Ποια είναι η μέγιστη ολική σκληρότητα (ως CaCO3) που μπορεί να ανεχθεί ένας θερμαντήρας θήκης τιτανίου βαθμού 2 σε γεωθερμική άλμη στους 120 βαθμούς χωρίς να σχηματίζει προσκολλητική κλίμακα πυριτίου;

Οι γεωθερμικές άλμη είναι πλούσιες σε ασβέστιο, μαγνήσιο και άλλα μέταλλα καθώς και σε διαλυμένο πυρίτιο (SiO2). Το πυρίτιο πολυμερίζεται στους 120 βαθμούς και συν--καθιζάνει με ανθρακικά και πυριτικά ασβέστιο και μαγνήσιο για να σχηματίσει ανθεκτική κλίμακα σε επιφάνειες θερμαντήρα τιτανίου. Σε αντίθεση με το άλας ανθρακικού ασβεστίου, το οποίο μπορεί να διαλυθεί με καθαρισμό με οξύ, τα άλατα με βάση το πυριτικό-όπως το πυριτικό ασβέστιο και το πυριτικό μαγνήσιο είναι ανθεκτικά στα περισσότερα οξέα και απαιτούν δυναμική μηχανική αφαίρεση. Η μεγαλύτερη ολική σκληρότητα (εκφρασμένη ως CaCO3) που μπορεί να γίνει ανεκτή από το τιτάνιο βαθμού 2 χωρίς το σχηματισμό κολλώδους πυριτικού άλατος είναι συνάρτηση του επιπέδου του πυριτίου και της αναλογίας ασβεστίου-προς{10}}μαγνήσιο. Για τη μέση γεωθερμική άλμη με 200–400 ppm SiO2, η μέγιστη συνολική σκληρότητα είναι 500 ppm CaCO3. Πάνω από αυτή τη θερμοκρασία η κλίμακα πυριτικού άλατος προσκολλάται εντός 500 ωρών και υποβαθμίζει γρήγορα τη μεταφορά θερμότητας.

Ο Μηχανισμός της Εναπόθεσης Πυριτικής Κλίμακας στο Τιτάνιο

Στους 120 βαθμούς το υγρό πυρίτιο (ως H4SiO4) πολυμερίζεται σε κολλοειδές πυρίτιο και τελικά σε άμορφο πυρίτιο. Παρουσία ιόντων ασβεστίου και μαγνησίου κατακρημνίζονται πυριτικά λέπια απευθείας στην καυτή επιφάνεια του τιτανίου. Ο ρυθμός καθίζησης αυξάνεται εκθετικά με τη θερμοκρασία και τη συνολική σκληρότητα. Η ζυγαριά είναι άμορφη, σκληρή και ισχυρά προσκολλημένη με χημική σύνδεση με το στρώμα οξειδίου του τιτανίου. Σε αντίθεση με τα ανθρακικά άλατα, τα πυριτικά άλατα δεν είναι διαλυτά στα συνήθη ορυκτά οξέα (HCl, H2SO4, HNO3) σε ασφαλείς ποσότητες. Μόνο το υδροφθορικό οξύ (HF) μπορεί να αφαιρέσει τα λέπια πυριτικού άλατος, αλλά το HF καταστρέφει το τιτάνιο έντονα και έτσι ο χημικός καθαρισμός δεν είναι βιώσιμος. Μετά το σχηματισμό του, η πλάκα πυριτικού άλατος πρέπει να αφαιρεθεί μηχανικά με απόξεση ή με πίδακα νερού υψηλής πίεσης, η οποία μπορεί να βλάψει την επιφάνεια του τιτανίου.

Σχηματισμός και τήρηση Ποσοτικής Κλίμακας ως Συνάρτηση Ολικής Σκληρότητας

Οι ιδιότητές τους κλίμακας βρέθηκαν να είναι διαφορετικές με ελεγχόμενη δοκιμή σε προσομοιωμένη γεωθερμική άλμη (250 ppm SiO2, pH 7,5, 120 C) με μεταβλητή συνολική σκληρότητα ποσοτικοποιημένη ως ppm CaCO3 σε περίοδο 500 ωρών. Ολική σκληρότητα μικρότερη από 200 ppm. Το πάχος της κλίμακας είναι 20-50 μm Η ζυγαριά είναι πούδρα και δεν προσκολλάται-. Μπορεί να αφαιρεθεί με έκπλυση με νερό. Σε σκληρότητα 200–400 ppm, το πάχος της κλίμακας είναι 50–100 μm, τα άλατα είναι πολύ ανθεκτικά και η αφαίρεση χρειάζεται βούρτσισμα, με κάποια χάραξη της επιφάνειας να ανιχνεύεται κάτω από την κλίμακα. Σε σκληρότητα 400-600 ppm, η κλίμακα είναι 100-200 μm πάχους, σκληρή, πολύ συγκολλητική, που απαιτεί μηχανικό ξύσιμο για να αφαιρεθεί και υπάρχει διάβρωση κάτω από την κλίμακα 10-30 μm μετά από 500 ώρες. Το πάχος της κλίμακας είναι 200-400 μm, η κλίμακα πυριτικού άλατος που προσκολλάται σχηματίζεται σε 100 ώρες, η κοιλότητα κάτω από την κλίμακα είναι 50-100 μm και η απώλεια μεταφοράς θερμότητας είναι σημαντική. Σε σκληρότητα 600-800 ppm Ο σχηματισμός αλάτων είναι γρήγορος και ανθεκτικός σε σκληρότητα 800 ppm. Perf risk σε 1.000-2.000 ώρες.

Ανοχή σκληρότητας Επίδραση συγκέντρωσης πυριτίου και αναλογία Ca:Mg

Περισσότερο πυρίτιο σημαίνει ότι επιτρέπεται λιγότερη συνολική σκληρότητα. Εάν το πυρίτιο είναι μικρότερο από 100 ppm. Η μέγιστη σκληρότητα για κλίμακα που δεν προσκολλάται- είναι 800 ppm. Ο τύπος αλάτων είναι κυρίως ανθρακικό ασβέστιο, το οποίο μπορεί να αφαιρεθεί με καθαρισμό με οξύ. Η μέγιστη σκληρότητα είναι μόνο 600 ppm. Το πυρίτιο είναι 100 έως 200 ppm. Τα λέπια είναι ανάμεικτα ανθρακικά-πυριτικά και η αφαίρεση γίνεται με οξύ + βούρτσισμα. Πυρίτιο 200–300 ppm Μέγιστη σκληρότητα 500 ppm Η ζυγαριά είναι πλούσια σε πυριτικά άλατα και έχει μέτρια πρόσφυση. Η αφαίρεση απαιτεί μόνο μηχανικό βούρτσισμα. Για το τιτάνιο, η μέγιστη σκληρότητα είναι 400 ppm, με πυρίτιο 300-400 ppm. Σχηματίζεται σκληρό πυριτικό άλας και δεν συνιστάται η αφαίρεση με HF. Το διοξείδιο του πυριτίου πάνω από 400 ppm δίνει μέγιστη σκληρότητα 300 ppm και σοβαρές μορφές πυριτικών αλάτων που δεν αφαιρούνται χωρίς ζημιά στο σωλήνα. Η αναλογία ασβεστίου προς μαγνήσιο επηρεάζει επίσης την προσκόλληση αλάτων, με μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε μαγνήσιο που παράγει πιο ανθεκτικά λέπια πυριτικού μαγνησίου και περιορίζει την επιτρεπόμενη σκληρότητα κατά 20-30%.

Οδηγός για τη διαχείριση σκληρότητας και πυριτίου για θερμαντήρες γεωθερμικής άλμης

Ο ακόλουθος πίνακας παρέχει συστάσεις για τον έλεγχο του σχηματισμού αλάτων σε θερμαντήρες θήκης τιτανίου Βαθμού 2 σε γεωθερμική άλμη στους 120 βαθμούς ως συνάρτηση της συνολικής σκληρότητας και της συγκέντρωσης πυριτίου.

Ολική σκληρότητα (ppm CaCO3) Συγκέντρωση πυριτίου (ppm) Τύπος κλίμακας Μέθοδος αφαίρεσης Αναμενόμενο πάχος κλίμακας μετά από 1.000 ώρες (μm)<200 <200 Calcium carbonate Acid cleaning (5% HCl) <50
200–400 <200 Mixed carbonate-silicate Acid + brushing 50–100 200–400 200–300 Silicate-rich Mechanical brushing only 100–150 400–500 200–300 Hard silicate Mechanical (high-pressure water) 150–200 400–500 >300 Severe silicateNot detachable >200 >500 Οποιοδήποτε μη αποδεκτό για τον βαθμό 2 N/AN/A
Μηχανική πέρα ​​από τη σκληρότητα και τον έλεγχο του πυριτίου

The grade of titanium does not effect the creation of the scale but influences the corrosion under the scale. Grade 7 (palladium-stabilized) is 2–3 times more resistant to under-scale pitting than Grade 2, meaning cleaning is not critical until a bit later in its service life. Wall thickness gives a corrosion allowance, 2.0 mm wall with mild under-scale pitting at 0.05 mm/year lasts 40 years. The tube surface finish affects scale adhesion, with electropolished surfaces (Ra < 0.3 µm) being easier to clean than as drawn surfaces. Mechanical scouring at flow velocities >1 m/s μειώνει τη συσσώρευση αλάτων. Τα φωσφονικά ή τα πολυακρυλικά είναι αποτελεσματικοί αναστολείς αλάτων για ανθρακικά άλατα, αλλά έχουν μικρή επίδραση στα λέπια πυριτικών αλάτων. Η ανάντη αποσκλήρυνση (ανταλλαγή ιόντων ή αποσκλήρυνση ασβέστη) για μείωση της συνολικής σκληρότητας σε λιγότερο από 200 ppm είναι η πιο αξιόπιστη επιλογή.

Διατύπωση ενημερωμένης προδιαγραφής

Για παράδειγμα, ένας θερμαντήρας θήκης τιτανίου Βαθμού 2 σε γεωθερμική άλμη στους 120 βαθμούς απαιτεί πλήρη ανάλυση της άλμης, συμπεριλαμβανομένης της συνολικής σκληρότητας ως CaCO3 και συγκέντρωσης πυριτίου. Εάν η συνολική σκληρότητα είναι > 400 ppm ή το διοξείδιο του πυριτίου είναι > 250 ppm, καθορίστε το upstream softening έως χαμηλότερη σκληρότητα σε < 200 ppm. Για σκληρότητα 200-400 ppm και πυρίτιο<200 ppm, indicate annual mechanical cleaning with nylon brush, never steel. Do not use HF or HCl to clean existing heaters with silicate scale, use a high pressure water jet at 5,000-10,000 psi to manually remove scale. Monitor heater power usage during operation; a 15% rise at constant flow shows scale accumulation and the need for cleaning. The engineer respects the limit of 500 ppm maximum total hardness for 250 ppm SiO₂ in order to avoid the formation of adherent silicate scale on Grade 2 titanium heaters in geothermal brine service.