工业锅炉有机膦水化学技术研究

【摘要】：锅炉是高耗能特种设备之一，它的安全是国家公共安全的重要组成部分，它的节能降耗是建设资源节约型和环境友好型社会的重要内容。传统的炉内水处理技术以磷酸盐作为阻垢缓蚀剂，但由于其加药量大，药剂中P含量较高，对环境的破坏较大。本论文以有机膦-羟基亚乙基磷酸盐(HEDP)作为锅炉炉水的加药药剂，由于其用量少就能发挥高效的阻垢缓蚀性能，因而可以减小锅炉受热面沉积物结生速率，降低锅炉排污率，提高锅炉运行能效和安全系数，对促进社会安全发展、节约发展、清洁发展具有重要意义。 本文在模拟工业锅炉水质的情况下，对炉水中HEDP的测定方法进行了优化、研究了HEDP的高温解离特性、以及对HEDP的阻垢性能和缓蚀性能进行了研究，得出了以下的一些结论。 HEDP在锅炉炉水中做为阻垢缓蚀剂来使用，首先需要解决的是HEDP的测定问题。但HG/T3537-1999标准方法对HEDP的分析检测繁琐(测定时间一般需要2-3小时)，而使用硝酸钍络合滴定来检测HEDP的方法，虽然测定步骤简单，但硝酸钍是一种具有放射性的物质，不仅会给环境带来很大的负担，而且对人体也是有害的。通过改进的分光光度法对HEDP的测定进行研究，测定时间大大的降低(测定可以在20-30分钟之内完成)。此外，探讨了工业锅炉炉水中可能存在的各种离子对测定的影响，从而确定了最佳测定条件(波长470nm，pH小于2，反应时间5分钟，显色时间15分钟)。当炉水中NaCl的含量低于500mg/L；Ca2+浓度小于300mg/L；磷酸盐含量低于20mg/L；SO42-含量在50mg/L内时均不会干扰对HEDP的检测。通过对模拟炉水中的HEDP进行本测定方法的精密度试验，其相对标准偏差在1%以下，该方法具有简单、快速、灵敏、抗干扰等优点。 HEDP在炉水中的稳定性直接影响其阻垢缓蚀性能的发挥，因而研究了有氧、无氧条件以及不同pH条件下HEDP在模拟工业锅炉炉水中的热分解特性，在有氧的条件下，随着温度的升高HEDP的分解率也随之增加，温度140℃HEDP分解加剧，当温度达到160℃后，HEDP几乎完全分解，分解产物主要为磷酸盐化合物。在无氧条件下，HEDP随温度升高也是分解加剧，200℃以上时HEDP会发生较大程度的分解，但相比于有氧条件下HEDP的分解规律，其能耐受的温度较高，由此说明要使HEDP能最好的发其功效，控制炉水中氧含量有非常重要的作用。实验在150℃条件下研究了pH值得变化对HEDP的热分解特性的影响，实验表明，pH值的变化对HEDP的热分解影响不大，在高碱性条件下HEDP能稳定存在。 通过电导法和静态阻垢实验对HEDP的阻垢性能进行了实验，研究表明电导法和静态阻垢法对HEDP的阻垢性能进行评价具有一致性，随着HEDP浓度的增加，阻垢率逐渐增加，但HEDP的阻垢效率是有一定临界值的，增大到一定程度后阻垢率变化就不会很大。溶液中加有5-7mg/L的HEDP能达到较高的阻垢率；此外，其阻垢性能还与溶液的浓缩倍率以及pH值有较大的关系；温度对HEDP的阻垢性能影响较大，随着温度的升高HEDP的阻垢性能也随之降低。在低钙离子浓度和HCO3-浓度条件下，HEDP对碳酸钙垢有较好的抑制效果，高钙离子浓度和HCO3-浓度会抑制HEDP的阻垢性能。 使用电化学交流阻抗法、Tafel极化曲线法以及高压釜挂片实验研究了HEDP在常温条件下对20号碳钢的缓蚀性能。实验表明一定浓度的HEDP(25mg/L)能有效的抑制碳钢的腐蚀，电化学实验和高温挂片实验具有一致的结果；HEDP高压釜挂片实验显示了在工业锅炉运行的温度范围内，20号碳钢在模拟炉水中的氧化速率较溶解速率小，试片表现为失重；虽然加入HEDP无法降低炉水中的Cl-浓度，但加入HEDP后能有效的抑制氯离子直接对金属的腐蚀，从而可以容许炉水中相对较高浓度的氯离子的存在。 通过对模拟炉水中影响HEDP阻垢缓蚀性能的HEDP浓度、炉水中的侵蚀性阴离子、温度等各种因素的试验和分析，全面评价了HEDP的阻垢性能以及对20号碳钢的缓蚀性能，得到了比较合适的条件参数，可以为实际生产提供参考。