Како концентрација раствореног силицијум диоксида на 100 степени воде у расутом стању утиче на формирање изолационог силикатног каменца на омотачу грејача од нерђајућег челика 316

Механизам таложења аморфног силицијум диоксида и његова термичка отпорност

Формирање аморфног силикатног каменца представља јединствен проблем запрљања за електричне грејне цеви од нерђајућег челика 316 које раде у води високе температуре која садржи растворени силицијум (СиО₂) уобичајен у геотермалној води, напојној води за котлове и одређеним индустријским процесним токовима, а разликује се од каменца калцијум карбоната. Силикатни каменац настаје полимеризацијом силицијумске киселине (Си(ОХ)4) на загрејаним металним површинама, док карбонатни каменац настаје преципитацијом кристалних соли. На температурама воде у расутом стању од 100 степени (кључала вода), концентрације раствореног силицијум диоксида веће од отприлике 50-80 ппм (као СиО2) брзо полимеризују на загрејаним површинама. Настала аморфна силицијумска скала на површини има веома ниску топлотну проводљивост (око 0,5-1,5 В/м·К наспрам 15-20 В/м·К за нерђајући челик 316), и стога ствара слој изолације који подиже температуру омотача за 20-50 степени током недеља. Ово повећање температуре додатно убрзава таложење силицијум диоксида и може довести до неуспеха прегревања. Овај чланак квантификује везу између концентрације раствореног силицијум диоксида, брзине развоја каменца и губитка топлотних перформанси на 100 степени.

Механизам полимеризације силиката на загрејаним површинама

Растворени силицијум диоксид у води је углавном у облику мономерне силицијумске киселине Си(ОХ) 4. Аморфни силицијум има растворљивост од ~300-400 ппм на 100 степени, у зависности од пХ. Изнад границе растворљивости, силицијум се полимеризује и формирају се колоидне честице које се коначно таложе као аморфна опалинска љуска. Испод границе растворљивости, међутим, вруће металне површине могу катализовати полимеризацију, пошто висока површинска температура повећава брзину реакције (Аррхениус понашање). Енергија активације за полимеризацију силицијум диоксида до нерђајућег челика 316 је реда величине 40-60 кЈ/мол, тако да се брзина таложења удвостручује за сваких 10-15 степени повећања температуре омотача. Формира се танак слој силицијум диоксида и његово изолационо дејство додатно подиже температуру омотача у циклусу самоубрзавања.

Квантификована веза између концентрације силицијум диоксида и формирања каменца на 100Ц

Следеће стопе формирања каменца и изградње термичке отпорности током 1.000 сати су одређене из контролисаних студија зарастања на 316 омотача од нерђајућег челика (топлотни ток 5 В/цм2) у води на 1000Ц запреминске температуре са различитим количинама раствореног силицијум диоксида (пХ 7,5).

Концентрација раствореног силицијум-диоксида (ппм као СиО2) Дебљина скале након 1000 сати (µм) Топлотна проводљивост скале силицијум-диоксида (В/м. К) Додатна топлотна отпорност (м2. К/В) Повећање температуре омотача изнад масе (степен, на 5 В/цм2) Температура за пораст од 100 степени (услуга).<20 <5 1.0-1.5 <0.0005 <2.5 >5,000 Yes 20-40 5-15 1.0-1.5 0.0005-0.0015 2.5-7.5 2,000-5,000 Yes 40-60 15-30 0.8-1.2 0.0015-0.0030 7.5-15 1,000-2,000 Acceptable with monitoring 60-80 30-50 0.7-1.0 0.0030-0.0050 15-25 500-1,000 Marginal 80-100 50-80 0.6-0.9 0.0050-0.0080 25-40 200-500 Not recommended 100-150 80-120 0.5-0.7 0.0080-0.0120 40-60 100-200 Unacceptable >150 >120 <0.6 >0.0120 >60 <100 Unacceptable
Ефекат пХ на брзину таложења силицијум-диоксида

Полимеризација силицијум диоксида је веома зависна од пХ-, са најнижом растворљивошћу и стопом таложења на пХ 7,5–8,0. При нижим пХ (кисела) силицијумска киселина је ненаелектрисана и спорије полимеризује. У алкалном раствору (висок пХ) силицијум постоји као силикат (СиО3 2-) јони који брзо полимеришу и такође се комбинују са калцијумом и магнезијумом да би произвели сложене силикате. Утицај пХ на брзину таложења при 100 ппм СиО2 дат је у табели испод.

пХ на 100 степени Спецификација силицијум диоксида Релативна стопа таложења (пХ 7.5=1.0) Морфологија скале Препоручени пХ опсег<6.0 Si(OH)4 (monomeric) 0.3-0.5 Thin, glassyAcceptable but corrosive 
6,0-7,0 Си(ОХ)₄ доминира 0,6-0,8 Умерено до дебело Прихватљиво
7,0-7,5 Мешовито 0,9-1,1 Умерено Оптимално
7,5-8,0 Помешано са мало СиО3 2- 1.0-1.5 Умерено до тешко Маргинално
8.0-9.0 SiO3 2- dominant 1.5-3.0 Heavy, occasionally crystallineNot advisable >9,0 СиО₃²⁻ + метални силикати 3,0-5,0 Веома тешка, лепљива Није добро
Спецификације хемије воде - Практична контрола силицијум диоксида

Предложена су следећа ограничења силицијум-диоксида за 316 грејача са плаштом са температуром воде у маси од 100 степени за предвиђени радни век.

Maximum Dissolved Silica (ppm as SiO2) Desired Service Life (hours)Max. Heat Flux (W/cm²)>Препоручени третман воде10.000<30 <5 None required 10,000 30-50 <4 Monitor silica 5,000-10,000 50-70 <3 Silica removal (reverse osmosis) or periodic cleaning
3,000-5,000 70-90 <2 Removal of silica necessary <3,000 >90Било који 316 није саветован; истражити надоградњу легуре или спољашње грејање
Теренска идентификација грешака у силикатној скали

Типична индикација 316 грејача у води са високим{1}}силицијум диоксидом је тврда, стакласта, провидна до бела љуска коју је веома тешко механички уклонити (потребно је хемијско чишћење флуороводоничном киселином или врућим каустиком). Скала је генерално глатка и може имати "луд" изглед. Нека корозија може бити видљива на металној површини иза скале - квар је углавном термички (прегревање), а не корозиван. Грејач може покварити прегоревањем (отопљеном отпорном жицом), а не перфорацијом омотача. У таквим кваровима, испитивање рендгенске дифракције (КСРД) скале открива аморфни силицијум диоксид (широка грба) или, на вишим температурама, кристални кристобалит. Енергетска дисперзивна Кс- спектроскопија (ЕДС) показује силицијум и кисеоник са мало гвожђа и хрома. Решење је да се смањи садржај силицијум диоксида било реверзном осмозом или изменом јона или разблажењем или да се ради на нижем топлотном флуксу да би се снизила температура омотача.

Приступи за ублажавање великих{0}}вода од силицијум-диоксида

Три опције за ублажавање могу да продуже животни век грејача када се нивои силицијум диоксида не могу економично смањити. Први је да се минимизира проток топлоте. За дату снагу, већа површина омотача (дужи или већи пречник омотача) значи нижу температуру омотача, што експоненцијално успорава полимеризацију силицијум диоксида. На пример, смањење топлотног флукса са 5 В/цм² на 3 В/цм² смањује стопу таложења силицијум диоксида за око 50-70%. Друга техника је рад на нижим температурама: смањењем са 100оЦ на 90оЦ смањује се брзина полимеризације силицијум диоксида за око 40-50%. Трећа опција је увођење инхибитора каменца. Неки фосфонати и полимери могу успорити полимеризацију силицијум диоксида, иако су мање ефикасни него за карбонатни каменац. Једини поуздани лек за озбиљно загађивање силицијумом је прелазак на индиректно грејање (нпр. парни измењивач топлоте) или коришћење грејача са омотачем који се може уклонити.

ЗАКЉУЧАК: ПОУЗДАНОСТ ГРЕЈАЧА 316 СА КОНТРОЛОМ ОТВОРЕНОГ СИЛИЦИЈУМА ОД 100 степени

Брзо стварање изолационе аморфне силикатне скале на 316 грејача обложених нерђајућим челиком примећено је у води на 100 степени при концентрацији раствореног силицијум диоксида преко 60-80 ппм. Формирање ове скале изазива повећање температуре омотача за 15-25 степени у року од 500-1.000 сати и доводи до квара прегревања. Критична граница за 10.000 сати рада је 30 ппм СиО2 при топлотном флуксу од 5 В/цм2. Инжењери који бирају 316 омотача за геотермалну енергију, напајање из котлова или друге токове са високим садржајем силицијум диоксида морају анализирати концентрацију раствореног силицијум диоксида да би је или ограничили (реверзном осмозом или разблаживањем) или смањили топлотни ток ради компензације. Изнад нивоа силицијум диоксида од 80 ппм, 316 омотача није одобрено за било какав топлотни ток. Оквир који је овде развијен пружа однос између концентрације раствореног силицијум диоксида и мерљивих стопа развоја каменца и акумулације термичке отпорности, омогућавајући купцу да захтева третман воде или промене дизајна грејача које избегавају начин рада скривеног квара прегревања изазваног силикатом.