顯恒溫水浴鍋、雙水路循環(huán)冷卻水動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)臺(tái)（威海翔宇環(huán)?？萍脊煞萦邢薰驹O(shè)計(jì)制造）。

1.2 實(shí)驗(yàn)用水

采用高硬度、高堿度循環(huán)水作為實(shí)驗(yàn)用水，實(shí)驗(yàn)用水取自濱州某化工廠，補(bǔ)充水為黃河水，具體水質(zhì)分析情況見(jiàn)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(shí)兼顧。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 正交實(shí)驗(yàn)

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(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)條件表如表2所示。

.3.2 緩蝕性能評(píng)價(jià)

采用“旋轉(zhuǎn)掛片實(shí)驗(yàn)”[6]對(duì)復(fù)合低磷緩蝕阻垢劑的緩蝕性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)用水為1.2中的循環(huán)水，采用RCC-型旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗(yàn)儀，采用A3碳鋼掛片-Ⅰ型（符合HG/T 3523的規(guī)定），實(shí)驗(yàn)溫度為（45±1.0）℃，實(shí)驗(yàn)周期為72h。

1.3.3 阻垢性能評(píng)價(jià)

采用“靜態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)”[7]對(duì)復(fù)合低磷緩蝕阻垢劑的阻垢性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，將投加阻垢劑和未投加阻垢劑的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)溫度為（80±1.0）℃。

1.3.4 動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)

為了進(jìn)一步模擬循環(huán)水現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)，采用“動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)”[8]對(duì)復(fù)合低磷緩蝕阻垢劑的應(yīng)用效果進(jìn)行模擬驗(yàn)證，試驗(yàn)用水為自來(lái)水（黃河水），采用雙水路循環(huán)冷卻水動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)臺(tái)，采用A3碳鋼掛片-Ⅱ型，表面積為20.64 cm2，采用外表鍍鉻無(wú)縫不銹鋼管，規(guī)格為D10 mm×1 mm×570 mm，進(jìn)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(yàn)時(shí)間為360 h。

2 實(shí)驗(yàn)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(guò)正交實(shí)驗(yàn)對(duì)阻垢劑HZ1601進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)選取了AA/AMPS、鋅鹽、磷酸鹽作為實(shí)驗(yàn)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(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，影響緩蝕性能的三個(gè)因素極差R大小排序?yàn)榱姿猁}>鋅鹽>AA/AMPS，磷酸鹽對(duì)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(gè)因素極差R大小排序?yàn)锳A/AMPS>磷酸鹽>鋅鹽，AA/AMPS對(duì)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(duì)上述兩種配方的緩蝕性能和阻垢性能進(jìn)行測(cè)定，實(shí)驗(yàn)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(cè)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(shí)，測(cè)定緩蝕率，分析加藥濃度對(duì)緩蝕性能的影響。實(shí)驗(yàn)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(cè)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(dāng)質(zhì)量濃度為40 mg/L時(shí)，緩蝕率為87.47%；質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，腐蝕率為0.048 mm/a、緩蝕率為96.18%，腐蝕率小于我國(guó)工業(yè)循環(huán)冷卻水處理行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定0.075 mm/a[9]；質(zhì)量濃度為60 mg/L時(shí)，緩蝕率為97.8%。這說(shuō)明藥劑質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，表現(xiàn)出良好的緩蝕效果，藥劑質(zhì)量濃度大于50 mg/L時(shí)，緩蝕率增加不顯著。

2.3 HZ1601-1的阻垢性能測(cè)定

在溫度為（80±1.0）℃的條件下，測(cè)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(dāng)質(zhì)量濃度為40 mg/L時(shí)，阻垢率為90.89%；質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，阻垢率為93.55%；質(zhì)量濃度為60 mg/L時(shí)，阻垢率為90.08%。這說(shuō)明藥劑質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，表現(xiàn)出良好的阻垢效果，藥劑質(zhì)量濃度大于50 mg/L時(shí)，緩蝕率增加不顯著。

2.4 動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)

采用威海翔宇科技雙水路循環(huán)冷卻水動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)臺(tái)，在3倍濃縮條件下，HZ1601-1質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，測(cè)定HZ1601-1的緩蝕性能和阻垢性能，緩蝕試驗(yàn)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(dá)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(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果（0.048 mm/a），試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)，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(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）以黃河水為補(bǔ)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(yùn)行。

（3）同無(wú)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(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)滿足環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

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