Khi sử dụng bộ gia nhiệt ngâm titan trong chất lỏng địa nhiệt giàu Bromua-, thông lượng nhiệt tối đa cho phép trước khi bắt đầu ăn mòn cục bộ là bao nhiêu?

Máy sưởi kim loại tiêu chuẩn gặp phải một vấn đề đặc biệt là phản ứng hóa học mạnh mẽ của chất lỏng địa nhiệt từ giếng sâu. Một số nước muối địa nhiệt có nồng độ bromua lên tới 500–1.200 ppm, một số còn bao gồm clorua (10.000–30.000 ppm), sunfua hòa tan và nhiệt độ cao (120–200 độ ở đầu giếng). Titan cấp 2 hoặc cấp 7 thường được sử dụng để chống ăn mòn nói chung, nhưng các ion bromua là mối đe dọa đặc biệt: chúng tấn công màng oxit thụ động mạnh hơn clorua ở trường hợp dòng nhiệt cao. Thông lượng nhiệt tối đa cho phép, tức là công suất nhiệt được truyền trên một đơn vị diện tích bề mặt ống, quyết định liệu máy sưởi sẽ hoạt động an toàn trong nhiều năm hay bị hỏng do rỗ ​​cục bộ trong vòng vài tháng. Khi vượt quá thông lượng nhiệt tới hạn, điện hóa bề mặt sẽ chuyển từ thụ động sang chủ động và điều này dẫn đến việc hình thành các vết rỗ sẽ nhanh chóng xuyên thủng ngay cả những ống có thành dày.

Cơ chế của Bromua-Cảm ứng rỗ ở dòng nhiệt cao

Lớp phủ TiO₂ bảo vệ trên titan chỉ ổn định ở một phạm vi nhiệt độ và điện thế điện hóa nhất định. Một lò sưởi ngâm bơm điện vào nước muối địa nhiệt và nhiệt độ bề mặt ống vượt quá nhiệt độ chất lỏng khối một delta (ΔT) tỷ lệ với dòng nhiệt và tỷ lệ nghịch với hệ số truyền nhiệt. Đối với điều kiện dòng chảy rối điển hình (h=5.000 W/m2K), dòng nhiệt 50 kW/m2 mang lại ΔT gần 10 độ. Các ion bromide lớn hơn và ít ngậm nước hơn các ion clorua và do đó hấp phụ mạnh hơn trên bề mặt titan khi nhiệt độ tăng. Đối với dòng nhiệt vượt quá giá trị ngưỡng cụ thể của vật liệu, nhiệt độ bề mặt cục bộ sẽ đẩy thế điện hóa đến vùng xuyên qua và màng oxit sẽ bị hỏng. Khi hố hình thành, mật độ dòng điện cao trong hố sẽ thúc đẩy quá trình axit hóa cục bộ (pH có thể nhỏ hơn 1) và các ion bromide kết hợp với các ion titan ngăn chặn quá trình tái thụ động. Dữ liệu thử nghiệm tại hiện trường địa nhiệt cho thấy dòng nhiệt cần thiết của nước muối bromua thấp hơn khoảng 30–40% so với nước muối chỉ có clorua ở nồng độ bằng nhau.

Mối quan hệ định lượng giữa nồng độ Bromua, dòng nhiệt và thời gian rỗ

Các cuộc điều tra trong phòng thí nghiệm đã thiết lập một phạm vi hoạt động an toàn thận trọng bằng cách giám sát tiếng ồn điện hóa. Đối với titan Loại 2 trong nước muối địa nhiệt mô phỏng chứa 800 ppm Br−, 15.000 ppm Cl− và nhiệt độ khối 130 độ, các mối quan hệ sau là:

Thông lượng nhiệt < 25 kW/m2: mật độ dòng điện thụ động < 0,1 µA/cm2. Không rỗ ở 5.000 giờ

25–35 kW/m2: Xảy ra hiện tượng rỗ siêu bền (dòng điện quá độ 1–10 µA) mặc dù quá trình tái thụ động thường thành công. Các hố ổn định xuyên qua thành có độ dày 0,5 mm trong 1.500 đến 2.000 giờ.

Thông lượng nhiệt 35–45 kW/m 2 : bắt đầu rỗ ổn định sau 200–500 giờ. tăng tốc độ phát triển của hố từ 0,01 mm/giờ lên 0,05 mm/giờ

Thông lượng nhiệt > 45 kW/m2: Rỗ nhanh gây thủng thành ống 1,2 mm trong<300 hours.

Dòng nhiệt tới hạn của titan cấp 7-(palađi 0,12-0,25%) tăng khoảng 30% do tác động xúc tác của kim loại quý đối với quá trình tái thụ động. Thông lượng nhiệt tối đa cho phép khi vận hành lâu dài (tuổi thọ 10 năm với<0.1 mm penetration) is 35 kW/m2 for Grade 2 and 45 kW/m2 for Grade 7 in 800 ppm bromide brines.

Kịch bản-Hướng dẫn chọn dòng nhiệt dựa trên kịch bản

Bảng dưới đây đưa ra khung lựa chọn dựa trên thành phần cụ thể của nước muối địa nhiệt và chiến lược vận hành.

Điều kiện nước muối địa nhiệt & Ưu tiên vận hành được đề xuất Cơ sở lý luận và thương mại nhiệt tối đa-Tắt được xem xét
Bromua<300 ppm, clean fluid, continuous flow ( > 1 m/s), Grade 2 titanium 35–40 kW/m2Moderate flux, lower bromide. Flow prevents concentration in stagnation zones. Accepts standard heater sizes.
Bromide 300–800 ppm, vận hành không liên tục (chu kỳ nhiệt hàng ngày) Titan cấp 7 30–35 kW/m2Đạp xe giúp giảm tác hại tích lũy. Lớp 7 cung cấp biên độ hồi phục. Thông lượng giảm làm tăng diện tích bề mặt lò sưởi từ 15 đến 25 phần trăm.
Bromide >800 ppm, có vùng ứ đọng (làm nóng bể dòng chảy-thấp) Cấp 7 hoặc Cấp 12 20-25 kW/m2Thiết kế thận trọng để đảm bảo an toàn. Cần chiều dài lò sưởi dài hơn hoặc nhiều hơn một lò sưởi. Đòi hỏi vốn đắt hơn.
Nước muối giàu bromua{0}}với hydro sunfua (H2S > 50 ppm) Bất kỳ loại titan nào nhỏ hơn hoặc bằng 20 kW/m2Sulfua cạnh tranh với quá trình oxy hóa. Thông lượng rất tối thiểu cần thiết. Xem xét các vật liệu khác ( ví dụ: titan-palađi có lớp bảo vệ ca-tốt).
Kỹ thuật vượt ra ngoài dòng nhiệt

Không nên bỏ qua tốc độ dòng chảy khi đánh giá dòng nhiệt. Đối với vận tốc dưới 0,3 m/s, độ dày của lớp biên tăng lên, làm tăng nhiệt độ bề mặt ống đối với cùng một dòng nhiệt thêm 5–8 độ. Điều này làm giảm thông lượng tối đa cho phép xuống 15-20%. Phản ứng cũng phụ thuộc vào độ dày thành, vì thành dày hơn làm tăng thời gian lan truyền của hố, nhưng không làm tăng ngưỡng bắt đầu. Do đó, đối với chất lỏng địa nhiệt giàu bromua{12}}tốt hơn nên sử dụng dòng nhiệt thấp hơn với thành 1,0 mm thông thường hơn là tăng độ dày thành lên 1,5 mm mà không ảnh hưởng đến mật độ năng lượng. Việc giám sát thường xuyên khả năng oxy hóa-khử nước muối (ORP) đưa ra cảnh báo sớm: sự sụt giảm ORP dưới +200 mV so với Ag/AgCl gần bề mặt ống trước khi bắt đầu có hiện tượng rỗ.

Xác định một cách chắc chắn

Người mua phải chỉ định thông lượng nhiệt tối đa được phép đã được chứng nhận dựa trên hóa học nước muối thực tế hoặc thử nghiệm tiêu chuẩn (ASTM G78 về ăn mòn kẽ hở với thông lượng nhiệt được áp dụng) khi chọn lò sưởi ngâm titan cho chất lỏng địa nhiệt chứa đầy bromua{1}}và kiểm tra xem điều này có phải do nhà cung cấp thực hiện hay không. Sử dụng titan loại 7 khi bromua vượt quá 500 ppm hoặc khi hoạt động không chắc chắn đòi hỏi phải có giới hạn an toàn. Thiết kế của dãy bộ gia nhiệt phải giảm thiểu dòng nhiệt bề mặt xuống dưới 30 kW/m2 trong hầu hết các tình huống, bằng cách sử dụng các bộ phận gia nhiệt dài hơn hoặc nhiều hơn thay vì mật độ watt cao hơn. Phương pháp bảo thủ này biến bộ gia nhiệt titan từ bộ phận có rủi ro cao thành tài sản đáng tin cậy trong một trong những môi trường chất lỏng công nghiệp khó khăn nhất.