Яка максимальна загальна твердість (у вигляді CaCO₃), яку може витримати нагрівач з титанової оболонки 2 класу в геотермальному розсолі при 120 градусах без утворення злиплої силікатної окалини?

Геотермальні розсоли багаті кальцієм, магнієм та іншими мінералами, а також розчиненим кремнеземом (SiO2). Кремнезем полімеризується при 120 градусах і спів-випадає в осад із карбонатами та силікатами кальцію та магнію, утворюючи міцну накип на титанових поверхнях нагрівача. На відміну від накипу карбонату кальцію, який можна розчинити за допомогою очищення кислотою, накип на основі силікатних-кальцій, таких як силікат кальцію та силікат магнію, стійкий до більшості кислот і потребує силового механічного видалення. Найбільша загальна твердість (виражена як CaCO3), яку може витримати титан класу 2 без утворення налипання силікатної окалини, є функцією рівня кремнезему та співвідношення кальцію-до-магнію. Для середнього геотермального розсолу з 200–400 ppm SiO₂ максимальна загальна жорсткість становить 500 ppm CaCO3. При вищій температурі силікатна окалина прилипає протягом 500 годин і швидко погіршує тепловіддачу.

Механізм утворення силікатної окалини на титані

При температурі 120 градусів рідкий кремнезем (як H4SiO4) полімеризується до колоїдного кремнезему і, зрештою, до аморфного кремнезему. У присутності іонів кальцію і магнію силікатні луски осідають безпосередньо на розпечену поверхню титану. Швидкість опадів експоненціально зростає з температурою та загальною твердістю. Накип аморфний, твердий і міцно прилипає до шару оксиду титану завдяки хімічному зв’язку. На відміну від карбонатних накипів, силікатні накипи не розчиняються в звичайних мінеральних кислотах (HCl, H2SO4, HNO3) у безпечних кількостях. Лише плавикова кислота (HF) може видалити силікатну луску, але HF сильно руйнує титан, тому хімічне очищення неможливе. Після утворення силікатна окалина повинна бути механічно видалена за допомогою скребка або струменем води під високим тиском, що може пошкодити поверхню титану.

Формування та дотримання кількісної шкали як функції загальної твердості

Результати контрольованих випробувань у моделюваному геотермальному розсолі (250 ppm SiO2, рН 7,5, 120 C) зі змінною загальною твердістю, кількісно визначеною як ppm CaCO3, протягом 500 годин виявили, що їхні властивості накипу відрізняються. Загальна твердість менше 200 ppm. Товщина окалини становить 20-50 мкм. Накип є порошкоподібною та не-липкою. Можна видалити за допомогою промивання водою. При твердості 200–400 ppm товщина окалини становить 50–100 мкм, окалина дуже міцна, її потрібно видалити щіткою, з деяким травленням поверхні під окалиною. При твердості 400-600 ppm окалина має товщину 100-200 мкм, тверда, має високу адгезію, для її видалення потрібно механічне зіскоблювання, а через 500 годин утворюється корозія 10-30 мкм. Товщина окалини становить 200-400 мкм, силікатна окалина, що прилипає, утворюється за 100 годин, ямка під окалиною становить 50-100 мкм, а втрати тепла є значними. При твердості 600-800 ppm утворення накипу відбувається швидко і стійко при твердості 800 ppm. Ризик виконання за 1000-2000 годин.

Толерантність до твердості. Вплив концентрації кремнезему та співвідношення Ca:Mg

Більша кількість кремнезему означає меншу загальну твердість. Якщо діоксид кремнію менше 100 ppm. Максимальна твердість не-липкої окалини становить 800 ppm. Тип накипу - це переважно карбонат кальцію, який можна видалити кислотним очищенням. Максимальна твердість становить лише 600 ppm. Кремнезем становить від 100 до 200 ppm. Накип – змішаний карбонат-силікат, видалення кислотою + щіткою. Кремнезем 200–300 ppm Максимальна твердість 500 ppm Накип насичений силікатами та має помірну адгезію. Видалення вимагає лише механічного чищення. Для титану максимальна твердість становить 400 ppm, для кремнезему 300-400 ppm. Утворюється твердий силікатний наліт, видалення за допомогою HF не рекомендується. Кремнезем вище 400 ppm дає максимальну твердість 300 ppm, і утворюється серйозна силікатна накип, яка не видаляється без пошкодження трубки. Співвідношення кальцію та магнію також впливає на прилипання окалини, причому більший вміст магнію створює більш міцні лусочки силікату магнію та обмежує допустиму твердість на 20–30%.

Керівництво з управління твердістю та кремнеземом для геотермальних нагрівачів розсолу

У наступній таблиці наведено рекомендації щодо контролю утворення накипу на нагрівачах з титановою оболонкою класу 2 у геотермальному розсолі при 120 градусах як функцію загальної твердості та концентрації кремнезему.

Загальна твердість (ppm CaCO3) Концентрація кремнію (ppm) Тип накипу Метод видалення Очікувана товщина накипу через 1000 годин (мкм)<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 Будь-який неприйнятний для 2-го класу N/AN/A
Розробка поза межами твердості та контролю кремнезему

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 м/с зменшує накопичення накипу. Фосфонати або поліакрилати є ефективними інгібіторами утворення карбонатних відкладень, але мало впливають на силікатні відкладення. Попереднє розм’якшення (іонообмін або розм’якшення вапном) для зниження загальної твердості до рівня менше 200 ppm є найбільш надійним варіантом.

Обґрунтована формулювання специфікації

Наприклад, обігрівач із титановою оболонкою 2 класу в геотермальному розсолі при 120 градусах вимагає повного аналізу розсолу, включаючи загальну твердість у вигляді CaCO₃ та концентрацію кремнезему. Якщо загальна твердість становить > 400 ppm або діоксид кремнію > 250 ppm, вкажіть розм’якшення на початку потоку, щоб знизити твердість до < 200 ppm. Для твердості 200-400 ppm і кремнезему<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.