Jaká je maximální celková tvrdost (jako CaCO₃), kterou může tolerovat ohřívač s titanovým pláštěm 2. stupně v geotermální solance při 120 stupních, aniž by se vytvořil přilnavý silikátový kámen?

Geotermální solanky jsou bohaté na vápník, hořčík a další minerály, stejně jako rozpuštěný oxid křemičitý (SiO2). Oxid křemičitý polymeruje při 120 stupních a spolu-sráží se s uhličitany a silikáty vápenatými a hořečnatými za vzniku houževnatého vodního kamene na povrchu titanových topných těles. Na rozdíl od uhličitanu vápenatého, který lze rozpustit kyselým čištěním, jsou okují na bázi křemičitanů, jako je křemičitan vápenatý a křemičitan hořečnatý, odolné vůči většině kyselin a vyžadují násilné mechanické odstranění. Nejvyšší celková tvrdost (vyjádřená jako CaCO3), kterou může titan stupně 2 tolerovat bez tvorby ulpívajících silikátových okují, je funkcí obsahu oxidu křemičitého a poměru vápníku-k{10}}hořčíku. Pro průměrnou geotermální solanku s 200–400 ppm SiO₂ je maximální celková tvrdost 500 ppm CaCO₃. Nad touto teplotou se silikátové okují přilnou během 500 hodin a rychle degradují přenos tepla.

Mechanismus depozice silikátového kamene na titanu

Při 120 stupních kapalný oxid křemičitý (jako H4SiO4) polymeruje na koloidní oxid křemičitý a případně na amorfní oxid křemičitý. V přítomnosti vápenatých a hořečnatých iontů se přímo na horkém titanovém povrchu vysrážejí křemičitanové okuje. Rychlost srážení roste exponenciálně s teplotou a celkovou tvrdostí. Okuje je amorfní, tvrdá a silně přilnavá chemickou vazbou na vrstvu oxidu titanu. Na rozdíl od uhličitanových okují nejsou křemičitanové okuje v bezpečných množstvích rozpustné v obvyklých minerálních kyselinách (HCl, H2SO4, HNO3). Pouze kyselina fluorovodíková (HF) může odstranit silikátové usazeniny, ale HF ničí titan silně, takže chemické čištění není životaschopné. Křemičitanové okují je po jejich vytvoření nutno mechanicky odstranit oškrábáním nebo vysokotlakým vodním paprskem, který může poškodit titanový povrch.

Tvorba a dodržování kvantitativní stupnice jako funkce celkové tvrdosti

Kontrolovaným testováním v simulované geotermální solance (250 ppm SiO2, pH 7,5, 120 C) s proměnlivou celkovou tvrdostí kvantifikovanou jako ppm CaCO3 po dobu 500 hodin bylo zjištěno, že jejich měřítko se liší. Celková tvrdost menší než 200 ppm. Tloušťka stupnice je 20-50 µm Stupnice je prášková a nepřilnavá-. Lze odstranit opláchnutím vodou. Při tvrdosti 200–400 ppm je tloušťka okují 50–100 µm, okují je vysoce houževnatý a odstranění vyžaduje kartáčování, přičemž pod okují je patrné určité leptání povrchu. Při tvrdosti 400-600 ppm je okují tlustá 100–200 μm, tvrdá, vysoce přilnavá, k odstranění vyžaduje mechanické oškrábání a po 500 hodinách dochází k korozi 10–30 μm. Tloušťka okují je 200-400 µm, ulpívající silikátové okují se vytvoří za 100 hodin, důlek pod okují je 50-100 µm a ztráty přestupem tepla jsou značné. Při tvrdosti 600-800 ppm Tvorba vodního kamene je rychlá a houževnatá při tvrdosti 800 ppm. Riziko výkonu za 1 000-2 000 hodin.

Tolerance tvrdostiVliv koncentrace oxidu křemičitého a poměru Ca:Mg

Více oxidu křemičitého znamená, že je povolena nižší celková tvrdost. Pokud je obsah oxidu křemičitého nižší než 100 ppm. Maximální tvrdost pro-nepřilnavé vodní kámen je 800 ppm. Typ vodního kamene je většinou uhličitan vápenatý, který lze odstranit kyselým čištěním. Maximální tvrdost je pouze 600 ppm. Oxid křemičitý je 100 až 200 ppm. Vodní kámen je smíšený uhličitan{12}}silikát a odstraňuje se kyselinou + kartáčováním. Oxid křemičitý 200–300 ppm Maximální tvrdost 500 ppm Stupnice je bohatá na silikáty a středně přilnavá. Odstranění vyžaduje pouze mechanické kartáčování. U titanu je maximální tvrdost 400 ppm, u oxidu křemičitého 300-400 ppm. Tvoří se tvrdé silikátové okují a odstranění pomocí HF se nedoporučuje. Oxid křemičitý nad 400 ppm poskytuje maximální tvrdost 300 ppm a tvoří se silné silikátové okují, které nelze odstranit bez poškození trubky. Poměr vápníku a hořčíku také ovlivňuje přilnavost vodního kamene, přičemž větší obsah hořčíku vytváří houževnatější křemičitany hořečnatého a omezuje přípustnou tvrdost o 20–30 %.

Průvodce řízením tvrdosti a oxidu křemičitého pro geotermální ohřívače solanky

Následující tabulka uvádí doporučení pro řízení tvorby vodního kamene na ohřívačích s titanovým pláštěm stupně 2 v geotermální solance při 120 stupních jako funkci celkové tvrdosti a koncentrace oxidu křemičitého.

Celková tvrdost (ppm CaCO3) Koncentrace křemíku (ppm) Typ vodního kamene Způsob odstranění Očekávaná tloušťka vodního kamene po 1 000 hodinách (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 Jakékoli Nepřijatelné pro stupeň 2 N/AN/A
Technika nad rámec tvrdosti a kontroly křemíku

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 snižuje hromadění vodního kamene. Fosfonáty nebo polyakryláty jsou účinnými inhibitory tvorby úsad pro uhličitanové úsady, ale mají malý účinek na křemičitanové úsady. Předřazené změkčení (iontová výměna nebo změkčení vápna) ke snížení celkové tvrdosti na méně než 200 ppm je nejspolehlivější možností.

Informovaná formulace specifikace

Například titanový plášťový ohřívač stupně 2 v geotermální solance při 120 stupních vyžaduje úplnou analýzu solanky, včetně celkové tvrdosti jako CaCO3 a koncentrace oxidu křemičitého. Pokud je celková tvrdost > 400 ppm nebo oxid křemičitý > 250 ppm, specifikujte předřazené změkčení na nižší tvrdost na < 200 ppm. Pro tvrdost 200-400 ppm a oxid křemičitý<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.