Sub ce combinație specifică de concentrație de flux de căldură și silice (SiO₂) în apa geotermală la 180 de grade, învelișul de încălzire 316L dezvoltă scară de silicat amorf care provoacă supraîncălzire și ardere localizată

Mecanism de depunere de silice la temperatură ridicată pentru încălzire geotermală

Combinația de temperatură ridicată (180 de grade), concentrație ridicată de silice (tipic 200-600 ppm SiO 2 ) și flux de căldură ridicat (5-15 W/cm 2 ) conduce la precipitarea rapidă a calcarului de siliciu amorf pe suprafața învelișului din oțel inoxidabil 316L utilizat ca tuburi de încălzire electrice învelite în tuburile electrice de încălzire{2}{23} centrale electrice cu ciclu binar, încălzire centrală cu utilizare directă-sau încălzitoare de fund. Spre deosebire de scara de carbonat de calciu care se formează numai atunci când limita de solubilitate este depășită, silicea amorfă se poate polimeriza și se poate depune chiar și sub saturație deoarece temperatura ridicată a suprafeței accelerează reacția de condensare. Solubilitatea silicei amorfe în apă în vrac la 180 de grade este de aproximativ 300-400 ppm. Suprasaturarea locală a SiO2 are loc, chiar și atunci când concentrația în vrac este sub saturație (200-300 ppm), la un flux de căldură crescut de 8-10 W/cm2 și o temperatură a suprafeței învelișului de 220-250 de grade. Scara de silice formată are o conductivitate termică relativ scăzută (0,5-1,0 W/m·K). Grosimea scării (100-200 µm) determină o creștere a temperaturii învelișului cu 50-100 de grade care, la rândul său, accelerează depunerea într-un ciclu de auto-întărire. Epuizarea este rapidă. În această lucrare, este cuantificată limita de concentrație a fluxului de căldură-silice pentru problemele de dezvoltare la scară la 180 de grade.

Mecanism de polimerizare a siliciului condus de căldură-flux-

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.

Limite cuantificate de scalare și supraîncălzire la o temperatură în vrac de 180 de grade

Ratele de scalare și creșterea temperaturii au fost măsurate în teste de laborator controlate folosind saramură geotermală simulată (200-500 ppm SiO2, 1.000 ppm Cl-, 500 ppm Ca{++, pH 7,5) la 180 de grade și o viteză de curgere de 5 m/sec pe 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 de grade, ore) Recomandat pentru serviciul geotermal<150 Any <195 >5.000 (neglijabil)<200 <5 >20,000 Yes 150-200 4 195-200 3,000-5,000 205-215 10-15 >15.000 Da 150-200 6 200-205 1,500-3,000 215-230 15-25 8,000-15.000 Acceptabil 150-200 8 205-210 800-1,500 230-250 25-40 3,000-8.000 Marginal 200-250 4 200-205 1,500-3,000 215-230 15-25 8,000-15.000 Acceptabil 200-250 6 205-210 600-1,200 230-260 25-50 2,000-5.000 Marginal 200-250 8 210-215 300-600 260-300 50-80 800-2,000 Nerecomandat 250-300 4 205-210 800-1,500 230-260 25-50 2,000-5.000 Marginal 250-300 5 210-215 400-800 260-300 50-80 800-2,000 Nerecomandat 250-300 6 215-22
Influența pH-ului și a salinității asupra ratei de formare a scării de silice

Lower pH (acidic) retards silica polymerisation, higher pH (alkaline >8.0) o accelerează. Salinitatea ridicată (TDS > 10.000 ppm) favorizează, de asemenea, depunerea.

Rata relativă de depunere a silicei (pH 7.5=1.0) pH la 180 CPRecomandări practice pentru aplicațiile de încălzire geotermală Flux de căldură maxim recomandat pentru 200 ppm SiO2 (W/cm2) Siliciu maxim recomandat pentru 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

Limitele recomandate de siliciu și flux de căldură pentru încălzitoarele cu manta de 316L în apă geotermală la o temperatură în vrac de 180 de grade sunt:

Cerință de viață (ani) Silice în vrac maximă (ppm) Flux de căldură maxim (W/cm2) Atenuare necesară atenuare aliaj aliaj10<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 Detartrare puternică Duplex sau aliaj 825<1 >400 Oricare Nu este accesibil Titan sau scoateți încălzitorul
Identificarea pe teren a arderii silicei

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 de grade. Remediul este de a minimiza fluxul de căldură (creșterea suprafeței învelișului, încălzitoare mai lungi) sau de a aplica detartraj chimic (de exemplu, . 2-5% bifluorura de amoniu sau caustic fierbinte cu EDTA).

Concluzie: Durata de viață a încălzitorului geotermal și controlul cu silice al fluxului de căldură

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 nu este recomandat independent de fluxul de căldură. Relația dintre fluxul de căldură, concentrația de siliciu și creșterea temperaturii indusă de scară la 180 de grade oferă cumpărătorilor o bază pentru specificarea specificațiilor încălzitorului 316L care previn arderea catastrofală în condiții geotermale de siliciu ridicat.