低電導率循環(huán)水的腐蝕控制研究和應用

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，山東濟寧 272000）

1 概述

在間冷開式循環(huán)冷卻水的運行過程中，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等指標會不斷提高。碳酸鈣、碳酸鎂隨著溫度的升高，溶解度急速降低，析出附著在換熱設備表面，導致?lián)Q熱效率降低，影響生產(chǎn)效率。

隨著科學技術的發(fā)展，高精密設備不斷更新?lián)Q代，對循環(huán)水的水質要求也越來越嚴格。在生產(chǎn)過程中，有些換熱設備物料側溫度高達上百攝氏度，循環(huán)水中的硬度、堿度等指標按照傳統(tǒng)標準來控制已無法滿足一些現(xiàn)場的實際生產(chǎn)需要。部分冷卻重要設備的小型間冷開式循環(huán)水系統(tǒng)就會以一級RO 產(chǎn)水、低電導率水源、軟化水等作為補水，使該循環(huán)水系統(tǒng)中的水質指標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)設備表面析出，影響設備的換熱效果。

在實際運行中，此類補水不會析出碳酸鹽垢，但是其腐蝕傾向遠超過常規(guī)地表水、地下水、自來水等水源，會造成系統(tǒng)中設備的腐蝕，增加系統(tǒng)泄漏風險，腐蝕產(chǎn)物會沉積在設備表面，降低設備的換熱效率。經(jīng)過現(xiàn)場試驗，應用在以除鹽水為補水的間冷閉式循環(huán)水系統(tǒng)中的鉬系緩蝕劑，在上述系統(tǒng)中的實際緩蝕效果較差，間冷開式循環(huán)水中的常規(guī)磷系緩蝕劑也無法達到預期效果。

分析某鋼廠制氧循環(huán)水系統(tǒng)的運行過程，在間冷開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中使用不同堿度調節(jié)劑的情況下，統(tǒng)計碳鋼、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)定運行。

2 系統(tǒng)情況分析

某鋼廠的循環(huán)水補水為經(jīng)過少量氨水調節(jié)后的一級RO 產(chǎn)水，因輸水管道材質為碳鋼，且輸水管道較長，補水中存在一定量的鐵離子，為腐蝕型水質。補水水質分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 補水水質分析數(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。但在實際使用過程中，無法起到穩(wěn)定pH的作用，緩蝕效果較差。

間冷開式循環(huán)水在運行過程中，需要通過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，導致循環(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，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超過國家標準（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，腐蝕較為嚴重。上述情況不僅會導致腐蝕產(chǎn)物在換熱設備中沉積，影響設備的換熱效率，而且會造成換熱設備的泄漏，嚴重時會使設備報廢。

3 現(xiàn)場試驗過程

3.1 項目介紹

本次試驗對象為某鋼廠制氧車間的間冷開式循環(huán)水系統(tǒng)，系統(tǒng)的具體參數(shù)見表2。

表2 間冷開式循環(huán)水系統(tǒng)參數(shù)

該循環(huán)水系統(tǒng)補充水水源為一級RO 產(chǎn)水，各項水質指標較低，為腐蝕型水質。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，并在運行過程中保持其在較為穩(wěn)定的狀態(tài)。本次實施內容為在系統(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 堿度調節(jié)劑，對比循環(huán)水堿度、pH、總鐵的波動情況以及系統(tǒng)中監(jiān)測試片的腐蝕速率，來跟蹤系統(tǒng)的腐蝕情況。

3.2 實際運行數(shù)據(jù)

為了盡快讓循環(huán)水系統(tǒng)進入正常運行狀態(tài)，以循環(huán)水系統(tǒng)的水質數(shù)據(jù)為依據(jù)，不斷調整實施方案和藥劑的投加量，實際運行水質分析數(shù)據(jù)見表3。

表3 部分現(xiàn)場實際運行水質分析數(shù)據(jù)

表3 中每日沖擊投加SGR 堿度調節(jié)劑后第7 天至14天，為了避免堿度過高導致系統(tǒng)出現(xiàn)結垢傾向和調節(jié)劑的浪費，根據(jù)每日排污水量和當日水質分析數(shù)據(jù)，動態(tài)調整SGR堿度調節(jié)劑的投加量。

3.3 數(shù)據(jù)分析

因現(xiàn)場條件有限，循環(huán)水系統(tǒng)中只能沖擊投加固體SGR 堿度調節(jié)劑和NaOH。初步方案是以NaOH 作為堿度調節(jié)劑，但是在運行3 日后，堿度、pH均無法得到有效提升，因此改為使用SGR堿度調節(jié)劑調節(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，短時間內pH、堿度迅速提高。經(jīng)過1天的運行，OH-在冷卻塔噴淋的過程中迅速被消耗，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堿度調節(jié)劑中含有CO32-、HCO3-，沖擊投加SGR堿度調節(jié)劑后，會穩(wěn)定且緩慢地釋放CO32-、HCO3-。實際運行中循環(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 為強電解質，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，NaOH 與前兩者反應生成膠體和沉淀，與后者反應生成水，都會導致堿度的降低。

SGR 堿度調節(jié)劑為弱電解質，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，不會造成循環(huán)水pH 的急劇升高，使系統(tǒng)得以穩(wěn)定運行。

3.3.2 濁度

在未投加堿性物質之前，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，不會導致沉淀的析出，水質得以澄清透明。

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，生成Fe(OH)?膠體和Fe(OH)?沉淀，水質由澄清透明變?yōu)辄S色。由于總鐵始終沒有降低，在每次投加NaOH 時，循環(huán)水都會在短時間內從澄清透明變渾濁，濁度迅速升高。

實際投加SGR 堿度調節(jié)劑時，因為反應較為溫和，所以在投加后初期循環(huán)水的顏色變化并不明顯，但經(jīng)過幾個小時之后，循環(huán)水也會變成渾濁的狀態(tài)。長期運行之后，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

在方案實施之前，循環(huán)水系統(tǒng)中的總鐵含量較高，已超出國家控制標準。

在持續(xù)投加SGR 堿度調節(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。表3 中的數(shù)據(jù)表明，在運行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，達到正常循環(huán)水系統(tǒng)標準，方案實施達到預期目的。

3.4 監(jiān)測試片情況

方案實施前后，循環(huán)水系統(tǒng)中均懸掛監(jiān)測試片用以檢測循環(huán)水系統(tǒng)的腐蝕速率，監(jiān)測試片腐蝕數(shù)據(jù)見表4。

表4 監(jiān)測試片腐蝕數(shù)據(jù)

表4 中試片1034、3256 為未投加堿性物質前的腐蝕速率；試片1027、3343 為投加SGR 堿度調節(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組試片的掛入時間均為1個月左右。

4 結論

4.1 現(xiàn)場運行總結

對比上述試驗數(shù)據(jù)，在緩蝕劑濃度相同的條件下，投加NaOH 和SGR 堿度調節(jié)劑對系統(tǒng)的運行狀態(tài)影響總結如下。

（1）投加NaOH 后，堿度短時間內迅速提升，pH較高，反應較為劇烈，但在運行過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，不適用于調節(jié)此類循環(huán)水水質。

（2）投加SGR堿度調節(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。在運行過程中SGR 堿度調節(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，實際運行中循環(huán)水的pH 在8.3～8.5左右，不易發(fā)生較大波動。在后續(xù)正常運行中，僅需根據(jù)排污損失，少量補加SGR堿度調節(jié)劑即可。

4.2 相關系統(tǒng)運行建議

具體的SGR 堿度調節(jié)劑投加濃度應根據(jù)補水水質、水質控制指標、日常排污水量進行調節(jié)。根據(jù)本次實踐，在初次投加堿性物質時，容易導致濁度劇烈升高，會產(chǎn)生不良后果，所以本文給出以下建議。

（1）在投加SGR 堿度調節(jié)劑之前，應進行大量排污置換，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 堿度調節(jié)劑時，應按照循環(huán)水系統(tǒng)的保有水量，以20 mg∕L 左右計算，少量多次投加SGR 堿度調節(jié)劑。應增加循環(huán)水的化驗頻率，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)水堿度的化驗指標和排污水量，動態(tài)調整SGR堿度調節(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，在保證每日水質化驗分析的前提下，關注系統(tǒng)中監(jiān)測試片的腐蝕速率，如果腐蝕速率未達到國家標準，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)場的安全、穩(wěn)定生產(chǎn)。