制氧循环水系统专用缓蚀阻垢剂的研发与应用

龙顺红 陈佩兰 梁峻瑜 杜松燕

第一作者：龙顺红

收稿日期：2024-03-11

摘 要：针对气体企业循环冷却水系统的特点，研制出一种制氧循环水系统专用的缓蚀阻垢剂，在系统pH控制在8.1以上时，该配方投加浓度在50 ppm以上具有显著的缓蚀和阻垢的效果，并通过在气体企业2号40 000 Nm3/h制氧机组开展应用，应用期间现场碳钢、黄铜、不锈钢挂片腐蚀率均远低限值要求，循环水系统中各项水质指标均达标，效果较优，可进一步推广。

关键词：气体企业；循环水；缓蚀阻垢剂；应用

DEVELOPMENT AND APPLICATION OF OXYGEN NET RING WATER SYSTEM SPECIAL CORROSION SCALE INHIBITOR

Long Shunhong    Chen Peilan    Liang Junyu    Du Songyan

（Guangxi Liugang Environmental Protection Co.， Ltd.    Liuzhou    545002，China）

Abstract：According to the characteristics of gas company circulating cooling water system， developed a oxygen net ring water system special corrosion scale inhibitor， in the system pH control above 8.1， the formula add concentration above 50 ppm has significant effect of corrosion and scale resistance， and through in steel gas company 2# 40000 Nm3/h unit application， during the application of carbon steel， brass， stainless steel hanging corrosion rate are far low limit requirements， the water quality indexes in circulating water system standard， the effect is better， can be further promoted.

Key words：gas company; circulating water; corrosion inhibitor and scale inhibitor; application

0    引    言

我国作为发展中国家，经济正在快速发展，工业和城市化进程不断加快，为了能够让经济发展的同时将水资源的污染情况得到控制。相关部门针对水污染进行了低温阻垢缓蚀技术在制氧工业水污染系统当中的实际应用，让我国工业合理用水，减少水污染，与此同时在工业排放污染水资源时做好污染的处理，充分运用低温阻垢缓蚀技术能够保证水处理系统设备的正常运行，还能够提升水资源的使用效率，从而去提高废水资源的回收使用效率，让我国工业水资源处于良性的发展循环当中，这样能够让资源的使用效率有所提升[1]。制氧循环冷却水系统分为常温冷却水系统和氮水预冷系统。常温冷却水是设备间接冷却水，不与产品或物料直接接触，使用后只是水温升高，在得到降温处理后循环使用。氮水预冷系统主要使用常温冷却水和由水冷塔、冷冻机产生的低温水，该低温冷却端的温度在5～

8 ℃。循环冷却水随着浓缩倍数的升高，空压机冷却器、冷冻机蒸发器冷冻水侧等设备容易会出现结垢现象。低温垢的形成，会使循环冷却水系统中压力增加，甚至使冷冻机部分和空冷塔局部堵死，造成全线停车[2]。制氧循环冷却水系统作为制氧生产的重要组成部分，其水量、水压、水质对制氧生产产生重要的影响，是实现制氧高产、稳定的重要因素。所以，考虑到制氧系统生产工艺和环境，缓蚀阻垢剂的性能要兼顾低温下的阻垢性能。因此，针对制氧系统的特殊，开展该系统的专用缓蚀阻垢剂的研发。

1    设计与研发

制氧循环水系统不同于常规的循环水系统，有其特殊性。因为有氮气预冷系统，经过水冷塔冷却后的水温将近8 ℃，再进入冷冻机后的水温低至4～5 ℃，导致到达氮气预冷系统的循环水運行于低温状态。低温下，与钙镁离子形成的螯合物在低温端溶解度降低析出，附着在设备表面；而像碳酸钙之类的钙盐却因为温度升高而溶解度增大，随着循环水系统的不断浓缩，溶液中存在的离子越来越多，环境的微小变化会导致钙垢的析出，特别是存在结晶中心时，更容易析出，这类垢称为低温垢。因此，抑制水垢形成，特别是低温5～8 ℃水垢的沉积，以保证空分设备安全、稳定、高效、长周期运行。因此，本文以有机磷药剂、新型的含有磺酸盐的多元聚电解质阻垢分散剂为主的复配型缓蚀阻垢剂，对水中的氧化铁、磷酸钙、磷酸锌以及碳酸钙的沉积，具有优良的抑制作用及分散螯合作用，在较低温和高温的情况下均起到良好的阻垢和缓蚀效果。本文对制氧厂进行系统研究，通过静态和动态试验进行筛选、研发出适用于气体厂循环冷却水系统的专用缓蚀阻垢剂配方，并通过进行独立系统的工业应用试验，取得良好的效果，值得推广应用。

2    应用试验

2.1    应用试验方案

为考察制氧专用缓蚀阻垢剂的效果，通过静态和动态试验论证药剂的使用效果，通过调节药剂投加浓度、温度、pH三个因子，筛选出药剂发挥缓蚀效果最佳条件。试验设计思路，首先通过不同药剂浓度及水体中不同pH的影响，初步筛选出具有缓蚀作用的缓蚀阻垢剂；为进一步巩固缓蚀阻垢剂的缓蚀性能，再次通过使用不同时间段的补水进行验证，最后在药剂浓度固定情况下，比较低温条件下从4 ℃开始，每提升2 ℃作为一个观察温度，直至10 ℃，考察低温缓蚀阻垢剂剂在4～10 ℃低温条件下的阻垢性能。在完成缓蚀性能及低温阻垢性能的静态试验后，通过在循环水系统开展工业应用试验。

为了客观科学地评价自研的新型低温缓蚀阻垢剂，对其开展了的缓蚀性能和阻垢性能研究。主要的试验设计方案如图1所示。

图1    技术路线

2.1.1    制氧系统专用缓蚀阻垢剂缓蚀性能的研究

由于本配方未含有对不锈钢腐蚀的成分，不锈钢材质的换热器在现场应用中基本不容易被腐蚀，因此静态试验主要以碳钢、黄铜挂片为主。

1）不同投加浓度对缓蚀性能的影响。

由于投加濃度的多少会影响药剂性能的发挥，因此研究不同投加浓度下，考察制氧专用缓蚀阻垢剂的缓蚀性能。设置缓蚀阻垢剂投加浓度为30、40、50、60和70 ppm，通过使用旋转挂片仪开展静态试验，考察不同浓度条件下对碳钢、黄铜挂片的缓蚀性能研究。

2）不同pH对缓蚀性能的影响。

为了探究系统pH值对制氧专用缓蚀阻垢剂的药剂性能发挥的影响，并选出适用于循环水系统的pH值，在调pH值至7.9、8.1、8.4和 8.6等四个pH梯度下，通过使用旋转挂片仪开展静态试验，考察在50 ppm的药剂浓度下，水系统不同pH的条件下对碳钢、黄铜挂片的缓蚀性能研究。

3）不同时间段补水条件对缓蚀性能的影响。

循环水系统经过不断运行、蒸发，水量有所减少，为了维持系统的水量平衡，需要补充水，因此研究补水水质对药剂的缓蚀性能具有重要意义。本文研究某年6月8 日～ 某年6月10 日期间的补水对制氧专用缓蚀阻垢剂的性能影响。

2.1.2    阻垢性能的研究

在优选出缓蚀性能较优的制氧专用缓蚀阻垢剂的前提下，研究不同温度对阻垢性能的影响，制氧循环水系统低温端的温度一般为5～8 ℃，最低为4-℃左右，因此有必要探究其在不同低温情况下的阻垢能力。在药剂浓度固定情况下，比较低温条件下从4 ℃开始，每提升2 ℃作为一个观察温度，直至10 ℃，考察低温缓蚀剂在4～10 ℃温度区间内水样中水垢析出情况。

2.2    试验设备与器材

2.2.1    缓蚀性能试验

1）设备：分析天平，旋转挂片仪，pH计，磁力搅拌器。

2）器材：碳钢挂片，表面积28 cm2，密度

7.85 g/cm3；黄铜挂片，表面积28 cm2，密度

8.95 g/cm3 ；2 L烧杯、移液管、容量瓶等相关器皿。

2.2.2    阻垢性能试验

1）设备：数显恒温水浴锅，低温恒温槽。

2）器材：250 mL锥形瓶、500 mL锥形瓶、250 mL容量瓶、500 mL容量瓶和移液管等相关器皿。

2.3    试验条件

2.3.1    缓蚀性能试验

温度：50 ℃；转速：70 r/min；悬挂时间：72 h；试验介质：制氧系统补水（水质见表1）；试验用水量：2 L。

2.3.2    阻垢性能试验

试验介质：配制水。配置方法：在500 mL锥形瓶中加入400 mL纯水，用滴定管加入氯化钙溶液，使钙离子的量约为120 mg，按要求加入水处理药剂试样溶液，然后加入20 mL硼砂缓冲溶液，摇匀。用滴定管加入一定体积的碳酸氢钠标准溶液（边加边摇动），使碳酸氢根离子的量为

366 mg，用水稀释至刻度，摇匀。空白除不加水处理剂试样外，其他步骤一样。温度：5～10 ℃；时间：10～15 h。

3    试验结果与讨论

3.1    缓蚀性能试验结果

1）不同投加浓度，相同pH条件下，考察新型低温缓蚀阻垢剂碳钢和黄铜挂片的缓蚀性能，系统中碳钢和黄铜挂片缓蚀率如图2所示。

图2    不同投加浓度条下碳钢、黄铜挂片的缓蚀率比对

系统在相同pH的前提下，随着药剂浓度的增加，缓蚀效果也逐渐提高。当药剂投加浓度为

20 ppm时，对碳钢和黄铜具有较好的缓蚀效果，缓蚀率分别为94.23%和84.62%；当药剂投加浓度为50 ppm时，对碳钢的缓蚀率为98.82%，对黄铜缓蚀率为88.46%。当药剂投加浓度达到70 ppm时，对碳钢挂片和黄铜挂片起到较好的缓蚀效果，对碳钢的缓蚀率高达99.25%，对黄铜的缓蚀率可达99.31%。当药剂浓度超过50 ppm，缓蚀性能提升效果缓慢，在保证缓蚀效果的前提下，结合药剂成本，优选50 ppm为新型低温缓蚀阻垢剂的投加浓度。

图3    不同pH条件下碳钢、黄铜挂片的缓蚀率比对

2）相同药剂浓度，不同pH条件下，低温缓蚀阻垢剂缓蚀性能试验结果见图3所示。

在药剂投加浓度50 ppm的前提下，系统中pH在7.9～8.6时，对碳钢挂片和黄铜挂片均起到较好的缓蚀效果。当pH为7.9时，对碳钢和黄铜的缓蚀率分别为94.48%和80.77；然后随着pH值升高，缓蚀率呈现逐渐增大的趋势。当pH为8.1时，对碳钢和黄铜的缓蚀率分别为99.12%和88.64%；当pH继续增大，对碳钢和黄铜挂片缓蚀性能提升缓慢，趋向于平稳。因此，当系统水质pH达到8.1以上时，新型低温缓蚀阻垢剂的缓蚀效果最佳。

3）在相同药剂浓度50 ppm和pH为8.1的条件下，对不同时间段的补水开展缓蚀性能重复性试验，考察药剂效果的重现性，试验结果如图4所示。

某年6月9日补水条件下碳钢挂片腐蚀率最高，为0.014 6 mm/a，此腐蚀率已经远小于

0.075 mm/a的标准要求。黄铜挂片腐蚀率波动不大，均小于0.005 mm/a的标准要求。上述表明药剂缓蚀效果重现性较好。

图4    不同时间段补水条件下碳钢、黄铜挂片的腐蚀率

比对

3.2    阻垢性能试验结果

在药剂浓度相同的情況下，考察不同低温（4～10 ℃）条件下的阻垢性能，阻垢性能结果见图5所示。

图5    不同温度条件下阻垢性能试验的阻垢率比对

在药剂投加浓度50 ppm的前提下，开展4～

10 ℃低温阻垢性能试验，试验结果显示：试验后水样均无明显垢样析出，阻垢率高达97.29%，低温阻垢性能较优异。

3.3    工业应用情况

1）开展工业应用试验。

某年11月在气体企业2号40 000 Nm3/h制氧机组净环水系统开展工业应用试验，分两期分别悬挂了碳钢、黄铜、不锈钢三种挂片，挂片的悬挂周期分别382、360 h，挂片悬挂期间无停机情况，现场挂片的效果如图6所示。

a                                                       b

a-第一期现场挂片效果；b-第二期现场挂片效果

图6    工业应用试验现场挂片的效果示意

图7    工业应用的挂片腐蚀情况

结果表示，三种挂片表面都呈现光亮的状态，均无明显腐蚀现象。分析制氧专用缓蚀阻垢剂在工业应用的挂片腐蚀情况（图7），数据表明第一期碳钢腐蚀率趋近第二期，两期碳钢挂片腐蚀率最高值为0.007 4 mm/a，满足小于0.075 mm/a的标准要求，黄铜挂片腐蚀率最高为0.001 9 mm/a，不锈钢挂片腐蚀率最高为0.000 3 mm/a，均满足小于

0.005 mm/a的标准要求，说明制氧专用缓蚀阻垢剂在工业应用具有良好的缓蚀阻垢效果。

2）中试期间通过监控系统水质运行数据。

从表2可知，11月份气体企业2号40 000 Nm3/h制氧机组各项水质项目合理控制在指标范围内。各项内控指标均达到规定的要求。

4    结    论

1）通过不断对自研制氧专用缓蚀阻垢剂配方进行试验、调试，在系统中pH达到8.1以上时，使用该自研的制氧专用缓蚀阻垢剂在投加浓度为50 ppm时，实验室试验的碳钢和铜挂片的缓蚀性能均能达到较优水平。在投加浓度为50 ppm情况下，自研的制氧专用缓蚀阻垢剂在4～10 ℃之间具有优异的低温阻垢性能，阻垢率高达97.29%，低温阻垢性能也较为优异。

2）制氧专用缓蚀阻垢剂应用到气体企业循环冷却水中的2号40 000 Nm3/h制氧机组水系统，在系统不停机的情况下，通过悬挂挂片表明，试验的碳钢、黄铜、不锈钢挂片腐蚀率均达到标准要求（碳钢挂片腐蚀率≤0.075 mm/a，黄铜、不锈钢挂片腐蚀率≤0.005 mm/a）。

3）制氧专用缓蚀阻垢剂在气体厂净环水系统的应用，具有减缓设备和管道的局部腐蚀和阻止结垢，节约设备维护成本，进而可以使换热效果提升，达到节能降碳作用。

参考文献

[1]    狄鹏.低温阻垢缓蚀技术在制氧工业水处理系统中的应用[J].山东工业技术，2019（4）：63-65.

[2]    王庆生，李靖，赵爱民，等.制氧过程循环冷却水系统中低温结垢的研究[J].工业水处理，2006，26（5）：47-49，84.