无磷药剂在煤化工循环水系统中的开发应用

汪 磊

(上海洗霸科技股份有限公司，上海 200080)

据统计，在煤化工系统中循环冷却水用量占到整个工业用水的70%～80%[1]。随着国家环境保护要求的不断提高与可持续发展的要求，磷系药剂在循环水处理系统中所产生的环境问题日益突出[2]。无磷、低磷和可生物降解药剂的研发与应用将成为工业水处理领域中最主流的研究方向[3]。

某大型煤化工企业始建于2011年，2019年6月低建成投产，配套建有其中设计循环水量为58500 m3/h的循环水冷却水系统1套。为达到当地环保局和园区管委会对排污水总磷的要求，同时为减轻厂区污水处理系统的负荷，该套循环冷却水系统采用无磷缓蚀阻垢剂。

根据该套循环水系统的工艺状况及补水水质，通过静态阻垢实验、旋转挂片腐蚀实验、动态模拟实验，研发出适用该系统的无磷缓蚀阻垢剂组合配方为ZH615ECH和ZH141ECH(B)，结果表明该组合配方具有良好的阻垢缓蚀性能，排污水完全满足环保指标标准。ZH615ECH和ZH141ECH(B)属于无磷环保型药剂，适用于高浓缩倍数、中低碱度和硬度的水质条件，化学稳定性良好，具有良好的协同作用。

1 循环冷却水系统概况

该套循环冷却水系统主要参数如表1所示。

表1 循环冷却水系统主要参数

根据设计要求，该循环冷却水系统补充水为污水处理场深度处理单元RO产水以及生产水，在现场寄回水样进行分析的基础上，按照RO产水∶生产水=1∶2比例进行实验，补充水水质如表2所示。

表2 补充水水质

根据混合后的补充水水质，采用软件对其在不同浓缩倍率下的赖兹纳稳定指数(简称R.S.I)进行计算分析。结果表明，当RO产水∶生产水=1∶2比例补充后，补充水水质具有一定腐蚀倾向，当水质浓缩之后，腐蚀倾向减弱，但是结垢倾向增加，当浓缩倍率达到5倍时，结垢倾向愈发明显。

2 实 验

2.1 用水与药剂

取某大型煤化工企业的现场循环冷却水补充水作为实验水样，按照一定比例混合经精密过滤后进行水质分析，水质数据见表2。实验药剂为无磷缓释阻垢剂ZH615ECH和ZH141ECH(B)，两种药剂均为自配。ZH615ECH主要由羧酸-磺酸-非离子三元共聚物、水解聚马来酸酐(HPMA)、锌盐、水溶性惰性荧光示踪剂、水等组成。ZH141ECH(B)主要由聚环氧琥珀酸(PESA)、聚天冬氨酸(PASP)、苯并三氮唑(BTA)、水等组成。

2.2 水质分析方法

对于实验过程中的水质分析，主要有pH，电导率、总溶解性固体、钙硬度、碱度、铁离子、氯离子、硫酸根等。分析方法参照中国石油化工总公司《冷却水分析和实验方法》[3]。

2.3 实验方法

静态阻垢实验参照《GB/T 16632-2008 水处理剂阻垢性能的测定 碳酸钙沉积法》[4]，在现场取回的混合补充水样中分别投加不同浓度的无磷缓释阻垢剂ZH615ECH和ZH141ECH(B)，水质经浓缩至5倍后在80 ℃条件下保持10 h。

旋转挂片腐蚀实验参照《GB/T 18175-2014 水处理剂缓蚀性能的测定 旋转挂片法》[5]，在现场取回的混合补充水样中分别投加不同浓度的无磷缓释阻垢剂ZH615ECH和ZH141ECH(B)，水质经浓缩至5倍后挂入已处理的实验挂片，开启XYZK-A型旋转挂片腐蚀仪，调节转速75 r/min，在45 ℃下实验运行72 h，同时做空白实验，挂片材质为A3碳钢，304不锈钢、H62黄铜。

动态模拟实验参照《HG/T 2160-2008冷却水动态模拟实验方法》[6]，试管材质为不锈钢和碳钢，尺寸均为Ф10×1×680 mm。实验条件：采用在现场取回的补充水样按照给定比例混合，WKMZ-Ⅱ型智能动态模拟实验装置，试管不预膜，连续运行14天，浓缩倍率5～6倍(以K+计)，进口温度为32 ℃，温差控制在10 ℃左右，蒸汽温度100±2 ℃，自然pH。

3 实验结果与分析

旋转挂片腐蚀实验在补充水质条件下，加入不同浓度的无磷药剂，按旋转挂片法测试腐蚀速率。其缓蚀性能实验结果见表3。

表3 缓蚀性能实验结果

由实验结果可知，各种材质的挂片腐蚀速率随药剂浓度的提高而降低。根据实验状况，当加药浓度各在35～40 mg/L时，碳钢挂片的腐蚀速率虽小于0.06 mm/a，但挂片表面稍有轻微的腐蚀痕迹；当加药浓度各超过40 mg/L时，碳钢挂片表面光亮无绣。综上，当药剂浓度达到40 mg/L，碳钢、不锈钢、黄铜腐蚀率分别小于0.075 mm/a，0.005 mm/a，0.005 mm/a，满足《工业循环冷却水处理设计规范》(GB 50050-2007)的技术要求。

在缓蚀实验基础上，在浓缩至5倍浓缩倍率后，进行静态阻垢实验，结果见表4。

表4 阻垢性能实验结果

从表3和表4可以看出，无磷缓释阻垢剂ZH615ECH和ZH141ECH(B)在实验条件下具有良好的阻垢缓蚀效果。

根据静态实验结果，在一定条件下，荧光示踪控制值设置ZH615ECH药剂浓度40～50 mg/L，ZH615ECH与ZH141ECH(B)按照1∶1比例进行投加，试管不预膜，连续运行14天。动态模拟实验结果见表5所示。

表5 动态模拟实验结果

动态模拟实验结果表明，碳钢试管腐蚀率为0.0303 mm/a，黄铜试管腐蚀率为0.0017 mm/a，不锈钢试管腐蚀率为0.0010 mm/a，试管粘附速度为3.68 mg/cm2·月，均达到《工业循环冷却水处理设计规范》(GB/T 50050-2017)的技术要求，可在现场实际应用。

4 在大型煤化工循环冷却水系统中的应用

5 结 论

(1)根据某大型煤化工循环冷却水系统概况，研发出无磷缓蚀阻垢剂ZH615ECH和ZH141ECH(B)。通过静态及动态模拟实验结果表明，当投加浓度分别达到40 mg/L时，碳钢腐蚀速率≤0.04 mm/a，试管粘附速度≤4 mg/cm2·月，阻垢率≥85%，阻垢缓蚀性能良好；

(2)在现场实际应用结果表明，无磷缓释阻垢剂ZH615ECH和ZH141ECH(B)按照1∶1比例投加，当投加浓度达到40 mg/L时，在平均浓缩倍率(以K+计)≥5.0条件下，各项考核指标均达到《工业循环冷却水处理设计规范》(GB/T 50050-2017)的技术要求，说明该无磷药剂在该项目应用的可行性；