Mis on maksimaalne summaarne kõvadus (CaCO₃), mida 2. klassi titaankattega kütteseade talub geotermilises soolvees 120 kraadi juures ilma kleepuvat silikaatkatet moodustamata?

Geotermilised soolveed on rikkad kaltsiumi, magneesiumi ja teiste mineraalide ning lahustunud ränidioksiidi (SiO2) poolest. Ränidioksiid polümeriseerub 120 kraadi juures ja sadestub koos kaltsium- ja magneesiumkarbonaatide ja -silikaatidega, moodustades titaankuumutuspindadele vastupidava katlakivi. Erinevalt kaltsiumkarbonaadi katlakivist, mida võib happepuhastusega lahustada, on silikaat-põhised katlakivid, nagu kaltsiumsilikaat ja magneesiumsilikaat, vastupidavad enamikule hapetele ja vajavad jõulist mehaanilist eemaldamist. Suurim summaarne kõvadus (väljendatud CaCO3-na), mida 2. klassi titaan talub ilma kleepuva silikaatkatla moodustumiseta, sõltub ränidioksiidi tasemest ja kaltsiumi -/-magneesiumi suhtest. Keskmise geotermilise soolvee puhul, mille SiO₂ on 200–400 ppm, on maksimaalne üldine kõvadus 500 ppm CaCO₃. Sellest kõrgemal temperatuuril kleepub silikaatkatlakivi 500 tunni jooksul ja halvendab kiiresti soojusülekannet.

Silikaadi katlakivi sadestamise mehhanism titaanile

120 kraadi juures polümeriseerub vedel ränidioksiid (nagu H4SiO4) kolloidseks ränidioksiidiks ja lõpuks amorfseks ränidioksiidiks. Kaltsiumi- ja magneesiumioonide juuresolekul sadestatakse silikaatsoomused otse kuumale titaani pinnale. Sademete hulk kasvab plahvatuslikult koos temperatuuri ja üldise kõvadusega. Katlakivi on amorfne, kõva ja tugevalt kleepuv keemilise sidemega titaanoksiidi kihiga. Erinevalt karbonaatsoomustest ei lahustu silikaatsoomused tavalistes mineraalhapetes (HCl, H2SO4, HNO3) ohututes kogustes. Ainult vesinikfluoriidhape (HF) võib eemaldada silikaadist katlakivi, kuid HF hävitab titaani tugevalt ja seetõttu ei ole keemiline puhastamine otstarbekas. Pärast selle tekkimist tuleb silikaatkatlakivi mehaaniliselt eemaldada kraapides või kõrgsurve veejoaga, mis võib kahjustada titaanpinda.

Kvantitatiivse skaala moodustamine ja järgimine kui kogukareduse funktsioon

Nende mastaabiomadused leiti olevat erinevad kontrollitud katsete käigus simuleeritud geotermilises soolvees (250 ppm SiO2, pH 7,5, 120 C) muutuva üldkaredusega, mida mõõdeti ppm CaCO3-na 500 tunni jooksul. Kogu kõvadus alla 200 ppm. Katlakivi paksus on 20-50 µm. Katlakivi on pulbriline ja ei{21}}kleepu. Võimalik eemaldada veega loputamisega. Kõvadusel 200–400 ppm on katlakivi paksus 50–100 µm, katlakivi on väga vastupidav ja eemaldamine vajab harjamist ning skaala all tuvastatakse pinna söövitus. Kõvadusega 400-600 ppm on skaala paksus 100–200 μm, kõva, väga nakkuv, eemaldamiseks on vaja mehaanilist kraapimist ja 500 tunni pärast tekib 10–30 μm skaala alune korrosioon. Katlakihi paksus on 200-400 µm, kleepuv silikaatkatlakivi moodustub 100 tunniga, katlakivi alumine täppisus on 50-100 µm ja soojusülekandekadu on märkimisväärne. Kõvadusel 600-800 ppm Katlakivi moodustumine on kiire ja vastupidav 800 ppm kõvaduse juures. Perf risk 1000-2000 tunniga.

Kõvaduse taluvus Räni kontsentratsiooni ja Ca:Mg suhte mõju

Rohkem ränidioksiidi tähendab, et lubatud on väiksem summaarne kõvadus. Kui ränidioksiid on alla 100 ppm. Maksimaalne kõvadus mitte-kleepuva skaala korral on 800 ppm. Katlakivi tüüp on enamasti kaltsiumkarbonaat, mida saab eemaldada happepuhastusega. Maksimaalne kõvadus on ainult 600 ppm. Ränidioksiid on 100 kuni 200 ppm. Katlakivi on segatud karbonaat{12}}silikaat ja eemaldamine toimub happe ja harjamise teel. Ränidioksiid 200–300 ppm Maksimaalne kõvadus 500 ppm Katlakivi on silikaadirikas ja mõõdukalt nakkuv. Eemaldamine nõuab ainult mehaanilist harjamist. Titaani puhul on maksimaalne kõvadus 400 ppm, ränidioksiidi puhul 300–400 ppm. Tekib kõva silikaatkatlakivi ja HF-ga eemaldamine pole soovitatav. Ränidioksiid, mille sisaldus on üle 400 ppm, annab maksimaalse kõvaduse 300 ppm ja moodustab tugeva silikaatkatla, mida ei eemaldata toru kahjustamata. Kaltsiumi ja magneesiumi suhe mõjutab ka katlakivi kleepumist, kuna suurem magneesiumisisaldus tekitab vastupidavamad magneesiumsilikaadi katlad ja piirab lubatud kõvadust 20–30%.

Geotermiliste soolveekuumutite kõvaduse ja ränidioksiidi juhtimise juhend

Järgmises tabelis on soovitused katlakivi moodustumise kontrollimiseks 2. klassi titaankattega küttekehadel geotermilises soolvees temperatuuril 120 kraadi, sõltuvalt üldkõvadusest ja ränidioksiidi kontsentratsioonist.

Üldkõvadus (ppm CaCO3) Räni kontsentratsioon (ppm) Katla tüüp Eemaldamise meetod Eeldatav katlakivi paksus 1000 tunni pärast (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 Kõik vastuvõetamatud 2. klassi jaoks N/AN/A
Tehnoloogia väljaspool kõvadust ja ränidioksiidi kontrolli

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 vähendab katlakivi kogunemist. Fosfonaadid või polüakrülaadid on tõhusad katlakivi inhibiitorid karbonaadi katlakividele, kuid neil on väike mõju silikaatkividele. Kõige töökindlam on ülesvoolu pehmendamine (ioonivahetus või lubja pehmendamine), et vähendada üldist kõvadust alla 200 ppm.

Informeeritud spetsifikatsiooni formuleering

Näiteks 2. klassi titaankattega küttekeha geotermilises soolvees temperatuuril 120 kraadi nõuab soolvee täielikku analüüsi, sealhulgas kogukaredust CaCO₃ ja ränidioksiidi kontsentratsioonina. Kui üldine kõvadus on > 400 ppm või ränidioksiidi > 250 ppm, määrake ülesvoolu pehmendamine, et vähendada kõvadust alla 200 ppm. Kõvadusele 200-400 ppm ja ränidioksiidile<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.