Која је максимална укупна тврдоћа (као ЦаЦО₃) коју грејач са титанијумским омотачем степена 2 може толерисати у геотермалној сланој води на 120 степени без формирања приањајуће силикатне скале?

Геотермалне слане воде су богате калцијумом, магнезијумом и другим минералима, као и раствореним силицијумом (СиО2). Силицијум се полимеризује на 120 степени и ко-таложи се са калцијум и магнезијум карбонатима и силикатима да би формирао чврст каменац на површинама грејача од титанијума. За разлику од калцијум карбонатног каменца, који се може растворити киселим чишћењем, љуспице на бази силиката-, као што су калцијум силикат и магнезијум силикат, отпорне су на већину киселина и захтевају снажно механичко уклањање. Највећа укупна тврдоћа (изражена као ЦаЦО3) коју титанијум 2. степена може толерисати без формирања приањајућег силикатног каменца је функција нивоа силицијум-диоксида и односа калцијума-према-магнезијуму. За просечан геотермални раствор соли са 200–400 ппм СиО₂ максимална укупна тврдоћа је 500 ппм ЦаЦО₃. Изнад ове температуре, силикатна скала постаје лепљива у року од 500 сати и брзо деградира пренос топлоте.

Механизам таложења силикатног каменца на титанијуму

На 120 степени течни силицијум диоксид (као Х4СиО4) полимеризује у колоидни силицијум диоксид и на крају у аморфни силицијум диоксид. У присуству јона калцијума и магнезијума, силикатне љуспице се таложе директно на врелу површину титанијума. Стопа падавина расте експоненцијално са температуром и укупном тврдоћом. Скала је аморфна, тврда и снажно пријања хемијском везом за слој титанијум оксида. За разлику од карбонатних љуспица, силикатне љуспице нису растворљиве у уобичајеним минералним киселинама (ХЦл, Х2СО4, ХНО3) у сигурним количинама. Само флуороводонична киселина (ХФ) може уклонити силикатне љуске, али ХФ снажно уништава титанијум и тако хемијско чишћење није одрживо. Након формирања, силикатни каменац се мора механички уклонити стругањем или млазом воде под високим притиском, који може оштетити површину титанијума.

Формирање и придржавање квантитативне скале као функција укупне тврдоће

Контролисаним испитивањем у симулираном геотермалном раствору соли (250 ппм СиО2, пХ 7,5, 120 Ц) са променљивом укупном тврдоћом квантификованом као ппм ЦаЦО3 у периоду од 500 сати, утврђено је да су њихова својства на скали различита. Укупна тврдоћа мања од 200 ппм. Дебљина љуске је 20-50 µм, љуска је прашкаста и не-пријања. Може се уклонити испирањем водом. При тврдоћи 200–400 ппм, дебљина скале је 50–100 µм, каменац је веома отпоран и потребно је четкање за уклањање, уз нешто угриза површине испод скале. При тврдоћи од 400-600 ппм, скала је дебела 100-200 μм, тврда, веома лепљива, захтева механичко стругање да би се уклонила и постоји корозија испод скале од 10-30 μм након 500 сати. Дебљина скале је 200-400 µм, приањајућа силикатна скала се формира за 100 сати, удубљење испод скале је 50-100 µм и губитак преноса топлоте је значајан. На тврдоћи 600-800 ппм Формирање скале је брзо и издржљиво при тврдоћи од 800 ппм. Перф ризик за 1.000-2.000 сати.

Толеранција тврдоће Ефекат концентрације силицијум диоксида и односа Ца:Мг

Више силицијум диоксида значи да је дозвољена мања укупна тврдоћа. Ако је силицијум диоксид мањи од 100 ппм. Максимална тврдоћа за скалу која се не-пријања је 800 ппм. Тип каменца је углавном калцијум карбонат који се може уклонити киселим чишћењем. Максимална тврдоћа је само 600 ппм. Силицијум је 100 до 200 ппм. Каменац је мешани карбонатни-силикат, а уклањање се врши киселином + четкањем. Силицијум 200–300 ппм Максимална тврдоћа 500 ппм Скала је богата силикатом и умерено пријања. За уклањање је потребно само механичко четкање. За титанијум, максимална тврдоћа је 400 ппм, са силицијумом 300-400 ппм. Формира се тврди силикатни каменац и не препоручује се уклањање ХФ-ом. Силицијум изнад 400 ппм даје максималну тврдоћу од 300 ппм и ствара тешке силикатне наслаге које се не уклањају без оштећења цеви. Однос калцијума и магнезијума такође утиче на приањање каменца, при чему већи садржај магнезијума ствара чвршће љуспице магнезијум силиката и ограничава дозвољену тврдоћу за 20–30%.

Водич за управљање тврдоћом и силицијумом за грејаче са геотермалним раствором соли

Следећа табела даје препоруке за контролу формирања каменца на грејачима са титанијумским омотачем степена 2 у геотермалном раствору соли на 120 степени у функцији укупне тврдоће и концентрације силицијум диоксида.

Укупна тврдоћа (ппм ЦаЦО3) Концентрација силицијума (ппм) Врста скале Метода уклањања Очекивана дебљина љуске након 1.000 сати (µм)<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 Било које неприхватљиво за разред 2 Н/АН/А
Инжењеринг изнад тврдоће и контроле силицијум диоксида

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 смањује накупљање каменца. Фосфонати или полиакрилати су ефикасни инхибитори каменца за карбонатне љуске, али имају мали утицај на силикатне љуске. Узводно омекшавање (јонска размена или омекшавање кречом) за смањење укупне тврдоће на мање од 200 ппм је најпоузданија опција.

Информисана формулација спецификације

На пример, грејач од титанијумског омотача 2. степена у геотермалном раствору соли на 120 степени захтева потпуну анализу слане воде, укључујући укупну тврдоћу као што је ЦаЦО₃ и концентрацију силицијум диоксида. Ако је укупна тврдоћа > 400 ппм или силицијум диоксид > 250 ппм, наведите омекшавање узводно да смањите тврдоћу на < 200 ппм. За тврдоћу 200-400 ппм и силицијум 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.