Каква е максималната обща твърдост (като CaCO₃), която нагревател от титаниева обвивка от клас 2 може да понесе в геотермална саламура при 120 градуса, без да образува полепнали силикатни нагари?

Геотермалните соли са богати на калций, магнезий и други минерали, както и на разтворен силициев диоксид (SiO2). Силициевият диоксид полимеризира при 120 градуса и ко-се утаява с калциеви и магнезиеви карбонати и силикати, за да образува упорити котлен камък върху повърхностите на титаниеви нагреватели. За разлика от котления камък от калциев карбонат, който може да се разтвори с киселинно почистване, люспите на основата на силикат- като калциев силикат и магнезиев силикат са устойчиви на повечето киселини и изискват силно механично отстраняване. Най-голямата обща твърдост (изразена като CaCO3), която може да бъде поносима от титан от степен 2 без образуване на прилепнал силикатен котлен камък, е функция на нивото на силициев диоксид и съотношението калций-към-магнезий. За средна геотермална солена вода с 200–400 ppm SiO₂ максималната обща твърдост е 500 ppm CaCO3. Над тази температура силикатният котлен камък се залепва в рамките на 500 часа и бързо влошава преноса на топлина.

Механизмът на отлагане на силикатна нагар върху титан

При 120 градуса течен силициев диоксид (като H4SiO4) полимеризира до колоиден силициев диоксид и евентуално до аморфен силициев диоксид. В присъствието на калциеви и магнезиеви йони силикатните люспи се утаяват директно върху горещата титанова повърхност. Скоростта на утаяване нараства експоненциално с температурата и общата твърдост. Скалата е аморфна, твърда и силно прилепнала чрез химическо свързване към слоя титанов оксид. За разлика от карбонатните нагари, силикатните накипи не са разтворими в обичайните минерални киселини (HCl, H2SO4, HNO3) в безопасни количества. Само флуороводородна киселина (HF) може да премахне силикатните люспи, но HF разрушава силно титана и затова химическото почистване не е жизнеспособно. След образуването си, силикатната нагар трябва да се отстрани механично чрез изстъргване или чрез водна струя под високо налягане, което може да повреди титановата повърхност.

Формиране и спазване на количествена скала като функция на общата твърдост

Установено е, че свойствата им на мащаб са различни чрез контролирано тестване в симулирана геотермална саламура (250 ppm SiO2, pH 7,5, 120 C) с променлива обща твърдост, количествено определена като ppm CaCO3 за период от 500 часа. Обща твърдост под 200 ppm. Дебелината на нагара е 20-50 µm Нагарът е прахообразен и не-полепва. Може да се отстрани чрез промиване с вода. При твърдост 200–400 ppm, дебелината на люспите е 50–100 µm, люспите са силно издръжливи и отстраняването им изисква четкане, като под скалата се забелязва известно ецване на повърхността. При твърдост 400-600 ppm, скалата е с дебелина 100-200 μm, твърда, силно адхезивна, изискваща механично изстъргване за отстраняване и има 10-30 μm корозия под скалата след 500 часа. Дебелината на скалата е 200-400 µm, залепващата силикатна скала се образува за 100 часа, люспите под котлен камък са 50-100 µm и загубата на топлина при пренос е значителна. При твърдост 600-800 ppm образуването на котлен камък е бързо и упорито при твърдост 800 ppm. Perf риск за 1000-2000 часа.

Толерантност към твърдост Ефект от концентрацията на силициев диоксид и съотношението Ca:Mg

Повече силициев диоксид означава, че е разрешена по-малка обща твърдост. Ако силициевият диоксид е по-малък от 100 ppm. Максималната твърдост за не-прилепнала скала е 800 ppm. Типът котлен камък е предимно калциев карбонат, който може да бъде отстранен чрез киселинно почистване. Максималната твърдост е само 600 ppm. Силицият е 100 до 200 ppm. Котленият камък е смесен карбонат-силикат и отстраняването е чрез киселина + четкане. Силициев диоксид 200–300 ppm Максимална твърдост 500 ppm Скалата е богата на силикати и умерено прилепваща. Отстраняването изисква само механично четкане. За титан максималната твърдост е 400 ppm, със силициев диоксид 300-400 ppm. Образува се твърда силикатна нагар и отстраняването с HF не се препоръчва. Силициевият диоксид над 400 ppm дава максимална твърдост от 300 ppm и се образува силна силикатна нагар, която не се отстранява без повреда на тръбата. Съотношението калций към магнезий също влияе върху прилепването на котления камък, като по-голямото съдържание на магнезий води до по-здрави магнезиеви силикатни люспи и ограничава допустимата твърдост с 20–30%.

Ръководство за управление на твърдостта и силициев диоксид за геотермални нагреватели за солен разтвор

Следващата таблица дава препоръки за контролиране на образуването на котлен камък върху нагреватели с титаниева обвивка степен 2 в геотермален солен разтвор при 120 градуса като функция на общата твърдост и концентрацията на силициев диоксид.

Обща твърдост (ppm CaCO3) Концентрация на силиций (ppm) Тип котлен камък Метод за отстраняване Очаквана дебелина след 1000 часа (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 Всеки неприемлив за степен 2 N/AN/A
Инженерство отвъд твърдостта и контрола върху силициевия диоксид

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 намалява натрупването на котлен камък. Фосфонатите или полиакрилатите са ефективни инхибитори на котления камък за карбонатните люспи, но имат малък ефект върху силикатните люспи. Омекотяването нагоре по веригата (йонообменно или омекотяване с вар) за понижаване на общата твърдост до по-малко от 200 ppm е най-надеждната опция.

Информирана формулировка на спецификацията

Например, нагревател от титаниева обвивка от степен 2 в геотермална саламура при 120 градуса изисква пълен анализ на саламура, включително обща твърдост като CaCO₃ и концентрация на силициев диоксид. Ако общата твърдост е > 400 ppm или силициевият диоксид е > 250 ppm, посочете омекване нагоре по веригата, за да намалите твърдостта до < 200 ppm. За твърдост 200-400 ppm и силициев диоксид<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.