湛钢循环水系统化学清洗新型技术的应用

靳创杰

（宝钢湛江钢铁能源环保部，广东湛江 524001）

引言

化学清洗技术由于清洗速度快、效果好，且容易控制等优点，目前已被广泛应用于冶金、机械、石油、化工、热工动力、建材、军工等各类工业领域，并发展成为一门行业技术，其主要内容包括清洗和预膜。清洗是指用有机酸、有机分散剂等化学药剂，通过化学作用将附着在循环冷却设备和管道中的水垢、粘泥、油污、沉积物进行溶解、疏松和剥离，使设备表面清洁；预膜是指在清洗后向循环水系统中投加预膜剂，在活化的金属表面预上一层完整、耐腐蚀的保护膜[1]。清洗和预膜被称为循环冷却水化学处理的预处理，是循环水系统开车前的必要步骤，目的是使缓蚀阻垢剂的化学处理效果得以正常发挥[2]。

宝钢股份在循环水系统化学清洗时，一直沿袭着传统的开车清洗技术方案，即将脱脂、除锈和预膜分步实施，每个步骤完成后均需进行水体置换至满足下一道工序水质要求，清洗周期长、置换水量大，同时清洗废液COD 含量高达2 000 mg/L 以上。而根据湛江钢铁生产废水处理系统的工艺流程，清洗预膜过程中产生的置换排水进入全厂生产废水管网，最终汇至中央水处理厂集中处理，经混凝沉淀、气浮和过滤处理后回用为生产消防水。整个废水处理环节只有在混凝沉淀过程中可去除少部分COD，处理过程无生化处理设施。采用传统方案，经处理后的出水难以满足生产消防水中COD 含量低于50 mg/L 的回用要求，因此循环水系统开车清洗需采用相对环保的化学清洗技术。

1 化学清洗技术及工艺

1.1 传统化学清洗技术和工艺

传统的工业循环冷却水系统开车化学清洗主要依照《冷却水系统化学清洗、预膜处理技术规则》HG/T3778-2005 制定清洗方案，不同的功能的药剂需要在各自不同的水质体系中分别完成，其典型工艺流程见图1。传统的清洗工艺在现场应用过程中，仍然存在着一些问题和不足。脱脂和除油一般使用碱性物质（磷酸三钠、氢氧化钠、碳酸钠等），易与锈、垢反应，加速了污垢沉积和腐蚀，脱脂完成后必须进行水体置换，否则易与后续的酸洗药剂反应产生有毒有害气体，形成酸雾。酸洗采用盐酸、硝酸、硫酸或柠檬酸，对设备本体腐蚀性大，过程中需采用胺类缓蚀剂缓解设备腐蚀，COD 和氨氮含量高，环保性差。预膜钝化采用聚磷酸盐进行预膜或采用亚硝酸盐，对水质pH、浊度、总铁要求均较高，酸洗后必须进行水体置换，才能达到预膜、钝化的水质条件要求。因此，整个清洗过程中废水排放量大，且所有废液必须到废水处理厂进行集中处理，增加了废水处理成本。

图1 传统化学清洗技术工艺流程

1.2 新型化学清洗技术和工艺

本次开车化学清洗采用新技术，主要在药剂配方和清洗工艺上进行了改进。所有清洗药剂均采用新配方，现场操作更为简单，新技术将脱脂、酸洗、预膜钝化融合在同一个水质体系中完成，过程不需要进行水体置换。工艺流程见图2。

图2 新型化学清洗技术工艺流程

该技术的技术要点为：

1）工艺流程的简化主要基于药剂配方的改进，采用无磷烷基磺酸盐进行脱脂，在弱碱性条件下进行，脱脂除油效果好，而且在酸性条件下，烷基磺酸盐又是良好的缓蚀剂和浸润剂，所以不需要进行水体置换，可直接进入除锈工序，将水体中残有的脱脂剂作为缓蚀剂和浸润剂。

2）除锈采用有机羧酸聚合物为主要组分的复合化学清洗剂，清洗缓蚀剂采用碘盐，不含氨氮、COD 低，除锈效果与常用无机酸相当，但对金属本体侵蚀小。

3）预膜采用无磷有机复合型预膜剂，可在高浊度、高铁、较低pH 值（5～6.5）水质条件下进行，为了节水减排，预膜时也不需进行水体置换。

4）预膜结束后，进行水体置换，使循环水达到正常运行水质要求，废水排到废水处理系统中只需简单用碱（碳酸钠或氢氧化钠）调节pH到8～10,即可发生絮凝沉降反应，经絮凝沉降后的废水清液水质可达到国家综合排放一级标准。

与传统工艺相比，新技术优势明显，节水减排60%以上，具有流程短、环保等优点。

2 现场应用

2.1 实施方案

1）清洗前对水系统水质pH、浊度、总铁指标进行测定，要求浊度小于10 NTU，水质达不到清洗条件时，落实系统水质置换工作。

2）系统水质满足清洗条件后，投加脱脂药剂，脱脂过程约为2～3 h，期间记录pH、电导率、浊度和总铁水质数据。

3）投加缓蚀剂运行0.5 h后，投加清洗剂。运行2 h 后，安排腐蚀监测挂片（根据系统换热设备金属材质种类，确定挂片材质包括碳钢、不锈钢、铜）、模拟锈蚀挂片（模拟新系统所具有代表性的浮锈挂片）。除锈处理期间，系统pH 控制在2.5～4.0，除锈过程约为16～18 h，期间跟踪pH、电导率、浊度、总铁水质数据。

4）若系统总铁上升趋缓，除锈达到终点，取出监测挂片，分别进行腐蚀率测定和除锈效果评价。

5）当系统pH 自然回升至4.0 以上，投加预膜剂以及分散剂，控制系统pH 在4.0～4.5 运行0.5 h 后，在系统冷水池悬挂预膜监测挂片，预膜处理时间4～5 h，以预膜监测挂片表面出现了明显的色晕为终点，预膜期间跟踪pH、电导率、浊度和总铁水质数据。

6）预膜处理结束后，取出预膜评价挂片，采用硫酸铜显色时间评价成膜质量，要求显色时间＞7 s，安排系统置换。

7）当系统总铁接近2 mg/l后，清洗置换结束，系统转入日常的加药运行管理。

水系统清洗过程水质变化和过程控制情况具体如图3所示。

图3 清洗过程水质变化和过程控制

2.2 清洗效果

2.2.1 系统设备检查评价

为了客观地评价清洗效果，通常选择系统中2～3 个流速较低的用户端管道作为清洗效果评价的监测点，同时需考虑拆检的方便性。在开车清洗前和水质达到除锈终点后，打开监测点管道，以此作为清洗过程是否达到除锈终点的依据。

2.2.2 腐蚀挂片监测评价

依据《冷却水系统化学清洗、预膜处理技术规则》（HG/T 3778-2005）[3]，清洗过程中监测挂片（20#碳钢）腐蚀速率≤3 g/（m2·h），不锈钢、铜材试片的腐蚀速率≤0.5 g/（m2·h）。监测挂片上应有明显的蓝紫色色晕，膜对硫酸铜溶液滴液反应色变时间差应≥10 s。根据腐蚀监测挂片的称重数据，碳钢、铜和不锈钢试片的腐蚀速率均低于控制标准。同时，碳钢预膜挂片表面成膜致密、均匀，呈现明显的蓝紫色光晕，经硫酸铜溶液滴定后，显色时间在20 s 以上。根据挂片的监测结果表明,数据见表1，新型系统清洗技术的清洗效果均符合技术要求。

表1 系统腐蚀监测挂片腐蚀速率

3 评价及总结

新型开车清洗技术与传统清洗技术相比，优势明显，在现场应用中表现出了良好的经济、社会及环保效益。

1）清洗周期短

新型开车清洗技术采用脱脂、除锈和预膜一步到位，减少了中间环节的置换步骤，缩短了清洗周期。脱脂过程约为2～3 h，除锈过程约为16～18 h，预膜过程约为4～5 h，清洗周期约为22～26 h，而传统的开车清洗周期约为168 h，在清洗周期上，新型清洗技术具有明显的时间优势，由此也减少了大量的人力物力投入，降低了清洗成本。

2）降低新水用量、废水处理量

在清洗之前，传统清洗技术和新型清洗技术均要求系统浊度＜10 NTU，但新型清洗技术在整个开车清洗过程中，只有预膜结束后才需要进行系统置换。因此，新型清洗技术有效减少了用水量和排水量，减少了废水处理量，在节水、环保方面效果显著。

3）清洗废液COD含量低

传统的开车清洗技术的排放废水COD 含量为2 000～3 000 mg/L，废水处理成本约为40元/m3；而新型开车清洗技术清洗废液COD 可保持在50 mg/L 以下，不需要经过生化处理，清洗废液排入生产废水处理系统统一处理，经过沉淀、气浮和过滤处理后，出水水质可达到生产消防水回用水质标准，大幅度减少了废水处理难度和成本，减轻了企业的环保压力。

4）清洗费用

新型开车清洗技术费用主要包含脱脂剂、清洗剂和预膜剂等药剂费用和现场技术服务费用，药剂投加量主要与系统保有水量相关，按保有水量折算，新型开车清洗技术费用约为45元/m3。