冷却塔における効果的な腐食制御戦略

冷却塔は効果的な排熱手段を提供し、空調、冷凍、産業用冷却用途で広く使用されています。冷却水系における腐食制御は、世界中の多くの産業にとって主要な課題です。

冷却水回路における腐食とスケーリングの問題は新しいものではありませんが、環境法規制の継続的な傾向により、蒸発度がますます高まり、結果としてさまざまな物質の残留濃度が非常に高くなっています。したがって、使用水が最初は清浄で非腐食性であっても、この濃縮効果により腐食性を帯び、スケーリングとバイオファウリングの傾向が高まります。

この記事では、冷却塔、それらが直面する最も一般的な腐食問題、およびそれらを防止する方法について見ていきます。

冷却塔回路のタイプ

閉鎖回路では、すべての冷却水が閉じたループ内に封じ込められます。大気との接触がなく、したがって大気による汚染リスクがありません。熱は、二次回路を介して伝導と対流によって除去され、一次回路水の蒸発によって直接除去されることはありません。閉鎖回路は、小規模プラント、高流量システム、または冷凍機（氷水タンク）を備えたシステムでのみ使用できます。

図1：閉鎖循環冷却システム
出典：Control of Corrosion in Cooling Waters, edited by J.D. Harston and F. Ropital

開放循環冷却システム（図2参照）が最も広く使用されています。半閉鎖回路は給水によって供給されます。循環水流量はポンプによって一定に保たれます。水は熱交換器で高温プロセス流体によって加熱されます。高温の水は冷却塔で直接空気と接触し、この接触と潜熱蒸発の損失によって冷却されます。

図2：開放循環冷却システム
出典：Control of Corrosion in Cooling Waters, edited by J.D. Harston and F. Ropital

未処理水使用から生じる問題

冷却水回路における3つの主要な問題タイプは、スケーリング、腐食、ファウリングです。これらの問題は強く相互に関連しており、そのうちの1つを治療するための是正措置は、しばしば他の問題に影響を及ぼします。

スケーリング

スケーリングは、金属やその他の表面が付着性の鉱物堆積物で覆われたときに発生すると見なされます。液体から固体粒子の沈殿によって生成される堆積物との違いは、スケールが表面に付着するという点です。スケール堆積物は浮遊固形物の捕捉を促進する可能性があります。

水冷却回路では、スケーリングは本質的に炭酸カルシウムの生成によるものです。スケールはその後、粘土、藻類残渣、硫酸カルシウムなどの他物質を含む場合がありますが、常に炭酸カルシウムが最初に沈殿します。なぜなら、その溶解度が最も低いためです。

腐食

金属の水系腐食は電気化学的性質を持ち、2つの独立した反応を含みます。第一の反応は金属の酸化に対応します。第二の反応は、腐食性媒質中の何らかの物質の還元です。金属酸化反応は陽極反応で、正に帯電した金属イオンを溶液中に、電子を金属中に放出します（下式参照）。

(M)_metal → (Mⁿ⁺)_solution + ne^-

その後、金属中で解放された電子が、腐食性媒質中の酸化剤を陰極反応で還元します（下式参照）。

(Ox^+q)_solution + (ne^-)_metal → (Red^q-n)_solution

媒質と材料に応じて、多様な腐食モードが発生し得ます。鋼合金の場合、最も一般的な腐食モードは一様腐食、孔食、隙間腐食、粒界腐食です。銅合金の場合、脱亜鉛化やAl、Niの析出などが腐食モードとしてあり得ます。

微生物による腐食ファウリング

微生物はすべての水に自然に存在します。これらが過度に増殖すると、水回路で2種類の問題を引き起こす可能性があります。

• バイオファウリング：機器表面への微生物コロニーの蓄積に関連し、バイオフィルムの形成をもたらします。
• 生物腐食：微生物による化学的攻撃に関連します。金属の場合、腐食は一般的に細菌によるものです。

どちらの場合も、微生物の増殖による影響は重大で、熱交換器の効率低下、配管の閉塞、背圧の上昇、さらには貫通腐食による漏洩に至ることがあります。

水回路の処理

上流の給水処理の目的は、原水の特性を変更して、関係する回路の要件を満たすことです。給水処理に関わらず、冷却回路の水には依然として薬剤を添加する必要があります。これは、採用された処理方針の成功を確実にするために、特定のサイトコンディショニングが必要だからです。一般的な薬剤は、スケール防止剤と分散剤、腐食防止剤、殺生物剤です。

スケール防止および/または分散剤処理 – 安定化

このプロセスでは、添加剤を回路に注入して、特に高温箇所での炭酸カルシウム沈殿を防止します。これらの製品は溶解度限界を高めるか、水を過飽和状態に維持します。これにより、回路をより高い濃縮比で運転できます。

関与する主要なメカニズムは以下の通りです。

• カルシウムとマグネシウムイオンと安定な分子を形成する隔離/錯形成
• 結晶核の毒殺
• 結晶成長の阻害
• 核生成粒子を溶解度限界近くの分散状態に保つ分散効果

安定化処理は、「フリーpH」での運転を可能にするため非常に人気があります。

pHはCO₂によって制御され、水と大気の間の溶解度平衡となり、M-アルカリ度（MA）の単純な関数となります。

pH制御

CaCO₃の溶解度限界はpHに敏感で、pHは炭酸イオン濃度に直接影響します。CaCO₃の沈殿を防ぐため、酸を回路に注入してpHを下げます。通常、硫酸がこの目的で選ばれます。

実際、酸の添加には2つの効果があります：HCO₃^-イオンを中和してCO₂を生成することでMAレベルを低下させます。また、CO₂が脱気によって回路から除去されるよりも速く生成される場合、pHを低下させます。

腐食防止処理

腐食防止剤を回路に添加すると、薄い吸着膜が形成され、伝熱を妨げません。これらは陽極と陰極の両方の腐食反応を阻害するために2つの活性剤を含みます。

陽極防止剤

陽極防止剤は陽極分極を増加させ、腐食電位を陰極方向にシフトさせます。これらの物質は金属腐食生成物と結合して完全に不溶性の塩を形成します。防止が純粋に陽極的である場合、大量の防止剤が必要です。これは非常に小容量の回路でのみ実用的で、防止剤の不足は局所的な加速攻撃を招く可能性があります。

陰極防止剤

陰極防止剤は、電気化学的腐食セルの還元反応速度を遅らせることで腐食を減らします。これらの物質は陰極腐食反応の生成物と結合して、再び不溶性化合物を形成します。陰極防止剤は、その濃度低下が局所腐食を誘発しないため、陽極防止剤よりリスクが低いです。

有機防止剤

有機防止剤の効果は、露出表面での電気化学反応を妨げる連続吸着膜の形成に関連します。この膜は、極性有機分子が金属表面に物理的または化学的に吸着することで形成されるため、分子の選択は関係する金属に依存します。

処理の実施

コンディショニング処理が定義された後、サイトの特定の特徴に従って実施されます。閉鎖回路の場合、コンディショニング製品は起動時に注入されます。偶発的な排水が発生しない限り、それ以上の追加は不要です。

開放循環水システムでは、非酸化性殺生物剤を除く試薬が、給水貯槽にポンプで定期的に注入されます。稀に重力注入が採用されることもあります。特定の重要な熱交換器では、追加のポイント処理が必要となる場合があります。

近年では、リアルタイム腐食監視システムが、一般的な腐食速度の評価や、局所的または孔食の可能性の評価に使用されています。これらのシステムは、電気化学ノイズ（ECN）、低周波インピーダンス（LFI）、高調波歪み分析（HDA）などの技術を組み合わせて使用します。