מהי הקשיות הכוללת המקסימלית (כמו CaCO₃) שמחמם נדן טיטניום דרגה 2 יכול לסבול בתמלחת גיאותרמית ב-120 מעלות מבלי ליצור סולם סיליקט נצמד?
השאר הודעה
התמלחות הגיאותרמיות עשירות בסידן, מגנזיום ומינרלים נוספים וכן סיליקה מומסת (SiO2). הסיליקה מתפלמרת ב-120 מעלות ו-משקעת יחד עם סידן ומגנזיום קרבונטים וסיליקטים ליצירת אבנית עיקשת על משטחי מחמם טיטניום. שלא כמו אבנית סידן פחמתי, אשר עשויה להיות מומסת באמצעות ניקוי חומצה, קשקשים על בסיס סיליקט- כגון סיליקט סיליקט ומגנזיום סיליקט עמידים לרוב החומצות ודורשים הסרה מכנית בכוח. הקשיות הכוללת הגדולה ביותר (מתבטאת כ-CaCO3) אשר עשויה להיסבל על ידי טיטניום דרגה 2 ללא היווצרות אבנית סיליקט נדבקת היא פונקציה של רמת הסיליקה ויחס הסידן-למגנזיום. עבור תמלחת גיאותרמית ממוצעת עם 200–400 ppm SiO₂, הקשיות הכוללת המקסימלית היא 500 ppm CaCO₃. מעל טמפרטורה זו אבנית הסיליקט נדבקת תוך 500 שעות ומפחיתה במהירות את העברת החום.
המנגנון של שקיעת אבנית סיליקט על טיטניום
ב-120 מעלות סיליקה נוזלית (כמו H4SiO4) מתפלמר לסיליקה קולואידית ובסופו של דבר לסיליקה אמורפית. בנוכחות יוני סידן ומגנזיום משקעים קשקשי סיליקט ישירות על משטח הטיטניום החם. קצב המשקעים גדל באופן אקספוננציאלי עם הטמפרטורה והקשיות הכללית. האבנית אמורפית, קשה ונדבקת חזק על ידי קשר כימי לשכבת תחמוצת טיטניום. שלא כמו קשקשי קרבונט, קשקשי סיליקט אינם מסיסים בחומצות המינרליות הרגילות (HCl, H2SO4, HNO3) בכמויות בטוחות. רק חומצה הידרופלואורית (HF) עשויה להסיר קשקשת סיליקט אך HF הורס טיטניום חזק ולכן ניקוי כימי אינו כדאי. לאחר היווצרותה, יש להסיר את אבנית הסיליקט באופן מכאני על ידי גרידה או על ידי סילון מים בלחץ גבוה, מה שעלול לפגוע במשטח הטיטניום.
היווצרות והיצמדות של קנה מידה כמותי כפונקציה של קשיות מוחלטת
מאפייני קנה המידה שלהם נמצאו שונים על ידי בדיקה מבוקרת בתמיסת מלח גיאותרמית מדומה (250 ppm SiO2, pH 7.5, 120 C) עם קשיות כוללת משתנה כמומת כ-ppm CaCO3 על פני תקופה של 500 שעות. קשיות כוללת פחות מ-200 עמודים לדקה. עובי האבנית הוא 20-50 מיקרומטר אבקת אבקת ולא-דביקה. ניתן להסיר על ידי שטיפת מים. בקשיות של 200-400 עמודים לדקה, עובי האבנית הוא 50-100 מיקרומטר, האבנית עמידות ביותר וההסרה מצריכה צחצוח, עם צריבה מסוימת של פני השטח מזוהה מתחת לאבנית. בקשיות של 400-600 עמודים לדקה, האבנית בעובי 100-200 מיקרומטר, קשה, דביקה מאוד, הדורשת גרידה מכנית להסרה ויש קורוזיה של 10-30 מיקרומטר לאחר 500 שעות. עובי האבנית הוא 200-400 מיקרומטר, אבנית הסיליקט הנדבקת נוצרת תוך 100 שעות, הבור מתחת לקנה המידה הוא 50-100 מיקרומטר ואובדן העברת החום הוא משמעותי. בקשיות 600-800 ppm היווצרות אבנית מהירה ועקשנית בקשיות של 800 ppm. סיכון מושלם תוך 1,000-2,000 שעות.
סובלנות קשיות השפעת ריכוז סיליקה ויחס Ca:Mg
יותר סיליקה פירושה פחות קשיות כוללת מותרת. אם הסיליקה היא פחות מ-100 עמודים לדקה. הקשיות המקסימלית עבור קנה מידה לא-דביק היא 800 עמודים לדקה. סוג האבנית הוא בעיקר סידן פחמתי שניתן להסיר על ידי ניקוי חומצה. הקשיות המרבית היא רק 600 עמודים לדקה. הסיליקה היא 100 עד 200 עמודים לדקה. האבנית היא סיליקט קרבונט מעורב{{12}, וההסרה מתבצעת באמצעות חומצה + הברשה. סיליקה 200–300 עמודים לדקה קשיות מרבית 500 עמודים לדקה אבנית עשירה בסיליקט ודביקה בינונית. ההסרה דורשת הברשה מכנית בלבד. עבור טיטניום, קשיות מקסימלית היא 400 עמודים לדקה, עם סיליקה 300-400 עמודים לדקה. נוצרת אבנית סיליקט קשה והסרה עם HF אינה מומלצת. סיליקה מעל 400 ppm נותן קשיות מקסימלית של 300 ppm ונוצר אבנית סיליקט חמורה שאינה מוסרת ללא נזק לצינור. היחס בין סידן למגנזיום משפיע גם על היצמדות אבנית, כאשר תכולת מגנזיום גדולה יותר מייצרת קשקשי מגנזיום סיליקט עמידות יותר, ומגבילה את הקשיות המותרת ב-20-30%.
מדריך לניהול קשיות וסיליקה עבור מחממי מי מלח גיאותרמיים
הטבלה הבאה נותנת המלצות לבקרת היווצרות אבנית על מחממי נדן טיטניום דרגה 2 בתמלחת גיאותרמית ב-120 מעלות כפונקציה של הקשיות הכוללת וריכוז הסיליקה.
קשיות כוללת (ppm CaCO3) ריכוז סיליקון (ppm) סוג אבנית שיטת הסרת אבנית עובי אבנית צפוי לאחר 1,000 שעות (מיקרומטר)<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 כל לא מקובל עבור דרגה 2 N/AN/A
הנדסה מעבר לקשיות ובקרת סיליקה
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 מקטין את הצטברות האבנית. פוספונטים או פוליאקרילטים הם מעכבי אבנית יעילים לקשקשי קרבונט, אך משפיעים מעט על קשקשי סיליקט. ריכוך במעלה הזרם (חילופי יונים או ריכוך סיד) להורדת הקשיות הכוללת לפחות מ-200 עמודים לדקה היא האפשרות האמינה ביותר.
ניסוח מפרט מושכל
לדוגמה, מחמם מעטפת טיטניום דרגה 2 בתמלחת גיאותרמית ב-120 מעלות דורש ניתוח מלא של התמלחת, כולל קשיות כוללת כריכוז CaCO₃ וסיליקה. אם הקשיות הכוללת היא > 400 ppm או הסיליקה היא > 250 ppm, ציין ריכוך במעלה הזרם כדי להוריד את הקשיות ל-<200 ppm. לקשיות 200-400 ppm וסיליקה<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.
