低電導(dǎo)率循環(huán)水的腐蝕控制研究和應(yīng)用

鄭 燦，田民格，孟曉剛，王守振

（欣格瑞（山東）環(huán)境科技有限公司，山東濟(jì)寧 272000）

1 概述

在間冷開(kāi)式循環(huán)冷卻水的運(yùn)行過(guò)程中，隨著循環(huán)水的不斷蒸發(fā)，循環(huán)水的濃縮倍數(shù)不斷提高，總硬度、總堿度、pH等指標(biāo)會(huì)不斷提高。碳酸鈣、碳酸鎂隨著溫度的升高，溶解度急速降低，析出附著在換熱設(shè)備表面，導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低，影響生產(chǎn)效率。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高精密設(shè)備不斷更新?lián)Q代，對(duì)循環(huán)水的水質(zhì)要求也越來(lái)越嚴(yán)格。在生產(chǎn)過(guò)程中，有些換熱設(shè)備物料側(cè)溫度高達(dá)上百攝氏度，循環(huán)水中的硬度、堿度等指標(biāo)按照傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)控制已無(wú)法滿(mǎn)足一些現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)需要。部分冷卻重要設(shè)備的小型間冷開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)就會(huì)以一級(jí)RO 產(chǎn)水、低電導(dǎo)率水源、軟化水等作為補(bǔ)水，使該循環(huán)水系統(tǒng)中的水質(zhì)指標(biāo)始終保持在較低的狀態(tài)，避免污垢在精密或極端條件的生產(chǎn)設(shè)備表面析出，影響設(shè)備的換熱效果。

在實(shí)際運(yùn)行中，此類(lèi)補(bǔ)水不會(huì)析出碳酸鹽垢，但是其腐蝕傾向遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)地表水、地下水、自來(lái)水等水源，會(huì)造成系統(tǒng)中設(shè)備的腐蝕，增加系統(tǒng)泄漏風(fēng)險(xiǎn)，腐蝕產(chǎn)物會(huì)沉積在設(shè)備表面，降低設(shè)備的換熱效率。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，應(yīng)用在以除鹽水為補(bǔ)水的間冷閉式循環(huán)水系統(tǒng)中的鉬系緩蝕劑，在上述系統(tǒng)中的實(shí)際緩蝕效果較差，間冷開(kāi)式循環(huán)水中的常規(guī)磷系緩蝕劑也無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果。

分析某鋼廠制氧循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程，在間冷開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中使用不同堿度調(diào)節(jié)劑的情況下，統(tǒng)計(jì)碳鋼、銅試片的腐蝕情況，篩選合適的投加方案，使循環(huán)水系統(tǒng)中的堿度、pH 能夠始終保持在穩(wěn)定的狀態(tài)，達(dá)到大幅度降低腐蝕速率的目的，以保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 系統(tǒng)情況分析

某鋼廠的循環(huán)水補(bǔ)水為經(jīng)過(guò)少量氨水調(diào)節(jié)后的一級(jí)RO 產(chǎn)水，因輸水管道材質(zhì)為碳鋼，且輸水管道較長(zhǎng)，補(bǔ)水中存在一定量的鐵離子，為腐蝕型水質(zhì)。補(bǔ)水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 補(bǔ)水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)

循環(huán)水系統(tǒng)日常使用的緩蝕劑成分中復(fù)配有NaOH，它的作用是提高循環(huán)冷卻水中的pH 和堿度，降低循環(huán)水的腐蝕傾向。但在實(shí)際使用過(guò)程中，無(wú)法起到穩(wěn)定pH的作用，緩蝕效果較差。

間冷開(kāi)式循環(huán)水在運(yùn)行過(guò)程中，需要通過(guò)涼水塔的噴淋作用使循環(huán)水與空氣充分接觸換熱，降低循環(huán)水的溫度。大氣中含有一定量的CO2，在噴淋過(guò)程中，CO2部分溶于循環(huán)冷卻水，與循環(huán)冷卻水中的OH-發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致循環(huán)水的堿度和pH 值降低，增加了循環(huán)水的腐蝕傾向，使循環(huán)水中的Fe2+、Fe3+含量提高。Fe2+、Fe3+的存在不僅會(huì)增加系統(tǒng)的腐蝕速率，也可以與水中的OH-和O2發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生含鐵的沉淀物，繼續(xù)降低循環(huán)水系統(tǒng)中的堿度［1］。

某鋼鐵廠制氧循環(huán)水系統(tǒng)中碳鋼試片的腐蝕速率遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（0.075 mm∕a），銅試片的表面整體脫色，由原本的黃色變?yōu)樽睾谏＃?］銅試片的腐蝕形態(tài)為均勻腐蝕，腐蝕較為嚴(yán)重。上述情況不僅會(huì)導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物在換熱設(shè)備中沉積，影響設(shè)備的換熱效率，而且會(huì)造成換熱設(shè)備的泄漏，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使設(shè)備報(bào)廢。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程

3.1 項(xiàng)目介紹

本次試驗(yàn)對(duì)象為某鋼廠制氧車(chē)間的間冷開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)，系統(tǒng)的具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 間冷開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)參數(shù)

該循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)充水水源為一級(jí)RO 產(chǎn)水，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)較低，為腐蝕型水質(zhì)。為了降低循環(huán)水的腐蝕傾向，需要提高循環(huán)水的堿度和pH，并在運(yùn)行過(guò)程中保持其在較為穩(wěn)定的狀態(tài)。本次實(shí)施內(nèi)容為在系統(tǒng)中投加固定濃度的常規(guī)磷系緩蝕劑，先后投加工業(yè)用NaOH 和SGR 堿度調(diào)節(jié)劑，對(duì)比循環(huán)水堿度、pH、總鐵的波動(dòng)情況以及系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)試片的腐蝕速率，來(lái)跟蹤系統(tǒng)的腐蝕情況。

3.2 實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)

為了盡快讓循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，以循環(huán)水系統(tǒng)的水質(zhì)數(shù)據(jù)為依據(jù)，不斷調(diào)整實(shí)施方案和藥劑的投加量，實(shí)際運(yùn)行水質(zhì)分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 部分現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行水質(zhì)分析數(shù)據(jù)

表3 中每日沖擊投加SGR 堿度調(diào)節(jié)劑后第7 天至14天，為了避免堿度過(guò)高導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)結(jié)垢傾向和調(diào)節(jié)劑的浪費(fèi)，根據(jù)每日排污水量和當(dāng)日水質(zhì)分析數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整SGR堿度調(diào)節(jié)劑的投加量。

3.3 數(shù)據(jù)分析

因現(xiàn)場(chǎng)條件有限，循環(huán)水系統(tǒng)中只能沖擊投加固體SGR 堿度調(diào)節(jié)劑和NaOH。初步方案是以NaOH 作為堿度調(diào)節(jié)劑，但是在運(yùn)行3 日后，堿度、pH均無(wú)法得到有效提升，因此改為使用SGR堿度調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)堿度和pH。

3.3.1 pH、堿度

由表3 可以看出，在循環(huán)水系統(tǒng)中沖擊投加NaOH 后，短時(shí)間內(nèi)pH、堿度迅速提高。經(jīng)過(guò)1天的運(yùn)行，OH-在冷卻塔噴淋的過(guò)程中迅速被消耗，pH由9.26 降低至7.12，堿度由1.7 mmol∕L 降低至0.63 mmol∕L，基本回到了投加NaOH 之前的狀態(tài)。采用此方法不能保持堿度、pH的穩(wěn)定。

SGR堿度調(diào)節(jié)劑中含有CO32-、HCO3-，沖擊投加SGR堿度調(diào)節(jié)劑后，會(huì)穩(wěn)定且緩慢地釋放CO32-、HCO3-。實(shí)際運(yùn)行中循環(huán)水的pH穩(wěn)定在8.5左右，所以釋放出的CO32-、HCO3-基本上以HCO?-的離子形式存在于循環(huán)水中。［1］

在一般循環(huán)水系統(tǒng)中堿度的成分是CO32-、HCO3-和OH-，其中以CO32-、HCO3-為主，OH-含量較低。NaOH 為強(qiáng)電解質(zhì)，溶于水后，能夠直接電離出Na+和OH-，OH-直接提高水的pH，但是極易與水中Fe2+、Fe3+、H+發(fā)生反應(yīng)，NaOH 與前兩者反應(yīng)生成膠體和沉淀，與后者反應(yīng)生成水，都會(huì)導(dǎo)致堿度的降低。

SGR 堿度調(diào)節(jié)劑為弱電解質(zhì)，其堿性較弱，電離出的OH-較少，也很難與水中的離子發(fā)生劇烈反應(yīng)，不會(huì)造成循環(huán)水pH 的急劇升高，使系統(tǒng)得以穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3.2 濁度

在未投加堿性物質(zhì)之前，循環(huán)水的pH 較低，OH-含量較少。水中的Fe2+、Fe3+以離子形式存在，不會(huì)導(dǎo)致沉淀的析出，水質(zhì)得以澄清透明。

在投加NaOH 后，水中OH-含量急劇增加，F(xiàn)e2+、Fe3+與OH-發(fā)生反應(yīng)，生成Fe(OH)?膠體和Fe(OH)?沉淀，水質(zhì)由澄清透明變?yōu)辄S色。由于總鐵始終沒(méi)有降低，在每次投加NaOH 時(shí)，循環(huán)水都會(huì)在短時(shí)間內(nèi)從澄清透明變渾濁，濁度迅速升高。

實(shí)際投加SGR 堿度調(diào)節(jié)劑時(shí)，因?yàn)榉磻?yīng)較為溫和，所以在投加后初期循環(huán)水的顏色變化并不明顯，但經(jīng)過(guò)幾個(gè)小時(shí)之后，循環(huán)水也會(huì)變成渾濁的狀態(tài)。長(zhǎng)期運(yùn)行之后，隨著循環(huán)水中總鐵含量的持續(xù)降低，循環(huán)水的顏色也能夠始終保持澄清透明的狀態(tài)。

3.3.3 總鐵

在方案實(shí)施之前，循環(huán)水系統(tǒng)中的總鐵含量較高，已超出國(guó)家控制標(biāo)準(zhǔn)。

在持續(xù)投加SGR 堿度調(diào)節(jié)劑和正常投加緩蝕劑的情況下，循環(huán)水系統(tǒng)中的總鐵含量呈下降趨勢(shì)。表3 中的數(shù)據(jù)表明，在運(yùn)行2 周后，循環(huán)水中的總鐵含量由2.16 mg∕l 降低至0.56 mg∕l，達(dá)到正常循環(huán)水系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，方案實(shí)施達(dá)到預(yù)期目的。

3.4 監(jiān)測(cè)試片情況

方案實(shí)施前后，循環(huán)水系統(tǒng)中均懸掛監(jiān)測(cè)試片用以檢測(cè)循環(huán)水系統(tǒng)的腐蝕速率，監(jiān)測(cè)試片腐蝕數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 監(jiān)測(cè)試片腐蝕數(shù)據(jù)

表4 中試片1034、3256 為未投加堿性物質(zhì)前的腐蝕速率；試片1027、3343 為投加SGR 堿度調(diào)節(jié)劑后的腐蝕速率，2 組試片的常規(guī)緩蝕劑投加濃度大體相同，2組試片的掛入時(shí)間均為1個(gè)月左右。

4 結(jié)論

4.1 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行總結(jié)

對(duì)比上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在緩蝕劑濃度相同的條件下，投加NaOH 和SGR 堿度調(diào)節(jié)劑對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)影響總結(jié)如下。

（1）投加NaOH 后，堿度短時(shí)間內(nèi)迅速提升，pH較高，反應(yīng)較為劇烈，但在運(yùn)行過(guò)程中存在大量消耗情況，pH 極易降低至7 左右，容易造成腐蝕情況，不適用于調(diào)節(jié)此類(lèi)循環(huán)水水質(zhì)。

（2）投加SGR堿度調(diào)節(jié)劑后，堿度、pH同樣得到有效提升，且HCO3-不容易與循環(huán)水中的其他成分發(fā)生劇烈反應(yīng)。在運(yùn)行過(guò)程中SGR 堿度調(diào)節(jié)劑的主要損失是系統(tǒng)正常排水，在堿度為2～3 mmol∕L 的前提下，實(shí)際運(yùn)行中循環(huán)水的pH 在8.3～8.5左右，不易發(fā)生較大波動(dòng)。在后續(xù)正常運(yùn)行中，僅需根據(jù)排污損失，少量補(bǔ)加SGR堿度調(diào)節(jié)劑即可。

4.2 相關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行建議

具體的SGR 堿度調(diào)節(jié)劑投加濃度應(yīng)根據(jù)補(bǔ)水水質(zhì)、水質(zhì)控制指標(biāo)、日常排污水量進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)本次實(shí)踐，在初次投加堿性物質(zhì)時(shí)，容易導(dǎo)致濁度劇烈升高，會(huì)產(chǎn)生不良后果，所以本文給出以下建議。

（1）在投加SGR 堿度調(diào)節(jié)劑之前，應(yīng)進(jìn)行大量排污置換，使循環(huán)水系統(tǒng)的總鐵含量降低至1 mg∕L以下。

（2）在初次投加SGR 堿度調(diào)節(jié)劑時(shí)，應(yīng)按照循環(huán)水系統(tǒng)的保有水量，以20 mg∕L 左右計(jì)算，少量多次投加SGR 堿度調(diào)節(jié)劑。應(yīng)增加循環(huán)水的化驗(yàn)頻率，避免出現(xiàn)濁度、堿度突然升高的情況，盡量保持循環(huán)水系統(tǒng)堿度的平穩(wěn)提升。

（3）循環(huán)水系統(tǒng)中總堿度＞2 mmol∕L 后，根據(jù)每日循環(huán)水堿度的化驗(yàn)指標(biāo)和排污水量，動(dòng)態(tài)調(diào)整SGR堿度調(diào)節(jié)劑投加量，控制總堿度在2～3 mmol∕L。

循環(huán)水能夠始終保持澄清透明之后，在保證每日水質(zhì)化驗(yàn)分析的前提下，關(guān)注系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)試片的腐蝕速率，如果腐蝕速率未達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，可少量提升循環(huán)水系統(tǒng)的總堿度或增加緩蝕劑的投加量，以保證現(xiàn)場(chǎng)的安全、穩(wěn)定生產(chǎn)。