高度な冷却水処理コンセプト (パート 2)

この記事では、多くの用途で効果的であることが証明されているリン酸塩置換技術の一般的な化学を検証します。

編集者注: これは、Buecker & Associates, LLC の社長である Brad Buecker による複数部構成のシリーズの第 1 回です。

パート 1 はこちらからお読みください。

このシリーズのパート 1 では、前世紀半ば以降の最も著名な冷却水スケール/腐食防止剤処理プログラムの概要を説明しました。 処理は、非常に効果的ではあるが最終的には危険な酸/クロム酸塩の化学反応から、「制御された」沈殿反応と弱塩基性 pH を利用して冷却水の腐食とスケールの可能性を低減するリン酸塩/ホスホン酸塩/亜鉛処理に進化しました。 後者のプログラムは制御が複雑になる可能性があり、腐食とスケールの状態が紙一重になる場合があります。 下の 2 パス熱交換器の写真は、劇的な例を示しています。

入口端 (この熱交換器の下部チューブ) では、腐食が明らかでした。 暖かい出口側 (上半分) では、明らかに目に見えるように、堆積が厄介でした。 リン酸塩/ホスホン酸塩プログラムは、熱交換器内の場所と温度によっては、腐食やスケールの軽減には特に効果的ではありませんでした。

今回は、多くの用途で効果的であることが証明されているリン酸塩置換技術の一般的な化学を検討します。 リン酸塩/ホスホン酸塩処理よりも不確実性が少なく、放電化学による環境への影響も軽減されます。

読者はパート 1 を思い出していただけると思いますが、腐食制御の観点から見ると、リン酸塩/ホスホン酸塩プログラムは主に、陽極反応と陰極反応を抑制する反応生成物の堆積に依存しています。 曝気水中の一般的な腐食セルを以下に示します。

炭素鋼の酸素腐食がおそらく最も一般的なメカニズムですが、他の多くの腐食メカニズムも考えられます。 スペースの制限により、この記事ではこれらのメカニズムのほとんどについて詳しく説明できませんが、将来の電力工学の記事で最も重要なメカニズムのいくつかについて概説したいと考えています。 本題に進みます。 陽極反応と陰極反応を脱分極するための析出化学に依存することは、多くの場合非常に困難な場合があり、変動する条件が図 1 に示すスケール形成などの他の問題を引き起こす可能性があります。 したがって、金属表面に直接保護膜を形成するための最新のプログラムが登場しました。 多くの配合物における有機分子の重要な特徴は、外側に伸びる疎水性有機鎖によって金属表面に直接結合する活性部位です。

著者がよく知っている化合物の 1 つは、反応性ポリヒドロキシデンプン阻害剤 (RPSI) という一般化学名で呼ばれており、(1) 分子上の活性酸素含有基が金属表面に結合し、有機部分が金属を保護します。 この化学および同様の技術は、過去 10 年ほどで人気と使用が大幅に増加し、現在では数千以上の用途が存在しています。 結果は、高濃度を必要としない化学物質を適切に適用すると、多くの場合、炭素鋼の腐食速度を年間 1 ミル (mpy、1 ミルは 0.001 インチ) 未満に抑えることができることを示しています。 これは、一般的な炭素鋼コンポーネントの予測寿命の範囲内に十分収まります。

参考文献 1 のデータは、300 シリーズ ステンレス鋼金属が塩化物の孔食や亀裂から良好な腐食保護を示していることも示しており、このことは、この著者が取り組む予定の主題を提起しています。 数年間、私は新しい複合サイクル発電所の水処理設計仕様のレビューに深く関わってきました。 多くの場合、設計エンジニアリング会社は、明らかに冷却水の化学的性質や不純物による潜在的な問題をまったく考慮せずに、蒸気表面復水器のチューブに 304 または 316 ステンレス鋼のいずれかを指定します。

主な例としては、ステンレス鋼が酸化物層を形成して母材金属を保護しますが、十分な濃度の塩化物が酸化物層に浸透して孔食が発生する場合があります。 長年にわたり、これらの鋼の推奨最大塩化物制限は、周囲温度で 304 SS の 500 ppm から 316L (L は低炭素含有量を表す) SS の 3,000 ppm の範囲でした。 その後の研究では、これらの制限が高すぎることが示され、ある著名な材料専門家は、クリーンなチューブに対してそれぞれ 100 ppm と 400 ppm を推奨しています。 (2) 堆積物は腐食の可能性を高めます。 一部の補給水には、冷却塔に循環される前に、これらのガイドラインを超える塩化物レベルが含まれています。 (3) 孔食は潜行性の腐食メカニズムであり、数十年使用できるはずの材料が数か月以内、場合によっては数週間以内に故障を引き起こすことが知られています。 ステンレス鋼の深刻な腐食を引き起こす可能性のあるもう 1 つの元素はマンガンです。 この問題については今後の記事で検討します。

この例から 2 つの主なポイントが得られます。 まず、水およびプロセス流体システムを含む主要プロジェクトの設計エンジニアは、適切な材料を選択できる化学および腐食の専門家に相談するか、その専門家をスタッフに配置する必要があります。 通常、設置後に運用上の問題に対処するよりも、設計段階で適切な材料を選択する方がはるかに簡単です。 第 2 に、これはこの議論にとって直接重要なことですが、上で強調した膜形成化学は、材料の交換に法外な費用がかかる既存の施設での解決策を提供する可能性があるということです。

この最新の冷却水処理代替品のもう 1 つの利点は、環境に関連したものです。 リンは、冷却システムや冷却塔のブローダウン用の貯留池などの受水域における微生物の増殖にとって主要な栄養素であり、多くの場合制限的な栄養素です。 参考文献 1 の次の 2 つの図は、処理がポリリン酸塩/亜鉛プログラムから非リン (非 P) 皮膜形成プログラムに変更された産業施設の貯留池の前後の写真を示しています。

このような結果は、特に環境規制により点源からのリンの放出が制限されている、あるいは禁止されている場所では、プログラム変更の追加の推進要因となることがよくあります。 （農業流出は別の問題であり、ここでは扱うことができません。）さらに、他の元素や化合物の排出に対する規制は引き続き強化されており、この場合、亜鉛が含まれることがよくあります。 リン酸塩/ホスホン酸塩プログラムにおける一般的な腐食防止剤。

第 1 部で概説したように、リン酸塩/ホスホン酸塩プログラムは、腐食とスケールの制御方法の両方として二重の役割を果たします。 現在の高度な非 P プログラムでは、活性基を持つポリマーがスケール制御に役立ちます。 図 6 は、ポリマーの一般的な構造と一般的な活性基の概要を示しています。

これらの化合物は、スケールの形成を制御する次のようなさまざまなメカニズムを通じて機能します。

堆積物制御にとって重要な要素は、ポリマーが堆積物に浸透する能力を高めることです。 これは、オイルやグリースなどの有機物に特に当てはまります。これらの化合物は堆積物を結合するためです。 界面活性剤はこれらの物質の分解を助けることができます。 非イオン性界面活性剤は、親水性 (水を愛する) 官能基と親油性 (油を愛する) 鎖を持つ点で洗剤に似ています。 親油性末端が油と結合すると、親水性末端が水分子に結合して油を除去します。 親油性および疎水性の活性部位の構造修飾により、特殊な特性が可能になります。

さまざまな鎖長のポリマーが入手可能ですが、鎖のサイズと最も効率的な活性基を選択するには、水の成分を徹底的に分析する必要があります。 また、化合物によっては発泡を引き起こす場合があり、製品選定の際には考慮する必要があります。 そしてもちろん、実験室でのテストは実際の本格的なアプリケーションとは異なる場合があるため、現場での調整が必要になる場合もあります。

最新の方法を利用して、40 年間にわたって影響力を持っていた複雑なリン酸塩/ホスホン酸塩プログラムを超えて、再循環水の化学制御を進めることができます。 しかし、すべての問題が即座に解決されることを期待して、化学を盲目的に、または監視せずに適用することはできません。 腐食クーポンは良好な性能を示しているが、システム内の場所がひどく汚れたり腐食したりするケースはよく知られています。 これらの場所では、温度の影響やその他の要因が作用している可能性があります。 さらに重要なことは、微生物による汚れがスケール/腐食防止剤の影響を完全に相殺できることです。 冷却水の問題に関して言えば、ことわざでよく言われる「部屋の 800 ポンドのゴリラ」は微細な汚れによって引き起こされます。 シリーズの次の数回のパートでは、これらの問題を検討します。

この議論は、時間をかけて開発された優れたエンジニアリング手法を表しています。 ただし、業界の専門家との協議に基づいて信頼できるプログラムを実装するのは、プラントの所有者、オペレーター、および技術スタッフの責任です。 これらのテクノロジーの設計とその後の使用については、1 つの記事で概要を説明できるほど多くの追加の詳細が説明されています。

参考文献

著者について: Brad Buecker は、コンサルティングおよびテクニカル ライティング/マーケティングを担当する Buecker & Associates, LLC の社長です。 最近では、ChemTreat, Inc. で上級技術広報担当者を務めました。電力および工業用水処理業界で 40 年以上の経験またはサポートの経験があり、その多くは蒸気発生化学、水処理、大気質管理、および結果エンジニアリングの職にあります。 City Water, Light & Power (イリノイ州スプリングフィールド) と Kansas City Power & Light Company (現 Evergy) のカンザス州ラ・シーニュ駅との接続。 Buecker はアイオワ州立大学で化学の学士号を取得しており、流体力学、エネルギーと物質の平衡、高度な無機化学の追加コースも受講しています。 彼はさまざまな専門業界誌で 250 を超える記事を執筆または共著しており、発電所の化学と大気汚染管理に関する本を 3 冊執筆しています。 [email protected] までご連絡ください。