全有机高效缓蚀阻垢剂在炼油厂循环水系统的应用
摘要：通过对全有机高效缓蚀阻垢剂ZJ-720的性能评定，以及在炼油厂循环水系统实际 应用 情况，阐述了ZJ-720缓蚀阻垢剂具有优异的阻垢和缓蚀性能。同时，作者在 总结 试验和应用的基础上，对其缓蚀阻垢机理进行了初步的 分析 。
关键词：循环冷却水 阻垢剂 高效缓蚀 。
工业 循环冷却水系统是炼油 企业 生产的重要公用工程，良好的循环冷却系统是企业生产装置安全、稳定、长周期、满负荷运转的必要条件之一。提高水处理技术水平，实现节水、节能，延长设备使用寿命和装置运行周期是提高企业整体 经济 效益的一条重要途径。然而我国炼油行业的一些水系统 目前 使用的是较为传统的配方和低效药剂，我厂也属此类炼油系统。为了摆脱这一现状，炼油厂供排水车间根据现场实际情况选用了全有机高效缓蚀阻垢剂ZJ-720，从目前现场使用情况来看，该药剂缓蚀、阻垢效果显著。
1 循环水冷却系统概况及补充水水质状况
炼油厂二循系统负责向Ⅱ催化、铂重整、加氢、芳烃抽提、石蜡成型及二火炬生产装置供水，换热器主要材质为碳钢，其系统的运行参数见表1，补充水水质分析数据见表2。炼油厂根据二循实际情况选用了全有机高效缓蚀阻垢剂ZJ-720，并对此进行了性能试验。
表1 二循系统运行参数
|
项目 |
单位 |
二循 |
|
循环水量 |
m3/h |
5200 |
|
保有水量V |
m3 |
2500 |
|
温差 |
℃ |
7.0 |
|
蒸发损失量E |
m3/h |
45.5 |
|
风吹损失D |
m3/h |
5.0 |
|
排污量B |
m3/h |
17.8～6.4 |
|
补水量M |
m3/h |
68.8～56.9 |
|
浓缩倍数K |
/ |
3～5 |
表2 补充水分析数据
|
序号 |
项目 |
单位 |
补充水水质 |
|
1 |
pH |
/ |
8.17 |
|
2 |
浊度 |
FTU |
≤5.0 |
|
3 |
总硬度(以CaCO3计) |
mg/L |
104.5 |
|
4 |
总碱度(以CaCO3计) |
mg/L |
85.07 |
|
5 |
可溶性二氧化硅 |
mg/L |
6.69 |
|
6 |
K+ |
mg/L |
1.21 |
|
7 |
Na+ |
mg/L |
11.9 |
|
8 |
Ca2+(以CaCO3计) |
mg/L |
86.7 |
|
9 |
Cl－ |
mg/L |
16.56 |
|
10 |
SO42－ |
mg/L |
24.57 |
|
11 |
HCO3－ |
mg/L |
77.07 |
|
12 |
CO32-(以CaCO3计) |
mg/L |
8.00 |
|
13 |
电导率 |
μs/cm |
235 |
2 试验部分(1)
2.1旋转挂片试验
2.1.1试验条件
(1) 试片：20#优质碳素钢
(2) 试验用水：浓缩倍数N=1(即新水)
(3) 物理参数：
旋转速度：80～85r/min;试验温度：50±1℃;试验时间：72h
2.1.2试验结果
试验结果见表3
试表3 旋转挂片验结果
|
药剂名称 |
药剂浓度(mg/L) |
腐蚀率(mm/a) |
试片表面状况 |
|
ZJ-720 |
60 |
0.021 |
试片光亮,无明显腐蚀 |
|
新水 |
/ |
1.985 |
腐蚀严重 |
试验结果表明：在这种水质条件下，如不加缓蚀阻垢剂处理，腐蚀及结垢严重，而加全有机高效缓蚀阻垢剂 ZJ-720处理，腐蚀率仅为0.021mm/a，远远小于腐蚀率为0.07mm/a的试验指标，显示出优异的缓蚀和阻垢性能。
2.2静态阻垢试验
静态阻垢试验着重评价ZJ-720药剂的阻垢性能，试验 方法 按 中国 石油化工总公司冷却水分析和试验方法中的静态阻垢评定试验方法。
2.2.1试验条件
(1) 多孔恒温水浴锅，满足80±1℃的要求
(2) 刻度烧杯：1000mL
(3) 配制水水质：用蒸馏水配制，配水水质为Ca2+(以CaCO3计)浓度280.10mg/L，HCO3-(以CaCO3计)碱度273.75mg/L。
(4) 浓缩倍数：N=1.5。
2.2.2试验结果
表4 静态阻垢试验结果
|
药剂名称 |
药剂浓度(mg/L) |
阻垢率% |
|
ZJ-720 |
60 |
92.12 |
|
空白 |
/ |
/ |
试验结果见表4。
结果显示：在易结垢的水质情况下，全有机高效缓蚀阻垢剂ZJ-720的阻垢率可高达92.12%，说明ZJ-720具有优异的阻垢效果。
2.3动态模拟试验
试验目的是在有传热面条件下，全面考察全有机高效缓蚀阻垢剂ZJ-720的缓蚀阻垢性能。
试验条件及结果试验条件及结果见表5
表5 动态模拟试验条件及结果
|
药剂名称 |
ZJ-720 |
腐蚀速度 0.029mm/a 粘附速度 4.32mcm |
|
维持药量 |
60mg/L |
|
|
挂片材质 |
碳 钢 |
|
|
水质 |
现场水 |
|
|
挂片时间 |
360h |
|
|
浓缩倍数 |
4.5～5.5 |
从动态模拟试验可得到如下结果：
(1) ZJ-720具有优异的缓蚀性能，挂片表面清洁，无点蚀和锈蚀，试管腐蚀速度0.029mm/a，达到很好级别。(国家标准：S5001-83：很好 0～0.037mm/a，好0.037～0.070mm/a，可以允许0.070～0.093mm/a)
(2) ZJ-720阻垢性能强，在现场水条件，浓缩倍数4.5～5.5，其粘附速度4.32mcm，达到很好级别。(国家标准：很好0～10mcm，好10～20mcm，可以允许20～30mcm。)
3 生产使用效果
炼油厂二循系统于2001年12月开始投用，不改变原生产工艺，不增加新材料，用全有机高效缓蚀阻垢剂ZJ-720替代原有配方。循环水质数据始终保持在表6中的数据范围内运行。
在正常运行中，循环水清澈，水面下无明显菌藻滋生，凉水塔布水孔无堵塞现象，散热良好。同时，我们在循环水场进行了监测，监测数据见表7。
表6 运行中系统水水质指标
|
序号 |
项目 |
指标 |
|
1 |
水温 |
≤8.0℃ |
|
2 |
含油 |
≤10mg/L |
|
3 |
COD |
≤10mg/L |
|
4 |
Ca2＋ |
75mg/L≤Ca2+≤500mg/L |
|
5 |
浊度 |
≤20FTU |
|
6 |
pH |
8.0～9.0 |
|
7 |
药剂浓度 |
5.5～6.5 |
|
8 |
异养菌总数 |
≤1.0×105个/mL |
|
9 |
生物粘泥 |
≤5mL/m3 |
|
10 |
浓缩倍数 |
≥3 |
表7 2002年和2003年现场监测数据
|
时间 |
腐蚀速率mm/a |
粘附速率mcm |
|
2002年1～2月 |
0.049 |
18.54 |
|
2002年3月 |
0.075 |
10.44 |
|
2002年4月 |
0.006 |
10.30 |
|
2002年5月 |
0.030 |
6.32 |
|
2003年7月 |
0.016 |
4.57 |
|
2003年9～10月 |
0.014 |
14.66 |
|
2003年11月 |
0.023 |
12.46 |
|
指标 |
腐蚀速率≤0.100mm/a; 粘附速率≤20mcm |
|
注：2002年6月～2003年6月因监测换热器维修、系统清洗预膜和药剂短期更换等原因没有采到相应的现场监测数据。
根据现场监测数据，可得以下结论：
⑴ ZJ-720缓蚀阻垢剂在我厂运用近一年来，各项运行指标和监测数据均达到并优于国标GBJ50-83、中石化总公司生产部有关规定的要求。2002年8月份大修期间，设备鉴定检查，水相管束及封头均无明显的锈蚀、污垢发生，检查的水冷器状况明显优于国内同类装置同期检修水平。
⑵ ZJ-720缓蚀阻垢剂在较恶劣条件下仍具有较好的缓蚀阻垢性能，使用这种药剂处理后的水所形成的污垢极其疏松，这样既不 影响 传热，而且便于清洗。
4 机理 分析
全有机高效缓蚀阻垢剂ZJ-720配方中起阻垢作用的主要是有机膦酸盐和有机膦酸酯，它们通过晶格畸变、螯合作用、分散作用和低剂量效应达到阻垢的目的。碳酸钙是结晶体，它的成长是按照严格顺序，由带正电荷的Ca2+与带负电荷的CO32—相撞才能彼此结合，并按一定的方向成长。在水中加入有机膦酸盐和有机膦酸酯后，它们会吸附到碳酸钙晶体的活性增长点上与Ca2+螯合，抑制晶格向一定的方向成长，因此使 晶格歪曲而长不大，也就是说晶格被有机膦酸等表面去活剂的分子包围而失去活性。这也是产生临界效应的机理，同样，这种效应也可以阻止其它晶体的沉淀。另外，部分吸附在晶格上的化合物，随着晶体增长被卷入晶格中，使碳酸钙晶格发生错位，在垢层中形成一些空洞，分子与分子间相互作用减少，使硬垢变软而易于消除，从而达到阻垢的目的。(2)
全有机高效缓蚀阻垢剂ZJ-720配方中起缓蚀作用的主要是Zn2+，当腐蚀发生时，阴极区高pH值区域，Zn2+迅速沉积成膜达到缓蚀的目的。同时它与有机膦酸盐、有机膦酸酯和磺酸共聚物之间存在“协同效应”。磺酸共聚物有中的稳锌能力，而有机膦酸盐在金属表面形成的沉积、吸附则起到补膜的作用，因此形成配方优良的缓蚀性能。
全有机高效缓蚀阻垢剂ZJ-720配方中多元共聚物为丙烯酸/磺酸盐共聚物具有独特性能，能与各组份协同作用，提高配方的缓蚀、 阻垢性能。它具有以下几大特点：(1)非常高的“钙容忍度”;(2)对磷酸钙垢有较好的抑制作用;(3)良好的抗粘泥能力;(4)对腐蚀产物氧化铁具有好的分散能力;(5)很强的稳锌能力，使碱性介质中Zn2+浓度大大提高，增强了配方的缓蚀性能。
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