【低压锅炉清洗过程中缓蚀问题的研究7100字（论文）】

第二章-1-低压锅炉清洗过程中缓蚀问题的研究目录TOC\o"1-3"\h\u12994第一章前言 -1-28310第二章低压锅炉腐蚀结垢成因及危害 -2-259191.1腐蚀成因 -2-48101.2结垢成因 -2-260551.3腐蚀和结垢的危害 -3-26984第三章低压锅炉缓蚀缓蚀剂研究现状 -4-313383.1无机盐类缓蚀剂 -4-324193.2有机胺类缓蚀剂 -4-275023.3咪唑啉类缓蚀剂 -5-69383.4聚合物类缓蚀剂 -5-170513.5天然植物类缓蚀剂 -6-7803第四章低压锅炉清洗缓蚀对比实验 -7-291584.1设备及试剂 -7-266114.2操作条件 -7-11634.3试样分析 -8-886第五章结论 -9-21968致谢 -10-18911参考文献 -11-摘要腐蚀结垢问题严重影响锅炉的寿命和安全运行，因此在锅炉中加入环保的缓蚀剂是解决这一问题的重要手段。分析了腐蚀结垢的原因和风险，并通过缓蚀对比试验，明晰添加缓蚀剂有助于低压锅炉的清洗，通过添加缓蚀剂，有效降低锅炉清洗时腐蚀现象，最后，本文还综述了国内外五类锅炉缓蚀剂（无机盐类、有机胺类、咪唑啉类、聚合物类、天然植物提取物）的研究现状，对于低压锅炉选择相应缓蚀剂具有一定参考借鉴作用。关键词：水处理剂缓蚀剂阻垢剂第一章前言低压锅炉是一般用于饮用水和工业生产的生产工具，广泛应用于小型化工公司、橡塑公司、热水供应站、公共浴室等，但这些锅炉的进水一般是河流水或地下水，由于其硬度高、成分复杂，导热系数低的水垢往往会沉积在锅炉表面，降低传热性能，同时由于温度高，锅炉需要定期清洗，以免管壁温度太高导致爆炸。锅炉内有水垢，因此热量传递不畅，浪费了燃料。对于这些工厂，工厂中用于加热和供应蒸汽的一些大型锅炉每小时排放数吨蒸汽。这相当于燃烧大量的水。水垢会使锅炉的导热性恶化，并消耗大量燃料以达到相同的温度和压力，造成能源和资源的浪费，产生大量污染物，使得处理这些污染物的成本增加。另外，锅炉内部还有水垢，就像在锅炉壁上的钢板和水之间筑起一道隔热的石墙。这时，如果水垢出现裂纹，水立即泄漏到高温钢板上并迅速蒸发，使锅炉内的压力迅速升高，由于容易发生化学反应而引起水垢腐蚀，引起爆炸。水垢和腐蚀会降低锅炉的热导率，增加废气温度，增加燃料消耗，降低锅炉效率，并导致金属过热并引起爆炸。因此，清洗锅炉非常重要。国家提倡环保节能，可以建设节约型社会，加快经济发展，尽量降低这些低压锅炉的成本。然而，在低压锅炉运行过程中存在结垢和腐蚀的问题。设备停机时腐蚀问题更为严重，当设备再次使用时，系统的腐蚀产物降低了设备的运行效率，水汽质量不符合相关标准。严重影响设备的安全经济运行和使用寿命。在锅炉中使用缓蚀剂是为了解决设施结垢和腐蚀问题，目前应用了各种具有腐蚀和抑垢作用的缓蚀剂。本文总结了以低压锅炉清洗过程中缓蚀为目的的低压锅炉缓蚀阻垢缓蚀剂的研究，并对比分析了五种缓蚀剂的优缺点。就低压锅炉而言，它提出了未来研究的热点方向。第二章低压锅炉腐蚀结垢成因及危害1.1腐蚀成因低压锅炉的腐蚀和结垢主要与炉膛介质的成分有关，而家用低压锅炉的工作介质多为工业用水，钢材易被水中的溶解氧和二氧化碳腐蚀。[1]溶解氧腐蚀是一种电化学腐蚀，氧得到电子形成阴极，铁失去电子形成阳极，形成腐蚀电池，铁被消耗腐蚀。[2]二氧化碳溶解在水中生成碳酸，增加水中氢离子的浓度，引起氢的去极化腐蚀，温度升高加剧腐蚀。装置水汽系统中有机物的分解，不仅影响装置的水汽质量，还会造成热力系统的腐蚀，严重影响装置的安全经济运行。金旭良等对腐蚀试样进行了SEM和XRD表征，发现试样表面的腐蚀主要是由于有机物的分解，产物主要为甲酰胺、乙酸和1-正丁醇，大部分甲酸脱水分解成一氧化碳和水。水蒸气中有机物分解对金属表面的腐蚀程度与pH值有关，提高pH值可以减轻腐蚀。[3]如果设备中有水垢，水垢下也会发生腐蚀，这就是业界常说的沉积物下腐蚀现象。当管内表面的局部区域形成沉积物时，沉积物的低导热性导致沉积物过热并且水蒸发，从而增加了沉积物下的局部碱度浓度。[4]当pH值达到12.9时，保护性氧化层（Fe3O4）被破坏，外露的钢表面加速腐蚀，引起腐蚀腐蚀和脆性。1.2结垢成因当水在低压锅炉中不断蒸煮时，水不断蒸发浓缩，溶解在水中的盐浓度不断升高，达到饱和时，形成沉淀。有两种形式的沉积物，一种是原生水垢，与受热表面的壁紧密结合，形成致密的沉积物，另一种是松散的沉积物，漂浮在水中形成污泥。锅炉水含有阳离子如Ca2+、Fe2+、Fe3+、Mg2+和阴离子如OH-。[5]随着温度的升高，碳酸钙在水中的溶解度降低，并在受热面上形成水垢。当锅炉内的水因溶解氧增加而被氧气腐蚀时，高温下溶解在水中的氧化铁产物逐渐形成氧化铁垢。硅酸盐垢通常形成在炉管中，它具有最坚硬的结构、最低的热导率和最高的有害热负荷。[6]通过对金属试样进行称重分析，可以获得腐蚀和结垢过程中的质量变化曲线，从而可以分析金属的腐蚀和结垢过程。相关研究表明，金属试件在腐蚀和结垢过程中，试件的质量先减少后增加，经过一定时间后，重量增加率逐渐趋于稳定。[7]裴炜等人通过结合XRD和SEM对试样进行分析，得出结论认为腐蚀和结垢过程的第一步是氧化层的形成。步骤2是快速结垢的步骤，试样表面大部分形成氧化膜，降低了腐蚀速度，随着时间的推移，表面氧化膜变得疏松、不均匀吸附，表面形成沉淀。缩放速度加快。在试样的大部分表面形成一层致密的氧化膜，以保护金属以减缓腐蚀速度并稳定速度。[8]1.3腐蚀和结垢的危害低压锅炉腐蚀时，锅炉壁金属有效厚度减小，金属性能下降，设备抗压能力下降，影响设备寿命。锅炉污染会降低传热效率。锅炉水从热烟气中吸收热量并被加热直至蒸发。水垢的导热系数远小于金属管壁的导热系数，减缓了水垢管壁向锅炉水的热传递，从而使排烟温度升高。[9]这种物质的增加会造成环境恶化。水垢还会引起金属膨胀或爆炸，影响低压锅炉的安全运行，危及人身安全。污染层使管壁传热性能恶化，烟气吸收的热量不能通过金属管壁迅速传递给炉水，管壁温度升高，处于过热状态。长时间保持该温度条件会降低材料的许用应力，加速老化速度，降低强度，缩短使用寿命，甚至造成管道破裂事故。结垢也会影响正常的水蒸气循环。结垢减少了水蒸气的流动面积，增加了流动阻力，增加了流体输送设备的能耗。[10] 第三章第三章低压锅炉缓蚀缓蚀剂研究现状最初，为了通过与低压锅炉水中的杂质反应来达到减缓或防止结垢的目的，采用了在锅炉中加入植物秸秆或果实的方法。最早、最原始的低压锅炉水处理方法。缓蚀阻垢剂以其应用广泛、效果好、容量低、适应性强等优点，得到越来越广泛的应用。[13]缓蚀剂的主要性能是防止结垢、凝固沉淀物、延缓设备腐蚀等。阻垢缓蚀是锅炉缓蚀剂的主要功能。水处理药剂正从单一功能药物向复合功能药物发展，向安全、高效、无毒方向发展。多项研究表明，同时使用两种或多种药物比单一药物更有效。[14]因此，目前的研究大多集中在不同有机溶剂的相容性或有机与无机材料的相容性上，这样可以大大提高有机溶剂的溶解度，使炉内成膜更加均匀，还可以防止起泡。但是，还需要对其他缓蚀剂的比例和用量进行更多的研究。[15]许多新的研究表明，一些溶剂非常有效，但处理后的废水质量不达标，对环境和人体健康有害。3.1无机盐类缓蚀剂常用的无机缓蚀剂有磷酸盐、钼酸盐和钨酸盐。向炉内加入磷酸三钠可达到防腐蚀、结垢的效果。万德利等发现有机磷、三磷酸钠和碳酸钠组合使用，阻垢性能好，用量少，价格低。[16]然而，这些类型的缓蚀剂会释放磷化合物，导致水体富营养化和环境污染。钼酸盐通过抑制阳极部分的腐蚀反应而发挥缓蚀作用。[17]当仅使用钼酸盐作为缓蚀阻垢剂时，存在用量大、成本高、缓蚀性能低等缺点。为克服钼酸盐的缺点，李红兵等人将钼酸盐和磷酸盐以不同的比例混合，表明特定比例的组合可以大大提高缓蚀效率，在3:3:7时，Q235钢的缓蚀效率达到90%。[18]钨酸盐参与表面成膜，促进金属氧化钝化，达到缓蚀的目的。单独使用时容量大，缓蚀率不高，但与其他缓蚀剂并用时，有协同作用，增加缓蚀效果，减少钨酸盐用量。崔方英将钨酸钠和硫酸锌混合，研究了Q235钢在海水中的缓蚀效果，结果表明两者协同作用，缓蚀率可达86.79%。[19]3.2有机胺类缓蚀剂有机胺成膜法广泛用于缓蚀阻垢，是一种非常有效的锅炉保护方法。成膜胺分子属于由亲水基团（极性基团）和疏水基团（非极性基团）组成的一大类表面活性剂，亲水基团中心的氮原子具有较大的电荷。[20]由于带负电，可吸附于金属表面，疏水基团远离金属表面分布，故可在金属表面形成疏水保护膜，防止水中溶解氧和二氧化碳。由于单一的有机胺溶液在低温下不具有理想的成膜效果，为了相容性而使用表面活性剂等溶液，因此在低温条件下均匀分散在水相中以提高成膜性。[20]十八胺作为缓蚀剂具有保护效果好、保护范围广、操作方便等优点，但存在溶解度低、贮存期短、乳化成本高等缺点。[21]查方林等人以十八烷胺为缓蚀剂的主要成分，并加入其他缓蚀剂、有机溶剂和有机助溶剂，形成复合缓蚀剂，经试验，缓蚀效果良好。刘建平将十八胺与一定比例的表面活性剂和有机溶剂混合制成十八胺乳液，测量结果表明该设备具有良好的防护效果。[22]李宇春等选择的配伍为十八胺：钝化剂：表面活性剂=10:1:1，湿热箱试验结果表明，试样出现腐蚀点的时间为45d，缓蚀效果好。[23]范生平生产的复合缓蚀剂中十八胺、吗啉、乌洛托品、硫脲、乙酰胺、吡啶、二异丙胺的浓度分别为50、50、25、20、25、4.5mg/L，试验，最佳成膜450温度对应硫酸铜点样起始红时间2h以上，成膜缓蚀性能好。[24]3.3咪唑啉类缓蚀剂当金属表面与酸性介质接触时，咪唑啉缓蚀剂通过在金属表面形成单分子保护膜，同时与溶液中的氧化性物质配位，从而改变氧化还原电位，从而起到缓蚀作用。咪唑啉缓蚀剂易分散于水中，毒性低，易分解，但咪唑啉性质不稳定，在高温和大量水存在下易水解。温度和浓度对最终的防护效果影响很大。姚兰等人以咪唑啉有机化合物ODW作为缓蚀剂，实验确定的最佳温度和浓度分别约为280和40mg/L。傅强等人研究的咪唑啉有机化合物W8也具有良好的缓蚀性能。[25]除了上述实验确定的最佳温度和浓度范围外，它还可以与其他无机和有机物质混合产生协同作用，增强咪唑啉缓蚀剂的防护效果。汪洋等研究表明，咪唑啉季铵盐与丁炔二醇的复配可以提高缓蚀性，同时降低温度对缓蚀性的影响，提高温度适应性。[26]3.4聚合物类缓蚀剂该聚合物具有优良的缓蚀阻垢性能，种类繁多，安全环保。文献报道有机胺化合物和非离子烷基烯丙基膦酸共聚物具有良好的腐蚀和阻垢性能。[27]张立宏研究了含有羧酸基、酯基等官能团的水溶性多组分共聚物。该缓蚀剂可减少碳酸盐和磷酸盐的析出，具有一定的缓蚀阻垢性能，且含磷量极低，符合国家相关标准。聚天冬氨酸也是一种绿色缓蚀阻垢缓蚀剂，具有良好的缓蚀阻垢效果，安全无污染。[28]但多元共聚物阻垢缓蚀剂由于相容性高，在实际应用中存在局限性，同时羧酸聚合物易形成钙凝胶，因此在高钙水中的应用存在一定的局限性。通过合理的配伍、改性等方法，可以提高羧基阻垢剂的阻垢能力。3.5天然植物类缓蚀剂近年来，植物提取物缓蚀剂引起了人们的广泛关注。该类缓蚀剂具有易生物降解、环境破坏小、成本低、适用范围广、防护效果好等优点。胡等人研究了牧羊人提取物对Q235钢的缓蚀作用，表明缓蚀率可达97%。Mohammadi等人使用人参的根茎提取物作为缓蚀剂，其中含有多种具有不同分子结构的活性成分，可以吸附在金属表面。模拟冷却水的缓蚀阻垢效率分别为93%和99.5%，表明该提取物可作为冷却水系统中优良的缓蚀阻垢剂，可替代昂贵的有毒化学保护剂。[29]Singh等人研究了银杏叶提取物对J55钢的缓蚀性能，发现缓蚀率高达97%。Raja等人研究了黑胡椒提取物对低碳钢的缓蚀性能，通过Tafel极化曲线分析，缓蚀率可达90%。印楝叶提取物、甜菜根提取物、薰衣草棉提取物也具有优异的缓蚀效果。[30]天然植物性缓蚀剂具有安全、环保等优点，但目前这些缓蚀剂存在用水量大、收率低、性质相对不稳定等缺点，难以满足实际生产需求。超声波提取等新的提取方法已被研究出来，是目前研究的热点方向。 第四章第四章低压锅炉清洗缓蚀对比实验国内外对化学清洗质量都规定了明确的标准,其内容包括除垢和缓蚀效果。在锅炉化学清洗过程中,既要达到清洗积垢的目的,又要保证被清洗设备的安全。[11]美国化学清洗委员会按锅炉使用寿命100000h、每半年清洗1次、每次清洗6h计算,规定平均腐蚀速率小于9g/(m2·h),总腐蚀量小于120g/m2。[12]中国低压锅炉化学清洗规则规定平均腐蚀速率小于10g/(m2·h),总腐蚀量小于120g/m2。本文采用腐蚀试片的方法,对锅炉清洗时的缓蚀问题进行分析。4.1设备及试剂腐蚀试片(0.0028m2)6片,为消除加工应力,在高温炉中进行500℃热处理2h,冷却后取出,酸洗(加有缓蚀剂)去除氧化膜后备用。500mL烧杯3个,320#水砂纸2张,恒温水浴1台,100-200mL量筒2个,游标卡尺1把,分析天平1台,0-100℃温度计1根,干燥器1个。盐酸(分析纯)500mL,丙酮(分析纯)500mL,无水乙醇(分析纯)500mL,质量分数1%酚酞指示剂100mL。4.2操作条件先将腐蚀试片用320#水砂纸在平面玻璃上前后方向研磨,然后用丙酮浸泡去除油垢,擦干后放入无水乙醇中浸泡2h,擦干后放入干燥器中干燥1h,试片称重备用。取盐酸用蒸馏水配成质量分数为7%的溶液（采用NaOH标准溶液标定,其浓度误差不应超过±0.1%）,取400mL注入500mL烧杯中,加入一定量缓蚀剂搅拌均匀,放入恒温水浴槽中,恒温至（55±1）℃时,将3个已知质量的腐蚀试片分别悬挂于烧杯中(试片应全部被盐酸浸泡并与液面保持20-25mm,试片在酸液中放置的距离应相当），在此温度下恒温保持3h后取出,立即用清水冲洗、擦干,放入无水乙醇中浸泡1-3min,取出,擦干放入干燥器中1h后称重。置于同样浓度盐酸中,在不加缓蚀剂的相同条件下,以另一组腐蚀试片作同样处理。4.3试样分析试验数据见表1。表4.1缓蚀试验结果项目123盐酸浸泡前试片质量/g19.780920.019219.5603盐酸浸泡后试片质量/g(未加缓蚀剂）18.963819.218318.6950盐酸浸泡后试片质量/g（加入缓蚀剂）19.768019.998819.5320腐蚀速率：（1）缓蚀效率：（2）W——盐酸浸泡前试片质量，g；W1——盐酸浸泡后试片质量，g；V0——未加缓蚀剂的腐蚀速率，g/(m2·h);V———加入缓蚀剂的腐蚀速率，g/(m2·h);V1——缓蚀效率，g/(m2·h);T———试片在酸中浸泡时间,h;S———试片面积，0.0028m2。经计算,加入缓蚀剂的试片腐蚀速率均小于10g/(m2·h),缓蚀效率均大于90%;而未加入缓蚀剂的试片腐蚀速率大于10g/(m2·h),超出国家标准。 第五章第五章结论不同的缓蚀剂具有不同的性能和局限性，人们一般采用与其他有机、无机材料混合的方法来提高缓蚀剂的性能，以达到理想的缓蚀抑垢效果。通过数据分析，清洗锅炉加入缓蚀剂后清洗指标达到国家标准；而只用清洗剂清洗锅炉腐蚀速率很大，腐蚀严重。因此,清洗锅炉时必须加入缓蚀剂,但在清洗过程中要掌握好清洗剂和缓蚀剂的浓度、温度、流速和清洗时间,使锅炉的受损程度减至最低。目前，与无机缓蚀剂相比，成膜胺类等综合性能更好的有机复合缓蚀剂越来越受欢迎。长链脂肪胺溶解度低，单独使用无效，必须与其他有机成分混合使用，以提高分散乳化效果、腐蚀阻垢效果。胺的选择成为关键，国内外研究人员都在积极推动新产品的开发。植物提取物缓蚀阻垢剂原料来源广泛，对环境友好，具有优良的缓蚀阻垢效果。目前的植物提取物缓蚀剂还存在性质不稳定、收率低等问题，难以满足工业化生产的需求。今后需要加强对提取工艺的研究，分析确定提取液的成分，通过对提取液进行化学改性或与其他缓蚀剂混合，提高缓蚀阻垢性能，满足工业生产的需要。总之，工业缓蚀剂的研究虽然取得了一定的成果，但在制造技术、成分相容性、化学改性等方面仍需进一步研究。 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