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1 引言
空压机是煤矿生产过程中的主要设备,由于其工作介质——空气在压缩过程中会产生大量的热,因此,为了保证其安全高效地运转,必须对空压机进行冷却。我国煤矿空压机多采用敞开式循环水冷却方式。敞开式循环水系统中,由于水与空气充分接触以及水的蒸发作用,使得水中游离的和半结合的CO2逸出,从而引起循环水中CaCO3析出而结垢。由于气缸水套的几何形状比较复杂,常规的除垢方法几乎不可能除去其中的水垢,严重时,水垢甚至可堵死水套,使冷却水不能有效地与气缸壁进行热交换,导致空压机运转时间缩短,机器停车与启动频繁,无法达到安全高效运转的要求。为了解决这一问题,国内外许多学者进行了大量的研究工作,但多数为空压机气缸水套的除垢方法研究,包括机械除垢法、化学及电化学除垢法等。本文从循环水阻垢的角度,对这一问题进行研究。
2 污垢成因
2.1 CaCO3析出
循环冷却水系统中水垢的主要成分是钙盐和镁盐,这些盐类在水中的溶解度随着温度的升高而降低。当含有这些盐类的冷却水与加热表面接触时,如果温度上升到使水中溶解盐类超过该温度下的溶解度时,这些溶解盐类如碳酸钙、硫酸钙、碳酸镁等,就会在加热面上析出沉积,成为水垢。它们首先在金属表面上的一些地方沉积出原始的结晶坯,并逐渐以结晶坯为核心,增长、发展,慢慢变为颗粒并互相聚附形成结晶和絮团。这种固相沉渣物的生成速度与水温和水中含盐浓度及水中其它杂质的存在有关。研究表明,煤矿大型空压机循环水成垢的主要组分以碳酸钙为主。当热交换器中温度升高时,重碳酸根分解失去平衡,碳酸根离子浓度增加,与水中钙离子生成碳酸钙。碳酸钙的溶解度较低,故在设备受热表面沉积成垢。其反应过程如下:
2HCO3- →CO32-+H２CO３
CO32-+２H２O →2HO-+H２CO３
H2CO3 →CO2↑+H2O
CO32-+Ca2+〈====〉CaCO3↓
HCO3-分解速度与其浓度、水温、pH值、水压、游离CO2的含量等有关。
在冷却水循环过程中,由于蒸发,水中溶解盐类浓度逐渐增高;水在冷却塔(池)中喷溅,使CO２逸失而溶解氧增加。所以除碳酸钙水垢外,碳酸铁及镁在水中很快水解,以氢氧化镁状态存在:
CO32-+H2O2〈====〉OH-+CO2↑
Mg2+ + 2OH-〈====〉Mg(OH)2↓
而氢氧化镁的溶解度因温度升高而引起的变化较缓,很少沉积,且天然水中钙离子远远多于镁离子,故镁盐沉积可以忽略不计。
通过对淮南矿区某矿1号空压机冷却器束管上的水垢进行化学分析,结果如表1所示。
表1 垢样化学分析结果
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垢样外观 |
灼烧后外观 |
灼烧减量/% |
不溶于酸/% |
Fe2O3/% |
CaO/% |
MgO/% |
ZnO/% |
P2O5/% |
SO3/% |
CO2/% |
其它/% |
分类 |
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灰白色片状 |
浅肤色 |
46.12 |
3.49 |
4.61 |
39.72 |
2.04 |
0.18 |
＜0.1 |
＜0.1 |
38.19 |
2.05 |
钙系水垢 |
2.2 溶解氧增加
敞开式循环水冷却系统中,水与空气的充分接触,使得空气中氧大量进入循环水中而成为水中的溶解氧,并达到或接近该温度、压力下氧的饱和浓度,从而增加了循环水的腐蚀性。系统中设备的换热面被溶解在循环水中的氧所腐蚀而形成铁锈。
2.3 微生物滋生
循环水的温度通常在30～40℃之间,水温适宜,水中又往往含有氮、磷等,有利于微生物的滋生。循环水系统(冷却池)中,日光照及的部位可以有大量的藻类生长繁殖;日光照不到的地方,则会有大量细菌繁殖,并生成粘泥,降低了循环水的冷却效果或造成垢下腐蚀和微生物腐蚀。
2.4 杂质侵入
生产过程中物料的侵入可形成污垢;润滑系统中各种油液(脂)的泄漏可形成油垢等。
循环水冷却系统中,设备的换热面(气缸水套、冷却器芯子等)以及管道中以CaCO3析出为主,在冷却池中以微生物为主。
3 阻垢机理
循环水系统中的杂质可通过旁流及过滤等方式去除;微生物则必须通过投放杀生剂加以解决。本文所述阻垢机理主要针对CaCO3水垢。
循环水阻垢试验研究的目的是针对煤矿大型空压机敞开式循环水系统的特点,确定合适的化学药剂,以阻止或减缓气缸水套和冷却器芯子等部件生成水垢。为了有效地控制污垢沉积,应按以下原则确定阻垢剂配方:
(1)控制水中颗粒与颗粒之间的吸引力;
(2)控制水中颗粒与接触表面的吸引力;
(3)控制水中颗粒沉降速度,阻止污垢晶体的增长。
阻垢剂的作用主要是控制晶体发育,使晶体发生畸变,从而达到抑制结垢的目的。阻垢剂的种类很多,作用机理各不相同。针对煤矿空压机循环水的特点,根据笔者多年研究成果,并经多次试验,最后确定阻垢剂的组分为乙二胺四甲叉膦酸和聚丙烯酸钠。
聚丙烯酸钠属于阴离子型化合物,是一种螯合剂,也是晶格歪曲剂,它的晶格歪曲能力很强,1mg/l的聚丙烯酸钠能栓住45mg/l的钙离子。其阻垢机理是通过吸附作用,靠静电力使聚合物聚集到颗粒表面上,从而使颗粒表面具有相同的电荷而相互排斥。
乙二胺四亚甲基膦酸,又名乙二胺四甲叉膦酸(EDTMP),是有机膦酸盐,其分子式为C２H 2０O１２P４N２,它可以和Ca及其它多价金属的阳离子形成络合物,是非常好的胶溶剂和分散剂,它能使CaCO3与CaSO4保持在稳定的过饱和状态,并具有化学稳定性好、不易水解等优点。除了有阻垢的作用外,乙二胺四甲叉膦酸还具有很好的缓蚀作用。
4 试验研究
4.1 阻垢剂配方
每升水中加1mg EDTMP和1mg聚丙烯酸钠。
4.2 试验用水
为使研究结果具有普遍意义,在实验室模拟制备中等硬度水质进行缓蚀阻垢试验,模拟水主要成分见表2。
表2 模拟水主要成分
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项目 |
含量/mg·l-1 |
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pH |
7.8～8.2 |
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总碱度 |
158.0(以CaCO3计) |
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总硬度 |
185.5(以CaCO3计) |
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钙硬度 |
132.4(以CaCO3计) |
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镁硬度 |
51.5 |
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硫酸根 |
16.5 |
4.3 试验条件
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循环水流速 |
0.35m/s |
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加热蒸气温度 |
92～93℃ |
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循环水入口温度 |
30±1℃ |
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换热管尺寸 |
ø8×２×２００mm |
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试验时间 |
360h |
4.4 空白动态试验
按上述试验条件,连续运行360h后停机,取出换热管观察,垢层厚约0.2～0.4mm,且为均匀、坚硬、质密、灰白色的硬垢。
4.5 阻垢动态试验
加入缓蚀阻垢剂进行动态试验,连续运行360h后停机,取出换热管观察,垢层为疏松的泥样软垢。空白及阻垢试验中,污垢热阻值测试计算结果见表3。
表3 动态试验测试计算结果
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试验方式 |
污垢沉积速度/mg·cm-2·a-1 |
污垢热阻值/cm2·K·W-1 |
腐蚀率/mm·a-1 |
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空白试验 |
3247.44 |
9.764 |
0.1539 |
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阻垢试验 |
241.32 |
1.497 |
0.1160 |
对比以上两试验结果,采用EDTMP(1mg/l)和聚丙烯酸钠(1mg/l)的配方药剂,处理换热器循环水,可使换热管中沉积的碳酸钙硬垢变为以污泥为主的软垢,大大降低了污垢的热阻值,同时减缓了污垢的沉积速度,具有良好的阻垢效果。经挂片监测,其腐蚀率亦由原来的0.1539mm/a降至0.1160mm/a,低于工业循环水腐蚀率控制指标(0.125mm/a),说明该阻垢剂配方具有较好的缓蚀作用。
4.6 工业性试验
实验室试验取得满意结果后,笔者对某矿空压机循环水系统进行了工业性试验。为了充分验证阻垢剂的效能,试验前对空压机实施了化学清洗。工业性试验的工艺流程如下:
(1)将氧化性杀生剂次氯酸钠(30%水溶液)按5mg/l的剂量投入循环水中,运行48h;
(2)将缓蚀阻垢剂乙二胺四甲叉膦酸和聚丙烯酸钠各按1mg/l的剂量加入循环水中,同时加入纯碱适量,以使循环水的pH值在8～10之间,并适当加大循环速度,连续运行48h;
(3)每天取样监测循环水浊度、Ca2+、pH值,结果是:循环水的浊度由1.3mg/l逐渐上升,达到最大值14.8mg/l后开始下降;Ca２+离子浓度由205.8mg/l(以CaCO３计)上升到298.3mg/l后不再变化;
(4)运行48h后,重复以上步骤,即再次投加乙二胺四甲叉膦酸、聚丙烯酸钠和纯碱,连续运行,直至循环水浊度低于10mg/l。
经测定,冷却池进出口水温温差由原来的平均2.9℃提高到7.2℃。运行30天后,冷却池进出口水温温差由7.2℃降到5.5℃,仍维持较高的温差,说明空压机结垢程度很小,循环水系统阻垢效果明显。
经测定,其污垢热阻值为2.012cm2·K/W,高于实验室阻垢动态试验结果,但低于工业循环水污垢热阻值控制指标2.578cm2·K/W。
5 结论及说明
(1)水循环系统阻垢剂能有效地抑制循环水的结垢,本文提出的碱性阻垢运行方案比较简单,对于煤矿大型空压机冷却水循环系统是比较适宜的。
(2)采用乙二胺四甲叉膦酸加聚丙烯酸钠的配方处理煤矿空压机循环水,可降低循环水中污垢的沉积速度,并可使换热器中的碳酸钙硬垢变为以污泥为主的软垢,降低污垢的热阻值,提高了换热器的换热效率。
(3)该配方不但可以有效地控制循环水的结垢,还具有很好的缓蚀作用。
(4)实施时,尚需对具体的水质及运行状况加以研究,以确定配方中药剂的剂量,从而取得更好的阻垢缓蚀效果。
参考文献
1 王良均,吴孟周.石油化工企业用水及管理.北京:烃加工出版社,1990.
2 周本省.工业冷却水系统中金属的腐蚀与防护.北京:化学工业出版社,1993.
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