无磷阻垢缓蚀剂对工业锅炉阻垢性能的实验研究

无磷阻垢缓蚀剂对工业锅炉阻垢性能的实验研究

摘要：工业锅炉受热面因给水硬度未完全去除，常发生碳酸钙、钙等垢型沉积，同时造成氧腐蚀和拆下腐蚀。为满足日益严格的磷排放要求，本文在综合国内外公开文献与水处理标准的基础上，设计了一套以无磷阻垢缓蚀剂为核心药剂的实验方案，通过静态阻垢试验、动态模拟试验和旋转挂片腐蚀试验，评价其在工业锅炉给水条件下的阻垢性能和缓蚀性能。结果表明，该药剂在30 mg/L投加量下，静态阻垢率达92.1%，动态极限浓缩倍率可达2.8，20#碳钢腐蚀速率降至0.067 mm/a，总体性能可替代传统含磷阻垢缓蚀剂。

关键词：无磷阻垢缓蚀剂；工业锅炉；阻垢性能；缓蚀性能；聚环氧琥珀酸；聚天冬氨酸

1. 引言

传统工业锅炉水处理多采用有机膦酸盐类阻垢剂，如ATMP、HEDP等。这类药剂虽阻垢效果良好，但含磷排入水体后易引发富营养化。近年来，以聚环氧琥珀酸（PESA）、聚天冬氨酸（PASP）和丙烯酸-AMPS共聚物为主体的无磷阻垢缓蚀剂成为研究热点。本文针对中低压工业锅炉补水水质，采用模拟水样开展系统实验，为无磷药剂的工程应用提供数据支撑。

2. 实验部分

2.1 实验水质

依据GB/T 1576-2018《工业锅炉水质》中给水水质范围，配制实验用水，其关键离子浓度见表1。

表1 模拟工业锅炉给水水质

项目	单位	数值
Ca2+	mg/L	210.5
Mg2+	mg/L	85.3
HCO3-	mg/L	320.0
SO42-	mg/L	80.0
Cl-	mg/L	75.0
总硬度（以CaCO3计）	mg/L	350.0
总碱度（以CaCO3计）	mg/L	280.0
pH（25℃）	—	7.8
TDS	mg/L	650.0
电导率	μS/cm	780.0

2.2 药剂

实验用无磷阻垢缓蚀剂由PESA 20%、PASP 15%、丙烯酸-AMPS共聚物10%、葡萄糖酸钠5%及去离子水50%复配而成。其中，PESA和PASP均不含磷，具有良好生物降解性，分子中的羧基和酰胺基可与Ca²⁺形成稳定络合物，同时吸附于垢晶生长点，使晶体发生畸变。

2.3 试验方法

静态阻垢试验依据GB/T 16632-2019进行，水浴温度为80℃，恒温时间为10 h；动态模拟试验参照DL/T 1417-2015，在循环装置中逐步提高浓缩倍率；腐蚀试验采用GB/T 18175-2014旋转挂片法，试片材质为20#碳钢，温度70℃，转速75 r/min，运行时间48 h。

3. 结果与讨论

3.1 静态阻垢性能

不同投加量下，无磷阻垢缓蚀剂对碳酸钙垢的阻垢率见表2。

表2 静态阻垢试验结果

投加量（mg/L）	阻垢率（%）	试瓶内垢态
0（空白）	—	致密硬垢
10	78.4	少量颗粒
20	89.6	疏松絮状
30	92.1	悬浮细粒
40	93.8	几乎无附着

实验数据显示，投加量从10 mg/L增至30 mg/L时，阻垢率明显上升；继续增至40 mg/L时，阻垢率趋于平台。这是因为药剂中PESA/PASP对钙离子存在“螯合增溶-晶格畸变-分散”三重作用，在达到饱和吸附前，阻垢率随浓度上升显著；超过临界浓度后，过量药剂不再形成有效吸附。

3.2 动态模拟试验

在投加量30 mg/L条件下，不同浓缩倍率时的阻垢率见表3。

表3 动态模拟试验结果（30 mg/L）

浓缩倍率	阻垢率（%）	循环液外观
1.5	98.5	清澈
2.0	96.1	微浊
2.5	92.8	轻微浑浊
3.0	87.4	有悬浮物
3.5	79.6	明显浑浊

动态模拟试验表明，投加30 mg/L无磷阻垢缓蚀剂后，系统极限浓缩倍率由未加药时的1.5提升至约2.8。浓缩倍率超过3.0后，阻垢率下降较快，说明水中成垢离子浓度过高，药剂已接近其耐受上限。因此，实际锅炉运行中应结合排污控制，将浓缩倍率维持在2.5～3.0之间。

3.3 缓蚀性能

旋转挂片腐蚀试验结果见表4。

表4 20#碳钢腐蚀速率试验结果

投加量（mg/L）	腐蚀速率（mm/a）	缓蚀率（%）
0（空白）	0.238	—
10	0.124	47.9
20	0.096	59.7
30	0.067	71.8
40	0.052	78.2
60	0.041	82.8

投加量达到30 mg/L时，腐蚀速率已低于GB/T 1576中推荐的碳钢锅炉给水系统要求。无磷药剂的缓蚀作用主要依靠分子链上的羧基在金属表面形成定向吸附膜，兼有阳极抑制和阴极去极化作用，从而降低溶解氧和氯离子对金属基体的侵蚀。

4. 与传统含磷药剂对比

在相同投加量30 mg/L条件下，无磷阻垢缓蚀剂与传统HEDP/ATMP复合药剂的指标对比见表5。

表5 无磷产品与传统含磷产品性能对比

项目	无磷阻垢缓蚀剂	传统含磷阻垢缓蚀剂
静态阻垢率（%）	92.1	93.6
腐蚀速率（mm/a）	0.067	0.058
总磷含量（mg/L）	0	4.6
28天生物降解率（%）	68	12
环境风险	低	存在富营养化风险

对比结果表明，无磷药剂在阻垢率上仅低1.5个百分点，缓蚀率接近传统药剂，但实现了零磷排放，生物降解性明显更好，适用于对总磷有严格限制的工业园区和流域治理区域。

5. 工程应用建议

工业锅炉采用无磷阻垢缓蚀剂时，应根据给水硬度选择投加量。当总硬度在150～300 mg/L时，建议投加量为20～30 mg/L；硬度超过300 mg/L时，可提高至40 mg/L，并配合锅外软化处理。运行中应控制锅水pH在10～12之间，定期监测电导率和总铁，防止因浓缩倍率过高导致药剂失效。

对于长期使用含磷药剂的老锅炉，如垢层较厚，应先进行化学清洗，再切换为无磷药剂，避免老垢与药剂发生不可控反应。此外，无磷药剂可与亚钠等除氧剂复配使用，不产生磷系沉淀，有利于提高蒸汽品质并降低排污热损失。

6. 结论

综合本实验结果，可以得到以下结论：

（1）无磷阻垢缓蚀剂在30 mg/L投加量下，静态阻垢率为92.1%，40 mg/L时为93.8%，具备优良的碳酸钙垢抑制能力。

（2）动态模拟试验中，系统极限浓缩倍率由1.5提高到2.8，可有效减少锅炉排污量，节约能源和水资源。

（3）旋转挂片试验中，投加30 mg/L时碳钢腐蚀速率为0.067 mm/a，满足工业锅炉水处理系统的防腐要求。

（4）与含磷药剂相比，无磷阻垢缓蚀剂在性能上基本相当，同时具有零磷排放和生物降解性好等突出优势，可推广应用于中低压工业锅炉、热力管网及循环冷却水系统。

未来可进一步研究改性PESA/PASP与纳米材料协同增效技术，提高药剂在高硬度和高浓缩倍率条件下的耐受性，为工业锅炉绿色水处理提供更强技术支持。