工业循环水系统中结垢和腐蚀现象分析及控制方案

工业循环水系统中结垢和腐蚀现象分析

及控制方案

摘要：工业水处理是使用化学和物理方法去除水中杂质的过程。电石生产的

特点是很复杂的过程，生产环节与水密不可分。电石炉是将电能转化为热能的设备,这就决定了它时刻处在高温环境状态下运行。为了保证电石炉长周期安全运行,对设备各系统进行冷却必不可少。循环冷却水的再利用尤其可以提高用水过

程的效率，循环水的再利用将产生盐分积聚的问题，这些问题会污染并损坏热交

换器，降低传热效率并增加设备成本和安全隐患。

关键词：工业循环水系统；结垢；腐蚀

前言

工业循环水系统中传热面上的结垢现象一直被人们关注，有效降低管线中的

结垢速率，实现持续的稳产高产，已成为电石生产领域研究的热点之一。为保持

油藏压力，提高采收率。为了节约水资源,多数企业目前采用循环冷却水代替普

通工业用水，冷却水在对设备降温的同时，其自身温度也在不断上升，有时在夏

季设备冷却水出口温度高达60℃以上，这样的工作温度极易形成水垢粘接在设备

内壁，从而造成设备换热效果差，而且水垢还会局部脱落、堆积阻塞管路和阀门，导致水流阻力增加，设备壁厚被腐蚀减薄，另一方面会造成垢下腐蚀，甚至穿孔，必须每隔一段时间对结垢严重的管段进行酸洗或停产维修，增加了管线维护费用，严重影响了电石的正常生产和经济效益。

1产生结垢的原因

1.1硬垢

天然水中溶解有各种盐类物质，有重碳酸盐、硫酸盐、氯化物、硅酸盐等。

其中溶解的重碳酸盐为最多，也最不稳定，容易分解成碳酸盐。在使用重碳酸盐

含量较多的水作为冷却水时，当通过换热器传热面时会受热分解。当循环水经过冷却塔冷却时，溶解在水中的CO

2

会逸出，水的PH会升高。重碳酸盐在碱性条件

下会发生以下反应。Ca(HCO3)

2+2OH－=CaCO

3

↓+2H

2

O+CO

2

－3当水中溶解有氯化钙

时，还会产生置换反应。CaCl

2+CO

2

－3=CaCO

3

↓+2Cl－当水中溶解有磷酸盐时，磷

酸根和钙离子还会生成磷酸钙。3Ca

2++2PO

3

－4=Ca

3

(PO

4

)

2

↓当循环水在冷却蒸发过

程中，水分不断蒸发而浓缩，浓缩倍数提高，原来溶解于水中的盐类浓度会不断

增加，当其浓度超过同等条件下的饱和溶解度时就会出现结晶析出，形成水垢。

上述一系列反应中生成的碳酸钙和磷酸钙均属于微溶性盐类，在20℃时，碳酸钙

的溶解度为20mg/L，而磷酸钙的溶解度只有0.1mg/L。

1.2软垢

软垢一般是由颗粒细小的泥沙、不溶性盐类的泥状物、杂物碎屑、腐蚀产物、油污、菌藻类尸体及粘性分泌物等组成。当这样的水质流经管道及换热器时，容

易形成沉积物，特别是流速较慢时沉积会更多。在运行中，软垢和硬垢一样会影

响换热器的传热效率。这种软垢体积较大，质地松软且粘附不紧，容易清洗，有

时只需要用水冲洗就可去除。然而软垢是引起垢下腐蚀的主要原因，也是有些厌

氧菌生存和繁殖的温床。

2防止结垢的控制措施循

(1)控制水垢析出的常用方法有:(1)通过离子交换或者石灰软化法从冷却水

中除去成垢的钙、镁等离子。(2)加酸或者通入CO

2

气体，适当降低pH值，稳定

重碳酸盐。(3)投加阻垢剂。通过离子交换和石灰软化的方法可以很好的除去水

中的成垢离子，但需要投入更多的设备和人工，经济成本较大。加酸带入的H+，

可使CO

2

－3形成HCO－3，使重碳酸盐稳定。但加酸后，循环水的pH值会下降，由

于分析、调节PH的滞后等原因，如果控制不当，加酸过量会加速设备的腐蚀。

通入CO

2气体的方法也可稳定重碳酸盐，但是，在冷却水经过冷却塔时CO

2

气体会

从水中逸出，容易析出结垢，堵塞冷却塔中的填料空隙。投加阻垢剂是目前循环水控垢措施中最常用、最经济，且行之有效的方法。碳酸钙等水垢析出的过程就是盐类从溶液里结晶沉淀的过程。按照结晶动力学观点，结晶的过程首先要生成

晶核，形成微晶粒，微晶粒在溶液里由于布朗运动的不断碰撞，使小晶粒结成大晶体沉淀析出并附着成垢层。投加阻垢剂能使晶体畸变，破坏晶体的生长，使其不能长大沉淀。循环水中常用的阻垢剂有:聚磷酸盐、有机多元膦酸、有机磷酸酯、聚丙烯酸、丙烯酸共聚物等。软垢主要由泥沙、杂物碎屑、菌藻类尸体及分泌物、腐蚀产物等构成。可通过降低补水悬浮物、增加旁滤系统、投加分散剂等方法控制。

3产生腐蚀的原因

工业循环水系统中大多数换热器和输送管道是由碳钢制造的，我们以碳钢金属作为代表讨论。在冷却水系统中碳钢用盐酸、硫酸、硝酸等无机酸进行化学清洗时，如果没有添加适当的缓蚀剂，碳钢会发生明显的均匀腐蚀。在加酸调节pH 值的冷却水系统中，如果加酸过量，冷却水PH降的过低时也会发生明显的均匀腐蚀。在循环水系统运行中，保持一个微碱性水环境能有效防止碳钢表面的均匀腐蚀，一般循环水pH值维持在7.5～9.0之间是一个合理的范围。在制造和使用过程中，碳钢的金属表面并不是十分均匀的。在与冷却水接触时会形成许多微小的腐蚀电池(微电池)。其中活泼的部位形成阳极，腐蚀学上把它称为阳极区。而不活泼的部位形成阴极，腐蚀学上称为阴极区。在阳极区，碳钢氧化生成Fe2+进入水中，并在碳钢的金属基体上留下两个电子。同时，水中的溶解氧在阴极区接受从阳极区流过来的两个电子，还原为OH－。这两个电极反应可表示为:在阳极区

Fe→Fe2++2e在阴极区12O

2+H

2

O+2e→2OH－当亚铁离子和氢氧根离子在水中相遇时就

会生成Fe(OH)

2

沉淀。

4防止腐蚀的控制方法

循环水中控制腐蚀的方法主要有四种:投加缓蚀剂、提高循环水pH值、选用耐腐蚀材料、涂抹防腐涂料。在开式冷却水系统中，只要投加少量的缓蚀剂就能有效的降低碳钢的腐蚀速率，而且也不需要增加附加设备，因此使用缓蚀剂是循环水系统中最常用的控腐方法。缓蚀剂的用量很少，它不能改变金属在介质中的腐蚀倾向，只能减缓金属的腐蚀速率。缓蚀剂根据所抑制电极部位的不同，可分为阳极型缓蚀剂、阴极型缓蚀剂、混合型缓蚀剂。根据生成保护膜的类型又可分为沉淀膜型缓蚀剂、氧化膜型缓蚀剂、吸附膜型缓蚀剂。常用的缓蚀剂有:磷酸