水處理藥劑動態模擬實驗研究及應用

楊海燕

（中油股份獨山子石化分公司研究院防腐研究中心，新疆 獨山子 833699）

0 引言

動態模擬試驗是一種對循環冷卻水系統腐蝕、結垢狀況進行研究的測試方法。這種試驗裝置是動態的、有傳熱面和熱交換器，模擬生產上冷卻器的材質、壁溫和水流動狀態等，是試驗室內評定水穩配方和工藝條件的一種理想的綜合性測試方法，試驗數據可為中試及現場應用提供依據。綜合前期靜態阻垢和旋轉掛片緩蝕阻垢實驗的分析數據，初步確定8#、7#這兩組藥劑配方能夠滿足公司中水回用循環水系統的水處理藥劑緩蝕阻垢性能使用要求。但由于5#藥劑是現場在用配方，便于性能對比，針對8#、7#、5#這3組藥劑配方的最佳投加濃度進行動態模擬評價實驗。

1 動態模擬評價實驗

1.1 動態模擬試驗方案

根據靜態緩蝕阻垢劑篩選評價實驗選出的3組藥劑，按照藥劑配方控制濃度、實驗水質條件、動模過程水質控制參數、實驗過程要求及條件、實驗結果討論等內容制定動態模擬實驗方案，以比較不同藥劑緩蝕阻垢性能的優劣程度，選擇較優藥劑配方參與乙烯廠循環水系統水處理藥劑招標，提高循環水緩蝕阻垢處理效果。主要實驗方案如下：

（1）藥劑控制濃度：動態模擬試驗方法執行行業標準《冷卻水動態模擬試驗方法》HG/T 2160-2008。表1為開展動態模擬試驗的3組藥劑配方及濃度；

表1 動態模擬試驗各組藥劑配方控制濃度

（2）實驗水質條件：新水取用現場新水，中水取用凈化水場活性炭過濾器出水，兩種水樣的取樣地點定在凈化水聯合車間；動態模擬試驗水質按新水與中水1:1摻混。試驗水樣每兩天拉運一次，防止久置變質；

（3）試驗所需殺菌劑：由乙烯廠提供：氧化性殺菌劑采用次氯酸鈉；非氧化性殺菌劑采用7330NC；

（4）試驗所需緩蝕、阻垢劑：試驗所需藥劑由乙烯廠技術處負責聯系廠家提供，由乙烯廠技術處以盲樣形式交付；

（5）試驗濃縮倍數按5～8倍控制，表2為動態模擬試驗評定水質控制參數；

表2 動態模擬試驗評定水質控制參數

（6）根據要求制定相應實驗方案，交由研究院、乙烯廠技術處和公司科技信息處共同審核、確認、審批后，方可進行試驗；

（7）對所選動模的藥劑進行全面分析，以便盡可能掌握其理化指標；

（8）實驗試片、試管為：20#鋼，不做預膜處理；

（9）試驗時間：18天，試驗過程派技術人員監督試驗全過程；

（10）試驗結果討論：動模實驗18天結束后停機，分別取出試片和試管，試管干燥后稱重，測粘附速率，然后分別對試片、試管進行清洗，除去污垢稱重，測其腐蝕率。并對實驗現象及結果數據進行綜合評價，篩選出最佳的藥劑配方。

1.2 實驗過程及結果

動態模擬實驗的整個實驗過程完全按照實驗方案執行。具體實驗結果如下：

（1）實驗用水每隔一天拉水一次，保證實驗用水質量。嚴格按照1:1配置實驗水；

（2）動模實驗期間的水質分析，嚴格按照方案及合同要求分析檢測；

（3）實驗試管、試片均按照標準方法制備、處理和評價；

（4）表3為3組藥劑的實驗數據匯總；

表3 實驗數據匯總

（5）圖1～圖3為3組藥劑循環水掛片器中20#碳鋼掛片照片匯總（左邊正面、右邊反面）。

從3#藥劑的掛片來看，5#藥劑有較多腐蝕產物，有較明顯的腐蝕；7#藥劑試片表面有少量浮銹，腐蝕不顯著；8#藥劑試片，表面有少量的腐蝕痕跡，腐蝕不顯著；

（6）3組藥劑的循環水中20#碳鋼試管腐蝕剖面圖；

圖4～圖6為3組藥劑的試管解剖圖，由圖中可看出，5#藥劑試管內壁腐蝕比較嚴重，有明顯的腐蝕痕跡；7#藥劑試管內壁有輕微腐蝕痕跡，腐蝕不明顯；8#藥劑試管內壁有輕微腐蝕痕跡，腐蝕不明顯。

（7）3組藥劑的循環水污垢熱阻曲線圖匯總

圖7～圖9為污垢熱阻趨勢圖，從圖中可以看出，5#、7#、8#藥劑的循環水污垢熱阻均控制在0.2×10-4m2·℃.W-1以下，換熱效率較好；

（8）動態模擬試驗過程中濃縮倍數控制情況

濃縮倍數在5～6倍的情況下，分析鈣離子（以CaCO3計）濃度變化情況，表4為動模試驗濃縮倍數在5～6倍時分析結果。

表4 動模試驗濃縮倍數在5～6倍時分析結果

表4（續）

由試驗數據可見，濃縮倍數控制在5～6倍時，鈣離子（以CaCO3計）濃度均在600mg.L-1以下，因此實際運行過程中控制鈣離子（以CaCO3計）濃度≤600mg.L-1即可。

1.3 實驗結論

（1）該實驗完全按照技術方案要求控制各項技術參數，過程中未出現控制超標等現象；

（2）本次動態模擬實驗執行標準為《冷卻水動態模擬試驗方法》HG/T 2160-2008。所使用的DM-C型循環冷卻水動態模擬試驗裝置為大連光明化工研究所研制，即標準起草單位研制，該儀器全部采用電腦自動化控制，控制精準。該方法和實驗設備完全滿足實驗要求；

（3）該實驗過程質量控制按照《計量認證手冊》執行，完全保證了實驗數據及結果的準確性和真實性；

（4）動態模擬實驗過程中，表5為3組藥劑的主要控制參數pH、總磷或有機磷、鋅離子等，從分析結果的匯總情況來看，3組藥劑的投加情況及水質控制情況良好，未出現明顯的失控現象，3組試驗的結果具有代表性。

表5 3組藥劑動模試驗過程主要參數控制情況

（5）試驗過程中出現的問題及建議

1）實驗過程中，5#冷卻塔填料及補水桶，沉積了大量黑色絮凝狀雜質，但從水質分析來看，實驗水樣無明顯差別；

2）實驗過程中，通過觀察發現系統運行4h左右，掛片的腐蝕痕跡基本上就能定型，后期實驗過程中腐蝕現象就明顯變慢?？偨Y原因：補水為中水和新水的混合水，腐蝕很大，初期啟動實驗時系統藥劑含量偏低，這些原因造成3組藥劑的腐蝕率偏高。因此建議：現場系統運行時，使用新水啟動，并加大初始藥劑的投加量，同時要進行清洗預膜工作，如此才能保證系統的穩定運行；

3）3組藥劑均為加酸方案，由于該系統使用的中水和新水的硬度偏低，最高電導率3000μS.cm-1，系統水質偏腐蝕，建議不進行調酸，進行自然調節pH，提升堿度，稍微偏向結垢，對系統會有很好的保護作用；

4）綜合上述實驗數據分析，對公司中水回用循環水后的濃縮倍數建議控制在5～6倍、控制鈣離子（以CaCO3計）濃度≤600mg.L-1為宜；

（6）3組藥劑綜合評判

根據GB 50050-2017《工業循環冷卻水處理設計規范》和中石油《煉油企業工業水管理制度》規定腐蝕速率小于0.075mm.a-1（并無明顯孔蝕），粘附速率小于15mcm，污垢熱阻小于3.44×10-4m2.℃.W-1。表6為3組藥劑配方動態模擬實驗綜合評判結果，實驗結果表明：本次實驗的7#、8#藥劑腐蝕速率滿足標準要求，5#藥劑腐蝕率超標嚴重，不滿足要求。粘附速率5#藥劑超標，7#、8#藥劑粘附速率均在5mcm以內，阻垢效果較好。3組藥劑的污垢熱阻較好，均在標準范圍內。整體評判7#、8#藥劑，緩蝕阻垢效果較好，符合要求。建議公司在中水回用循環水的系統中選用7#或8#藥劑配方。

表6 3組藥劑配方動態模擬實驗綜合評判結果

2 結語

（1）綜合中水回用循環水處理的緩蝕阻垢性能靜態和動態評定實驗及結果表明，7#｛120mg.L-1（阻垢劑）+30mg.L-1（緩蝕劑）｝、8#｛60mg.L-1（阻垢劑）+12mg.L-1（緩蝕劑）｝這兩組藥劑配方優于5#藥劑，通過招標選商已采用7#藥劑代替現有的5#藥劑；

（2）通過試驗研究，提出了中水回用循環水工藝控制建議性方案，經推廣應用，取得了很好的實際應用效果。統計近9個月化工三循系統腐蝕與粘附速率監測數據，平均腐蝕速率為0.0098mm.a-1，平均粘附速率為0.79mcm，遠低于乙烯廠內控指標要求：年腐蝕速率≤0.02mm.a-1；粘附速率≤10mcm。