Millä erityisellä lämpövuon ja piidioksidin (SiO₂) pitoisuuden yhdistelmällä geotermisessä vedessä 180 asteessa 316 litran lämmittimen vaippa kehittää amorfista silikaattikiveä, joka aiheuttaa paikallista ylikuumenemista ja palamista

Korkean lämpötilan piidioksidipinnoitusmekanismi geotermiseen lämmitykseen

Korkean lämpötilan (180 astetta), korkean piidioksidipitoisuuden (tyypillinen 200{6}}600 ppm SiO 2 ) ja suuren lämpövuon (5-15 W/cm 2 ) yhdistelmä saa aikaan nopean amorfisen piidioksidikiven saostumisen 316 litran sähkölämmitysvesikuumennusputkien}{2teräsputkissa} {2} kuten binäärivoimalaitoksissa, käytä suoraan-kaukolämpöä tai kaivolämmittimiä. Toisin kuin kalsiumkarbonaattihilse, joka muodostuu vain liukoisuusrajan ylittäessä, amorfinen piidioksidi voi polymeroitua ja kerrostua jopa alle kyllästymisen, koska korkea pintalämpötila kiihdyttää kondensaatioreaktiota. Amorfisen piidioksidin liukoisuus veteen 180 asteessa on noin 300-400 ppm. SiO2:n paikallista ylikyllästystä tapahtuu, vaikka bulkkipitoisuus on alle kyllästymisen (200-300 ppm), kun lämpövirtaus on 8-10 W/cm2 ja vaipan pintalämpötila on 220-250 astetta. Muodostuneella piidioksidihilseellä on suhteellisen alhainen lämmönjohtavuus (0,5-1,0 W/m·K). Kalkin paksuus (100-200 µm) aiheuttaa vaipan lämpötilan nousun 50-100 astetta, mikä puolestaan ​​nopeuttaa kerrostumista itsevahvistavassa syklissä. Uupuminen on nopeaa. Tässä artikkelissa lämpövuon ja piidioksidin pitoisuusraja mittakaavan kehittymisongelmille 180 asteessa on kvantifioitu.

Lämpö-virtaus-piidioksidipolymerointimekanismi

Silicic acid (Si(OH)4) polymerises on hot surfaces to generate amorphous silica scale. The rate of reaction grows exponentially with temperature (activation energy 40-60 kJ/mol). The temperature at the sheath surface is higher than the bulk geothermal water temperature by ΔT = q × R_th, where q is the heat flux and R_th is the thermal resistance of the boundary layer and any scale that may be present. For a clean sheath at bulk temperature 180 C and q=10 W/cm2, the surface temperature is about 200-220 C (depending on the flow velocity). At this temperature the rate of polymerisation is 5-10 times greater than at 180°C. The addition of a thin silica layer (20–50 µm) elevates the surface temperature further due to the increased thermal resistance, which leads to a positive feedback loop. The crucial condition for runaway scaling occurs when the heat flux >6-8 W/cm2 at bulk silica >200 ppm, or q >4-5 W/cm2 for bulk silica >300 ppm.

Määrälliset hilseily- ja ylikuumenemisrajat 180 asteen bulkkilämpötilassa

Skaalausnopeuksia ja lämpötilan nousuja on mitattu kontrolloiduissa laboratoriokokeissa käyttämällä simuloitua geotermistä suolaliuosta (200-500 ppm SiO2, 1000 ppm Cl-, 500 ppm Ca++, pH 7,5) 180 asteen ja 5 m/s virtausnopeudella 6 l.

Bulk Silica Concentration (ppm as SiO2) Heat Flux (W/cm2) Sheath Surface Temperature (clean, °C)Time to 100 µm Silica Scale (hr) Sheath Temperature After Scale (at 100 µm, °C)Scale ΔT (°C)Time to Burnout (sheath >400 astetta, tuntia) Suositellaan geotermiseen palveluun<150 Any <195 >5 000 (merkityksellinen)<200 <5 >20,000 Yes 150-200 4 195-200 3,000-5,000 205-215 10-15 >15 000 Kyllä 150-200 6 200-205 1,500-3,000 215-230 15-25 8,000-15,000 Hyväksyttävä 150-200 8 205-210 800-1,500 230-250 25-40 3,000-8000 Marginaali 200-250 4 200-205 1,500-3,000 215-230 15-25 8,000-15,000 Hyväksyttävä 200-250 6 205-210 600-1,200 230-260 25-50 2,000-5000 Marginaali 200-250 8 210-215 300-600 260-300 50-80 800-2,000 Ei suositella 250-300 4 205-210 800-1,500 230-260 25-50 2,000-5000 Marginaali 250-300 5 210-215 400-800 260-300 50-80 800-2,000 Ei suositella 250-300 6 215-22
pH:n ja suolaisuuden vaikutus piidioksidikiven muodostumisnopeuteen

Lower pH (acidic) retards silica polymerisation, higher pH (alkaline >8.0) nopeuttaa sitä. Korkea suolapitoisuus (TDS > 10 000 ppm) edistää myös laskeumaa.

Suhteellinen piidioksidin kerrostumisnopeus (pH 7.5=1.0) pH 180:ssa CPkäytännölliset suositukset geotermisille lämmityssovelluksille Suositeltu enimmäislämpövirta 200 ppm:lle SiO2 (W/cm2) Suositeltu enimmäispiidioksidi 5 W/cm2 (ppm)<6.0 0.3-0.5 8 350 6.0-7.0 0.6-0.8 7 300 7.0-7.5 0.9-1.1 6 250 7.5-8.0 1.2-1.5 5 200 >8.0 1.5-2.5 4 150

Suositellut piidioksidi- ja lämpövirtarajat 316 litran päällystetyille lämmittimille geotermisessä vedessä bulkkilämpötilassa 180 astetta ovat:

Käyttöikävaatimus (vuosia) Suurin irtotavarapiidioksidi (ppm) Suurin lämpövirta (W/cm2) Vaadittu hilseilyn vähentäminen Vaihtoehtoinen seos10<150 6 None 316L acceptable 5-10 150-200 5 pH control (<7.5) 316L with monitoring 3-5 200-250 4 Mechanical cleaning every 2000 hours316L with descaling 2-3 250-300 3 Chemical descaling every 1,000 h Duplex 2205 or 316L with periodic cleaning
1-2 300-400 2 Voimakkaasti kalkinpoisto Duplex tai Alloy 825<1 >400 Any Ei edullinen Titaani tai irrota lämmitin
Piidioksidin palamisen kenttätunniste

Silica scale caused burn-out of a 316L heater in geothermal service creates a characteristic hard, glassy, transparent to white scale that is very difficult to remove mechanically. Under the scale there may be serious discolouration of the metal from overheating (blue/purple/black) and the resistance wire may be melted. The thickness of scale will be >100-200 µm on the hottest part. X-ray diffraction (XRD) analysis showed amorphous silica (wide hump), or crystalline cristobalite at temperatures >300-350 astetta. Ratkaisu on minimoida lämpövirta (kasvava vaipan pinta-ala, pidemmät lämmittimet) tai käyttää kemiallista kalkinpoistoa (esim. . 2-5% ammoniumbifluoridia tai kuumaa emäksistä EDTA:lla).

Johtopäätös: Geotermisen lämmittimen käyttöikä ja lämpövuon piidioksidisäätö

The amorphous silica scaling and runaway overheating of 316L stainless steel encased heaters in 180°C geothermal water are critically dependent on the combination of bulk silica >200-250 ppm and heat flux >5-6 W/cm². The conditions lead to amorphous silica scale formation in 200-1,000 hours, sheath temperature increase of 50-150°C, and burnout in 300-2,000 hours. When specifying 316L sheaths for geothermal service, engineers must conduct silica analysis, calculate the maximum permitted heat flow, and incorporate scaling mitigation (pH control, chemical descaling or lower power density) if silica levels surpass 200 ppm at 5 W/cm². For bulk silica >350-400 ppm 316L ei suositella lämpövuosta riippumatta. Lämpövuon, piidioksidipitoisuuden ja kalkin aiheuttaman lämpötilan nousun 180 asteessa välinen suhde antaa ostajille perustan määrittää 316 litran lämmittimen tekniset tiedot, jotka estävät katastrofaalisen palamisen geotermisissä olosuhteissa, joissa on paljon piidioksidia.