Hvad er den maksimale totale hårdhed (som CaCO₃), som en grad 2 titanium kappevarmer kan tolerere i geotermisk saltlage ved 120 grader uden at danne vedhæftende silikatskala?

De geotermiske saltlage er rige på calcium, magnesium og andre mineraler samt opløst silica (SiO2). Silica polymeriserer ved 120 grader og-udfældes sammen med calcium- og magnesiumkarbonater og silikater for at danne sejt aflejring på titaniumvarmeflader. I modsætning til calciumcarbonatskala, som kan opløses med syrerensning, er silikat-baserede skalaer såsom calciumsilikat og magnesiumsilicat modstandsdygtige over for de fleste syrer og kræver kraftig mekanisk fjernelse. Den største samlede hårdhed (udtrykt som CaCO3), som kan tolereres af grad 2 titanium uden dannelse af vedhæftende silikatskala, er en funktion af silicaniveauet og calcium-til-magnesiumforholdet. For den gennemsnitlige geotermiske saltlage med 200–400 ppm SiO₂ er den maksimale samlede hårdhed 500 ppm CaCO₃. Over denne temperatur bliver silikatbelægningen vedhæftende inden for 500 timer og nedbryder hurtigt varmeoverførslen.

Mekanismen for aflejring af silikatskala på titan

Ved 120 grader polymeriserer flydende silica (som H4SiO4) til kolloid silica og til sidst til amorf silica. I nærvær af calcium- og magnesiumioner udfældes silikatskæl direkte på den varme titaniumoverflade. Nedbørshastigheden vokser eksponentielt med temperaturen og den samlede hårdhed. Skalaen er amorf, hård og klæber stærkt ved kemisk binding til titaniumoxidlaget. I modsætning til karbonatskæl er silikatskæl ikke opløselige i de sædvanlige mineralsyrer (HCl, H2SO4, HNO3) i sikre mængder. Kun flussyre (HF) kan fjerne silikatskæl, men HF ødelægger titanium kraftigt, og kemisk rensning er derfor ikke levedygtig. Efter dannelsen skal silikatbelægningen fjernes mekanisk ved afskrabning eller med højtryksvandstråle, hvilket kan beskadige titaniumoverfladen.

Dannelse og overholdelse af en kvantitativ skala som en funktion af total hårdhed

Deres skalaegenskaber viste sig at være forskellige ved kontrolleret test i simuleret geotermisk saltlage (250 ppm SiO2, pH 7,5, 120 C) med variabel total hårdhed kvantificeret som ppm CaCO3 over en periode på 500 timer. Samlet hårdhed mindre end 200 ppm. Skallens tykkelse er 20-50 µm Skallen er pulveragtig og ikke-vedhæftende. Kan fjernes ved vandskylning. Ved hårdhed 200–400 ppm er kalktykkelsen 50–100 µm, skalaen er meget sej og fjernelse kræver børstning, med en vis ætsning af overfladen detekteret under skalaen. Ved en hårdhed på 400-600 ppm er skalaen 100-200 μm tyk, hård, meget klæbende, der kræver mekanisk skrabning for at fjerne, og der er 10-30 μm underskala-korrosion efter 500 timer. Skaltykkelsen er 200-400 µm, den vedhæftede silikatskala dannes på 100 timer, underskalaen er 50-100 µm, og varmeoverførselstabet er betydeligt. Ved hårdhed 600-800 ppm Belægningsdannelse er hurtig og vedholdende ved 800 ppm hårdhed. Perf risiko på 1.000-2.000 timer.

Hårdhedstolerance Effekt af silicakoncentration og Ca:Mg-forhold

Mere silica betyder mindre total hårdhed er tilladt. Hvis silica er mindre end 100 ppm. Maksimal hårdhed for ikke-vedhængende skala er 800 ppm. Kalktype er for det meste calciumcarbonat, som kan fjernes ved syrerensning. Maksimal hårdhed er kun 600 ppm. Silica er 100 til 200 ppm. Skallen er blandet carbonat-silikat, og fjernelse sker ved syre + børstning. Silica 200–300 ppm Maksimal hårdhed 500 ppm Skallen er silikatrig og moderat vedhæftende. Fjernelse kræver kun mekanisk børstning. For titanium er den maksimale hårdhed 400 ppm, med silica 300-400 ppm. Der dannes hård silikatbelægning, og fjernelse med HF anbefales ikke. Silica over 400 ppm giver en maksimal hårdhed på 300 ppm, og der dannes kraftige silikatbelægninger, som ikke fjernes uden skade på røret. Forholdet mellem calcium og magnesium påvirker også kedelstens vedhæftning, med større magnesiumindhold, der producerer mere sejlivede magnesiumsilicatskæl og begrænser den tilladte hårdhed med 20-30%.

Vejledning om hårdhed og silicahåndtering til geotermiske brinevarmere

Følgende tabel giver anbefalinger til styring af kalkdannelse på grad 2 titanium kappevarmere i geotermisk saltlage ved 120 grader som funktion af total hårdhed og silicakoncentration.

Total hårdhed (ppm CaCO3) Siliciumkoncentration (ppm) Skalatype Fjernelsesmetode Forventet skaltykkelse efter 1.000 timer (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 Enhver uacceptabel for klasse 2 N/AN/A
Engineering Beyond Hardness and Silica Control

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 mindsker skalaakkumulering. Fosfonater eller polyacrylater er effektive kedelstenshæmmere for karbonatskæl, men har ringe effekt på silikatskæl. Opstrøms blødgøring (ionbytning eller kalkblødgøring) for at sænke den samlede hårdhed til mindre end 200 ppm er den mest pålidelige mulighed.

Informeret specifikationsformulering

For eksempel kræver en grad 2 titanium kappevarmer i geotermisk saltlage ved 120 grader en fuldstændig analyse af saltvandet, inklusive total hårdhed som CaCO₃ og silicakoncentration. Hvis den samlede hårdhed er > 400 ppm eller silica er > 250 ppm, skal du angive opstrøms blødgøring for at sænke hårdheden til < 200 ppm. Til hårdhed 200-400 ppm og silica<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.