工业循环水系统中结垢和腐蚀现象分析及控制方案
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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