低磷复配缓蚀阻垢剂在循环冷却水中的研究与应用

张柏鸿，王坤鹏，李俊峰，李红，陈奇，陈丽鹏

（1.鞍钢贝克吉利尼水处理有限公司，辽宁　鞍山　114000；2.鞍钢股份有限公司，辽宁　鞍山　114000）

低磷复配缓蚀阻垢剂在循环冷却水中的研究与应用

张柏鸿1，2，王坤鹏1，李俊峰1，李红1，陈奇1，陈丽鹏1

（1.鞍钢贝克吉利尼水处理有限公司，辽宁鞍山114000；2.鞍钢股份有限公司，辽宁鞍山114000）

以咪唑啉季铵盐、膦羧酸共聚物、丙烯酸-丙烯酸酯-磺酸盐共聚物、锌盐为主要成分复配低磷缓蚀阻垢剂，采用旋转挂片腐蚀试验、静态阻垢试验、动态模拟试验评价其缓蚀性能和阻垢性能。试验结果表明，上述4种成分按2.0∶1.0∶1.5∶1.0的质量比复配成低磷缓蚀阻垢剂，该药剂投加量为30mg/L时，其缓蚀率和阻垢率分别为95.85%和91.62%。将该低磷缓蚀阻垢剂现场应用于鲅鱼圈钢铁燃气蒸汽联合循环发电机组（CCPP）的净环水处理系统，也取得良好的使用效果。

低磷；缓蚀；阻垢；低硬度

鞍钢股份鲅鱼圈钢铁分公司现有29套循环冷却水系统，原采用的是有机磷水处理剂。随着环保要求的提高，有机磷水处理剂无法满足GB 13456—2012《钢铁工业水污染物排放标准》对循环冷却水系统排污水中磷浓度的要求。为了达到循环冷却水排污水磷浓度排放限值的要求，确保循环冷却水系统安全稳定运行，本研究以咪唑啉季铵盐、膦羧酸共聚物、丙烯酸-丙烯酸酯-磺酸盐共聚物、锌盐为主要成分［1］，复配低磷缓蚀阻垢药剂，采用旋转挂片腐蚀试验、静态阻垢试验、动态模拟试验评价该低磷缓蚀阻垢药剂的缓蚀性能和阻垢性能，并现场进行工程应用性验证。

1　试验部分

1.1水质条件

试验用水取自鲅鱼圈钢铁燃气蒸汽联合循环发电机组（CCPP）的净环水处理系统，该系统保有水量为1.8万m3，循环冷却水量为1.2万m3，其换热设备材质为碳钢、不锈钢等。近年来鲅鱼圈钢铁CCPP净环水处理系统概况见表1。

根据表1水质数据，水温在45℃时，经计算可以得出稳定指数（R.S.I）和结垢指数（P.S.I）分别为7.13、8.16［2］，从R.S.I和P.S.I指数结果判断该水质倾向于以腐蚀为主，结垢为辅的水质。

表1　鲅鱼圈钢铁CCPP净环水处理系统补充水水质和系统水质Tab.1　Make-up water and system water qua1ity of net ring water treatment system of Bayuquan iron and stee1 CCPP

1.2试验仪器与试剂

试验仪器［3］：RCC-Ⅱ型旋转挂片腐蚀试验仪、恒温水浴锅、动态模拟试验装置、电磁搅拌器等。

主要试剂：咪唑啉季铵盐、膦羧酸共聚物（POCA）、丙烯酸-丙烯酸酯-磺酸盐共聚物、氯化锌。

1.3试验方法

1.3.1缓蚀性能评价

依据GB/T 18175—2014《水处理剂缓蚀阻垢性能的测定 旋转挂片法》进行缓蚀性能评定［4］，试验用水按浓缩5倍补充水水质，水温为（45±1）℃；采用A3碳钢片，旋转速度为80 r/min，试验时间为72 h，试验后测A3碳钢片失重，计算腐蚀率。

1.3.2静态阻垢性能评价

依据GB/T 16632—2008《水处理剂阻垢性能的测定 碳酸钙沉积法》进行阻垢性能评定［5］，试验用水按国标要求配制，水温加热至（80±1）℃，试验时间为10 h，检测试验前、后水样中Ca2+浓度的变化，计算水处理剂的阻垢性能。

1.3.3动态模拟试验

为了更好的评价低磷缓蚀阻垢剂在实际循环冷却水系统的使用效果，对选定的药剂进行动态模拟试验，测试其模拟现场实际水质下的缓蚀阻垢性能，依据HG/T 2160—2008《冷却水动态模拟试验方法》进行缓蚀阻垢效果评定。试验用水为工业新水补充水，具体参数如下：冷却水进水温度为30℃，冷却水出水温度为40℃，常压饱和蒸汽温度为100℃，试管尺寸为DN 19 mm×2 mm无缝碳钢、不锈钢金属单管，冷却水流量为1.2 m/s，投加新型低磷缓蚀阻垢剂30mg/L，浓缩倍数为4.5～5.5，试验时间为360 h。

2　结果与讨论

2.1缓蚀性能评价

将咪唑啉季铵盐、膦羧酸共聚物、丙烯酸-丙烯酸酯-磺酸盐共聚物、氯化锌按不同的质量比进行复配：配方1中其质量比为1.8∶1.2∶1.3∶1.1，配方2中其质量比为2.0∶1.0∶1.5∶1.0，配方3中其质量比为2.3∶0.8∶1.7∶0.8，按30mg/L的投加量加入待测水样中，旋转挂片试验结果见表2。

表2　缓蚀试验结果Tab.2　Experimenta1 resu1ts of corrosion mitigation test

由表2可以看出，各组配方都表现出很好的缓蚀效果，其中配方2的缓蚀效果最佳，达到95.85%，在5倍浓缩下碳钢挂片腐蚀速率依然满足GB 50050—2007《工业循环冷却水处理设计规范》［6］的要求，水中总磷符合GB13456—2012中工业排放水的ρ（总磷）≤1.0mg/L的要求［7］。

2.2阻垢性能评价

在静态阻垢试验中，配方1、配方2、配方3均按30mg/L的投加量分别加入到配制水中，试验结果见表3。

表3　阻垢试验结果Tab.3　Resu1ts of sca1e inhibition test

由表3可以看出，在Ca2+质量浓度为240.48mg/L下，各组配方阻垢率都在85%以上，配方2更是达到91.62%，阻垢性能更加突出。

2.3动态模拟试验结果

通过缓蚀性能和阻垢性能对比可知，配方2的质量配比更加合理，缓蚀和阻垢效果更加突出，因此选择配方2做动态模拟试验。配方2投加量为30mg/L，pH值控制在8.5，浓缩倍数为4.5～5.5，动态模拟试验结果见表4。

表4　动态模拟试验结果Tab.4　Resu1ts of dynamic simu1ation test

由表4可以看出，碳钢腐蚀速率、不锈钢腐蚀速率及年污垢热阻均符合GB 50050—2007的要求，水中总磷符合GB 13456—2012中的ρ（总磷）≤1.0mg/L的要求。动态试验结果表明，该低磷缓蚀阻垢剂配方完全能够代替磷系缓蚀阻垢剂并应用在实际循环冷却水系统中。

2.4缓蚀阻垢机理分析

咪唑啉季铵盐、膦羧酸共聚物、丙烯酸-丙烯酸酯-磺酸盐共聚物3种组分之间有良好的协同增效作用，其中咪唑啉季铵盐［8］作为主剂之一，其优良的缓蚀效果是多种因素协调作用的结果：①当金属与酸性介质接触时，该缓蚀剂可以在金属表面形成单分子膜；②由于该缓蚀剂中的咪唑啉的N原子经过季铵化后成为阳离子大分子，很容易被表面带负电荷的金属表面活性点吸附，对氢离子放电有很大的抑制作用，从而有效地抑制了阴极反应；③季铵盐大分子有很大的覆盖作用。咪唑啉的缓蚀效果随咪唑环中电子密度的增加而增加，若向咪唑啉分子引入非极性基团，不仅可通过诱导效应改变中心原子的吸附能力，而且还可以增大它的疏水效应，有利于形成吸附膜，提高缓蚀性能。膦羧酸共聚物具有优异的阻碳酸钙垢性能［9］，将丙烯酸-丙烯酸酯-磺酸盐共聚物与之复配，能够促进金属表面形成单分子膜，使其形成严密、均匀保护膜。

3　现场应用

鲅鱼圈钢铁CCPP净环水处理系统由原来的有机磷缓蚀阻垢剂更换为低磷缓蚀阻垢剂，运行1个月后，碳钢挂片腐蚀速率为0.019 3 mm/a，每天检测循环冷却水总磷的质量浓度，均不超过1.0mg/ L，系统冷却器无碳酸盐垢沉积，取得很好的应用效果，保证了循环冷却水系统安全稳定的运行。该低磷缓蚀阻垢剂在鲅鱼圈钢铁CCPP净环水处理系统的成功应用，为鲅鱼圈钢铁分公司其它28套循环冷却水系统改用低磷药剂打下了良好的基础。

4　结论

（1）将咪唑啉季铵盐、膦羧酸共聚物、丙烯酸-丙烯酸酯-磺酸盐共聚物、氯化锌按2.0∶1.0∶1.5∶1.0的质量比复配成低磷缓蚀阻垢剂。该药剂在投加量为30mg/L时，旋转挂片和静态阻垢试验结果表明，缓蚀率和阻垢率分别为95.85%和91.62%。其动态模拟试验结果也表明碳钢腐蚀速率、不锈钢腐蚀速率及年污垢热阻均符合GB 50050—2007的要求。

（2）现场应用结果表明，该低磷缓蚀阻垢剂效果稳定，能够保证系统不结垢、不腐蚀，处理效果优异。

（3）该水质稳定剂配方是低磷环保型，使用剂量低，满足GB 13456—2012中工业排放水ρ（总磷）≤1.0mg/L的要求。

［1］严莲荷.水处理药剂及配方手册［M］.北京：中国石化出版社，2004.

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［4］全国化学标准化技术委员会水处理剂分技术委员会.水处理剂缓蚀性能的测定 旋转挂片法：GB/T 18175—2000［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［5］全国化学标准化技术委员会水处理分会.水处理剂阻垢性能的测定 碳酸钙沉积法：GB/T 16632—2008［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［6］中国工程建设标准化协会化工分会.工业循环冷却水处理设计规范：GB 50050—2007［S］.北京：中国计划出版社，2008.

［7］环境保护部科技标准司.钢铁工业水污染物排放标准：GB 13456—2012［S］.北京：中国环境科学出版社，2012.

［8］刘明华.水处理化学品［M］.北京：化学工业出版社，2009.

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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

张柏鸿（1974-），男，辽宁鞍山人，工程师，工学学士，主要从事工业水处理相关的设备、工艺、药剂研发等技术工作，（电子信箱）zbh@angangbkg.com；责任作者：王坤鹏（1985-），男，辽宁鞍山人，助理工程师，工学学士，主要从事工业水处理药剂研发等技术工作，（电子信箱）kunpeng.wang@angangbkg.com。

2016-04-12（修回稿）