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
盐、聚磷酸盐、有机膦酸类等。

磷酸盐是一种阳离子型缓蚀剂，在中性和碱性环境中，使溶解氧和碳钢反应，生成一层γ－Fe 2O 3氧化膜。

由于磷酸盐容易与水中
的钙离子生成溶度积很小的磷酸钙垢，因此在使用过程中需要加入如丙烯酸和丙烯酸羟丙酯的共聚物等来抑制磷酸钙垢的形成。

聚磷酸盐是常用且经济的缓蚀剂之一，最常使用的是三聚磷酸钠和六偏磷酸钠。

除了具有缓蚀作用外，还对冷却水中碳酸钙和硫酸钙起到阻垢作用。

聚磷酸盐在使用过程中会部分水解成正磷酸盐，生成溶度积很小的磷酸钙垢。

为了提高缓蚀效果，通常与锌盐、钼酸盐、有机膦酸盐等缓蚀剂联合使用。

常用的有机膦酸类缓蚀剂有ATMP 、HEDP 、PBTCA 、EDTMP 等。

它与聚磷酸盐有很多相似之处，不但对碳钢有缓蚀作用，且都有低浓度阻垢作用。

更重要的一个优点是有机膦酸不像聚磷酸盐那样容易水解成正磷酸盐，因此在循环水系统中，有机膦酸常作为一类缓蚀剂使用。

结束语
在生产用水中使用阻垢剂时，首先要做的是评估水的质量，选择合适的活性基团，最后选择合适的阻垢剂。

环保的抑制剂以及添加的盐抑制剂充斥着未来的指标，与防垢剂一起使用时，在保护环境的同时，还必须具有杀菌，防垢和防腐的功能，有关低成本，低成本环境抑制剂的更多研究可以满足社会发展的需求。

参考文献：
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