Theo sự kết hợp cụ thể nào giữa dòng nhiệt và nồng độ Silica (SiO₂) trong nước địa nhiệt ở 180 độ Vỏ bọc máy sưởi 316L có phát triển cặn silicat vô định hình gây ra quá nhiệt và cháy cục bộ không

Cơ chế lắng đọng silic ở nhiệt độ cao để sưởi ấm địa nhiệt

Sự kết hợp giữa nhiệt độ cao (180 độ ), nồng độ silica cao (điển hình là 200-600 ppm SiO 2 ) và dòng nhiệt cao (5-15 W/cm 2 ) thúc đẩy sự kết tủa nhanh chóng của cặn silica vô định hình trên bề mặt vỏ của các ống gia nhiệt điện có vỏ bọc bằng thép không gỉ 316L dùng trong đun nước nóng địa nhiệt-chẳng hạn như trong các nhà máy điện chu trình nhị phân,-sử dụng trực tiếp hệ thống sưởi khu vực hoặc máy sưởi downhole. Không giống như cặn canxi cacbonat chỉ hình thành khi vượt quá giới hạn hòa tan, silica vô định hình có thể polyme hóa và lắng đọng ngay cả dưới mức bão hòa vì nhiệt độ bề mặt cao làm tăng tốc phản ứng ngưng tụ. Độ hòa tan của silica vô định hình trong nước số lượng lớn ở 180 độ là khoảng 300-400 ppm. Sự quá bão hòa cục bộ của SiO2 xảy ra ngay cả khi nồng độ khối dưới mức bão hòa (200-300 ppm), với lưu lượng nhiệt tăng 8-10 W/cm2 và nhiệt độ bề mặt vỏ bọc là 220-250 độ. Cân silica hình thành có độ dẫn nhiệt tương đối thấp (0,5-1,0 W/m·K). Độ dày cặn (100-200 µm) gây ra sự gia tăng nhiệt độ vỏ bọc từ 50-100 độ, từ đó đẩy nhanh quá trình lắng đọng trong chu trình tự gia cố. Sự kiệt sức diễn ra nhanh chóng. Trong bài báo này, giới hạn nồng độ dòng nhiệt-silica cho bài toán phát triển cặn ở 180 độ đã được định lượng.

Cơ chế trùng hợp silica được điều khiển bằng nhiệt-Thông lượng-

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 trang/phút.

Định lượng tỷ lệ và giới hạn quá nhiệt ở nhiệt độ khối 180 độ

Tốc độ co giãn và mức tăng nhiệt độ đã được đo trong các thử nghiệm có kiểm soát trong phòng thí nghiệm sử dụng nước muối địa nhiệt mô phỏng (200-500 ppm SiO2, 1.000 ppm Cl-, 500 ppm Ca++, pH 7,5) ở 180 độ và tốc độ dòng chảy 5 m/giây trên vỏ bọc 316L.

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 độ, giờ) Được khuyến nghị cho dịch vụ địa nhiệt<150 Any <195 >5.000 (không đáng kể)<200 <5 >20,000 Yes 150-200 4 195-200 3,000-5,000 205-215 10-15 >15.000 Có 150-200 6 200-205 1,500-3,000 215-230 15-25 8,000-15.000 Có thể chấp nhận được 150-200 8 205-210 800-1,500 230-250 25-40 3,000-8,000 Biên 200-250 4 200-205 1,500-3,000 215-230 15-25 8,000-15,000 Có thể chấp nhận được 200-250 6 205-210 600-1,200 230-260 25-50 2,000-5,000 Giá trị cận biên 200-250 8 210-215 300-600 260-300 50-80 800-2.000 Không khuyến nghị 250-300 4 205-210 800-1,500 230-260 25-50 2,000-5.000 Giá trị cận biên 250-300 5 210-215 400-800 260-300 50-80 800-2.000 Không khuyến nghị 250-300 6 215-22
Ảnh hưởng của độ pH và độ mặn đến tốc độ hình thành cặn silic

Lower pH (acidic) retards silica polymerisation, higher pH (alkaline >8.0) tăng tốc nó. Độ mặn cao (TDS > 10.000 ppm) cũng thúc đẩy quá trình lắng đọng.

Tốc độ lắng đọng Silica tương đối (pH 7.5=1.0) pH ở 180 CP Khuyến nghị thực tế cho các ứng dụng lò sưởi địa nhiệt Thông lượng nhiệt tối đa được khuyến nghị cho 200 ppm SiO2 (W/cm2) Silica tối đa được khuyến nghị cho 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

Giới hạn thông lượng nhiệt và silica được khuyến nghị cho lò sưởi có vỏ bọc 316L trong nước địa nhiệt ở nhiệt độ khối 180 độ là:

Yêu cầu tuổi thọ sử dụng (năm) Silica khối lượng lớn tối đa (ppm) Thông lượng nhiệt tối đa (W/cm2) Yêu cầu giảm thiểu tỷ lệ co giãn Hợp kim thay thế10<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 Khử cặn mạnh Duplex hoặc Hợp kim 825<1 >400 Bất kỳ Titan hoặc loại bỏ lò sưởi Không có giá phải chăng
Xác định hiện trường của sự đốt cháy silic

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 độ. Biện pháp khắc phục là giảm thiểu dòng nhiệt (tăng diện tích bề mặt vỏ bọc, bộ gia nhiệt dài hơn) hoặc áp dụng tẩy cặn bằng hóa chất (ví dụ:. 2-5% ammonium bifluoride hoặc chất ăn da nóng với EDTA).

Kết luận: Tuổi thọ của lò sưởi địa nhiệt và kiểm soát dòng nhiệt silic

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 không được khuyến nghị không phụ thuộc vào dòng nhiệt. Mối quan hệ giữa dòng nhiệt, nồng độ silic và sự gia tăng nhiệt độ do quy mô gây ra ở 180 độ mang lại cho người mua cơ sở để xác định các thông số kỹ thuật của lò sưởi 316L nhằm ngăn chặn tình trạng kiệt sức thảm khốc trong điều kiện địa nhiệt silic cao.