汪敏

（中石化安慶分公司檢驗(yàn)計(jì)量中心，安徽安慶 246001）

在工業(yè)用水中冷卻水約占70%～80%，節(jié)約冷卻水是工業(yè)節(jié)水的關(guān)鍵，循環(huán)用水和再生水回用則是節(jié)約冷卻水的最有效措施，一方面可以節(jié)約大量新鮮水，實(shí)現(xiàn)水資源的回收利用；另一方面可減少?gòu)U水排放量，并在一定程度上降低循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

中石化安慶分公司將經(jīng)過(guò)“二級(jí)生化處理+過(guò)濾+消毒”的再生水作為循環(huán)水的補(bǔ)充水，回用到腈綸部一套循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，替代部分新鮮水，取得了較好的節(jié)水效果。

腈綸部一套循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)循環(huán)水量為16 000 m3/h，系統(tǒng)中熱交換設(shè)備的材質(zhì)主要是碳鋼、不銹鋼和銅，多數(shù)熱交換設(shè)備為列管式換熱器，少數(shù)熱交換設(shè)備為夾套式換熱器。由于系統(tǒng)中存在多種材質(zhì)和類型的換熱器以及再生水替代部分新鮮水回用到系統(tǒng)中，給循環(huán)冷卻水水質(zhì)處理帶來(lái)了一定難度。因此，我們結(jié)合實(shí)際的水質(zhì)性質(zhì)和工況條件，對(duì)NJ-213C藥劑進(jìn)行了靜態(tài)阻垢試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，把該藥劑用于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中。經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)行表明，該藥劑達(dá)到了緩蝕阻垢的效果，起到了節(jié)水作用，為裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行創(chuàng)造了條件。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

1.1.1 NJ-213C阻垢緩蝕劑的性能

NJ-213C阻垢緩蝕劑是以有機(jī)膦酸、有機(jī)膦羧酸、阻垢分散劑、銅緩蝕劑和鋅鹽為主要成分的水處理藥劑，對(duì)水中碳酸鈣垢有很好的螯合、分散作用，對(duì)碳鋼、不銹鋼和銅等具有良好的緩蝕效果。產(chǎn)品指標(biāo)如表1所示。

表1 NJ-213C阻垢緩蝕劑的產(chǎn)品指標(biāo)

1.1.2 試驗(yàn)用材

試片材質(zhì)：20#碳鋼、1Cr18Ni9Ti不銹鋼、H62銅。

試片規(guī)格：I型（50±0.1×25±0.1×2±0.1 mm,Ф4±0.1 mm）。

試管材質(zhì)：碳鋼管為外側(cè)鍍鉻的20#優(yōu)質(zhì)碳素鋼，不銹鋼管為1Cr18Ni9Ti。

試管規(guī)格：Ф19×2×1 100 mm（用于動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)）；Ф19×2×1 250 mm（用于現(xiàn)場(chǎng)管程監(jiān)測(cè)）。

1.1.3 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水為70%的生產(chǎn)補(bǔ)充水和30%的回用污水（即再生水），水質(zhì)如表2所示。

根據(jù)表2試驗(yàn)用水水質(zhì)數(shù)據(jù)計(jì)算出飽和指數(shù)和穩(wěn)定指數(shù)[1]結(jié)果，如表3所示。

1.2 試驗(yàn)裝置

SYW79型電熱鼓風(fēng)干燥箱（山東申儀電子科技有限公司）；RCC-I型旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗(yàn)儀（江蘇省高郵市儀器廠）；WKMZ-Ⅱ型智能動(dòng)態(tài)模擬裝置（江蘇省高郵市新郵儀器廠）；JHQ-Ⅱ型現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)換熱器（江蘇省高郵市新郵儀器廠）。

表2 試驗(yàn)用水水質(zhì)數(shù)據(jù)

表3 飽和指數(shù)和穩(wěn)定指數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法和分析方法

采用中石化總公司“冷卻水分析和試驗(yàn)方法”[2]。

1.4 靜態(tài)阻垢試驗(yàn)

在2 000 mL燒杯中加入試驗(yàn)用水1 750 mL，分別加入不同量的藥劑，在約50℃的恒溫水浴箱中蒸發(fā)濃縮至500 mL，將試液移至500 mL容量瓶中，放入恒溫烘箱中，在80℃的條件下，恒溫10 h，冷卻后，吸取上層澄清液分析測(cè)定Ca2+質(zhì)量濃度，并按以下公式計(jì)算阻垢率，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

式中：C0－理論Ca2+質(zhì)量濃度，即原水Ca2+質(zhì)量濃度乘以濃縮倍數(shù)（mg/L）；C1－加阻垢劑的試液試驗(yàn)后的Ca2+質(zhì)量濃度（mg/L）；C2－不加阻垢劑的試液試驗(yàn)后的Ca2+質(zhì)量濃度（mg/L）。

表4 靜態(tài)阻垢試驗(yàn)結(jié)果

1.5 旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗(yàn)

1.5.1 預(yù)膜條件

預(yù)膜劑（Betz 807）：800 mg/L,Ca2+濃度 ＞50 mg/L，溫度：室溫 ，時(shí)間：24 h ，pH：6±0.5 。

1.5.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)用水：將70%生產(chǎn)補(bǔ)充水和30%再生水混合的試驗(yàn)用水分別加入不同量的藥劑，在50℃左右的恒溫水浴箱中蒸發(fā)濃縮至3.5倍。

試驗(yàn)溫度：（50±1）℃，旋轉(zhuǎn)線速度：0.35 m/s，試驗(yàn)時(shí)間：72 h。

1.5.3 試驗(yàn)操作和結(jié)果

按上述試驗(yàn)條件，把處理后的試片裝在RCC-I型旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗(yàn)儀上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，取下試片進(jìn)行處理，并按以下公式計(jì)算平均腐蝕速度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

式中：ΔW－試件的腐蝕失重（g）;A－試件的面積（cm2）;t－ 試驗(yàn)時(shí)間（h）;ρ－ 試件材料的密度（g/cm3）；8.76×104—單位間的換算系數(shù)。

式中：A1—不加阻垢劑的試液試驗(yàn)后的試件平均腐蝕速度；A2—加阻垢劑的試液試驗(yàn)后的試件平均腐蝕速度。

表5 旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

1.6 動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)

1.6.1 試驗(yàn)條件

預(yù)膜條件同1.5.1，熱介質(zhì)為100℃的飽和蒸汽，試管內(nèi)水流速度1.0 m/s，循環(huán)水入口溫度（32±1）℃，時(shí)間336h,1#裝置和2#裝置的濃縮倍數(shù)（以K+計(jì)）：（3.5±0.5）mg/L；1#裝置的總磷質(zhì)量濃度（以 PO43-計(jì)）：（3.0±0.5）mg/L；2#裝置的總磷質(zhì)量濃度（以 PO43-計(jì)）：（4.0±0.5）mg/L。

1.6.2 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水為70%生產(chǎn)補(bǔ)充水和30%再生水混合的試驗(yàn)用水，運(yùn)行水質(zhì)控制如表6。

表6 運(yùn)行水質(zhì)控制（取14天的平均值）

1.6.3 計(jì)算公式和試驗(yàn)結(jié)果

平均腐蝕速度同式（2）。

粘附速度（m.c.m）如式（4）。

式中：W1－帶有粘附物的試管質(zhì)量（g）；W2－除去粘附物后的試管質(zhì)量（g）；A－試管的內(nèi)表面積（cm2）；t－試驗(yàn)時(shí)間（h）；7.2×105—單位間的換算系數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)結(jié)果

1.7 試驗(yàn)結(jié)論

（1）從靜態(tài)阻垢試驗(yàn)和旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果可看出，該藥劑在濃度60mg/L時(shí)，阻垢率和緩蝕率均達(dá)到了90%以上，試片的平均腐蝕速度達(dá)到中石化集團(tuán)公司“很好”級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）從動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)的結(jié)果可看出，該藥劑在總磷質(zhì)量濃度（以PO43-計(jì)）（3.0±0.5）mg/L時(shí)，試片的平均腐蝕速度和試管的粘附速度達(dá)到中石化集團(tuán)公司“很好”級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；試管的平均腐蝕速度、污垢熱阻達(dá)到中石化集團(tuán)公司“好”級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。該藥劑在總磷質(zhì)量濃度（以PO43-計(jì)）（4.0±0.5）mg/L時(shí)，試片的平均腐蝕速度和試管的平均腐蝕速度、粘附速度達(dá)到中石化集團(tuán)公司“很好”級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；試管的污垢熱阻達(dá)到中石化集團(tuán)公司“好”級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 日常運(yùn)行控制

循環(huán)冷卻水日常運(yùn)行中，主要控制指標(biāo)：總磷質(zhì)量濃度（以PO43-計(jì)）（3.5±0.5）mg/L，異養(yǎng)菌總數(shù)≤1×105個(gè)/mL，濁度≤20 mg/L，濃縮倍數(shù)3.5±0.5，余氯0.5～1.0 mg/L。水質(zhì)日常監(jiān)測(cè)分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。

表8 水質(zhì)日常監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及分析頻次

2.2 腐蝕監(jiān)測(cè)

在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行期間，按中石化工業(yè)水管理制度的要求，采用掛片法和監(jiān)測(cè)換熱器法進(jìn)行每月一次的腐蝕、結(jié)垢監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表9。從表9可看出掛片和試管的腐蝕率及試管的粘附速度均達(dá)到該管理制度要求的標(biāo)準(zhǔn)。

從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)掛片、試管的腐蝕率和粘附速度均達(dá)到中石化工業(yè)水管理制度要求的標(biāo)準(zhǔn)表明，腐蝕率和粘附速度在投加NJ-213C阻垢緩蝕劑后都得到有效控制，該藥劑具有良好的阻垢緩蝕性能，保證了裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

表9 現(xiàn)場(chǎng)腐蝕、結(jié)垢監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

2.3 濃縮倍數(shù)（N）與補(bǔ)充水量（M）和循環(huán)水量（R）的關(guān)系[1]

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，冷卻水的管路損失為零，濃縮倍數(shù)（N）與補(bǔ)充水量（M）和循環(huán)水量（R）有如下關(guān)系：

式中：E—蒸發(fā)損失水量（m3/h）；k—溫度系數(shù)（℃-1）；△t—冷卻塔進(jìn)出水的溫度差（℃）；R—循環(huán)水量（m3/h）；M—補(bǔ)充水量（m3/h）；B—排污損失水量（m3/h）；D—風(fēng)吹損失水量（m3/h）；N—濃縮倍數(shù)。

取 k=0.001 3℃-1；R=16 000.0 m3/h；Δt=10.0℃；冷卻塔風(fēng)吹損失按0.1%計(jì)。當(dāng)濃縮倍數(shù)N=2時(shí)，蒸發(fā)損失水量、補(bǔ)充水量、排污損失水量計(jì)算如下：

蒸發(fā)損失水量：

補(bǔ)充水量：

風(fēng)吹損失水量：

排污損失水量:

其余不同濃縮倍數(shù)的計(jì)算同上，計(jì)算具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表10。

表10 N與M和R的關(guān)系

從表10可看出，當(dāng)濃縮倍數(shù)提高到3.5倍時(shí)，M/R值降到1.82，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的情況可看出，在濃縮倍數(shù)控制在3.5±0.5的條件下，采用該配方，不僅具有良好的阻垢緩蝕效果，保證裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行，而且起到了節(jié)約水資源的作用。

3 結(jié)論

（1）試驗(yàn)結(jié)果表明，該藥劑具有良好的阻垢緩蝕性能，試片的平均腐蝕速度達(dá)到中石化集團(tuán)公司“很好”級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；試管的平均腐蝕速度、粘附速度和污垢熱阻均達(dá)到中石化集團(tuán)公司“好”級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）現(xiàn)場(chǎng)的腐蝕監(jiān)測(cè)表明，掛片和試管的腐蝕率及試管的粘附速度均達(dá)到中石化工業(yè)水管理制度要求的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）經(jīng)過(guò)一年多的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，該藥劑具有良好的阻垢緩蝕效果，起到了阻垢緩蝕、節(jié)約水資源的作用，保證了裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。□