地熱利用系統的防腐、防垢技術

  1.地熱利用系統的防腐

 

  腐蝕與結垢問題是地熱開發利用中普遍存在的問題之一，由于地熱水溫度較高，含多種腐蝕性化學組分，往往對地熱利用設備造成嚴重的腐蝕破壞，直接影響設備的使用壽命。地熱水腐蝕的主要因素是：

 

  （1）氯離子（Cl-） 起腐蝕促進作用，當地熱水中存在溶解氯時，腐蝕作用就尤為明顯。

 

  （2）溶解氧（O2）是地熱水中最重要的腐蝕性物質。在多數地熱水中，氧雖不是常有組分，但在地熱利用系統中會有氧從空氣進入，而增加對金屬材料的腐蝕作用，如地熱水中含3×10-5mg/L的O2，就會使碳鋼的均勻腐蝕速度增加4倍，在氧離子含量多的情況下，局部腐蝕會更為嚴重。

 

  （3）硫酸根（SO2-4）其作用與氯離子類似，影響力為同濃度氯離子的。在大多數地熱水中，SO2-4對腐蝕作用不大，但在氯離子濃度較低的地熱水中，會產生一定的腐蝕。此外，SO2-4對水泥有侵蝕作用。

 

  （4）pH值地熱水若pH值低，則可破壞不銹鋼的純性。

 

  （5）硫化氫（H2S）在金屬腐蝕中，硫化氫起加速作用，與金屬離子反應生成硫化物。在無氧條件下，它也腐蝕鐵、鋼、銅、鍍鋅管等。硫化氫最嚴重的影響是對銅合金和鎳合金的破壞，尤其是對銅鎳合金的影響更為嚴重。

 

  （6）二氧化碳（CO2）對碳鋼有較大的腐蝕作用，特別是與氧共存時，對鋼鐵的腐蝕作用會更為強烈。

 

  （7）氨（NH4)引起銅合金的應力腐蝕破壞。

 

  （8）總固形物（TDS)地熱水中總固形物值高，表示其具有較高的離子濃度和導電性，從而強化了地熱水構成電化學電路和傳遞腐蝕電流的能力，為腐蝕電池的工作提供了便利條件。

 

  為防止地熱水對地熱系統設備的腐蝕，一般應針對地熱水的水質情況采取相應的措施，常用的措施有：

 

  1）整個系統采用耐腐蝕材料（包括金屬與非金屬），使地熱系統非常可靠，也不需要經常維修，但成本高。

 

  2）對地熱系統采取密封措施，不使氧（主要是空氣）進入熱水系統，也可在系統中加除氧劑（如亞硫酸鹽）除氧，達到防腐目的。但此法使設備復雜化，經濟性較差。

 

  3）采用在系統中安裝換熱器的辦法，使地熱水不直接進入利用系統，地熱水只是通過熱交換器將熱量傳給潔凈水，從而減輕設備的腐蝕。此法在國內外普遍使用，防腐效果好，缺點是投資大，降低了熱水利用的初始溫度（一般降低3～5℃）。

 

  4）對非傳熱的金屬表面采取涂敷防腐涂料的辦法。

 

  5）針對不同類型的局部腐蝕采取相應的防腐措施。

 

  2.地熱利用系統的防垢

 

  地熱水礦化度較高，在使用中，當水溫度降低時，會使溶解其中的有些固體物質超過飽和度而在系統中產生結垢，引起井管口徑減小，換熱設備傳熱效率降低，輸送地熱水系統的阻力增加，能耗加大，嚴重者甚至造成換熱設備及管道的阻堵。為此，應采取防結垢的措施。地熱利用系統中的水垢按其化學成分分為碳酸鈣垢、硫酸鈣垢、硅酸鹽垢和氧化鐵垢。

 

  （1）碳酸鈣垢   其成因是水中的鈣離子（Ca2+）濃度與碳酸根離子（CO2-3）濃度積超過了碳酸鈣的溶解度積，使碳酸鈣從溶液中析出，附在金屬表面上。影響碳酸鈣垢形成的重要因素有pH值，壓力（CO2分壓）、溫度和總固形物。pH值控制地熱水中CO2-3與HCO-3的分配，當pH值升高時，CO2-3濃度上升，碳酸鈣垢易生成。pH值由CO2分壓控制，地熱水噴出地面，壓力下降，導致CO2逸出，使水中pH值升高，造成碳酸鈣垢的形成。判斷熱水中碳酸鈣垢能否形成，國內外專家進行了大量研究，提出了雷茲譜指數、拉申指數等結垢趨勢判別式。研究表明，對熱水中氯離子含量低的可用雷茲譜指數判斷；對氯離子含量超過25％毫克當量百分比的，則可采用拉申指數予以判斷。

 

  雷茲譜指數表達式為：R1＝2pHs-pHa

 

  式中： pHa為地熱水pH實測值;

 

  pHs為計算的pH值,高于此值，則水中有碳酸鈣沉淀。可用下式計算：

 

  pHs=lg（Ca2+）-lg（ALK）＋Kc

 

  式中：Ca2+為熱水中鈣離子的摩爾濃度; ALK＝(HCO3) ，為流體中重碳酸根的摩爾濃度;

 

  Kc為常數，包括兩個與溫度有關的平衡常數和活度系數的復雜常數。根據計算的R1值，估算熱水中的結垢傾向。

 

  當R1＜4.0，非常嚴重結垢；

 

  4.0＜R1＜5.0，嚴重結垢；

 

  5.0＜R1＜6.0，中等結垢；

 

  6.0＜R1＜7.0，輕微結垢；

 

  R1＞7.0，不結垢。

 

  拉申指數的表達式為：L1＝Cl＋SO4/ALK

 

  式中：Cl為氯化物或鹵化物濃度；SO4為硫酸鹽濃度；ALK為總堿度。

 

  此三項均以等當量的CaCO3（mg/L）表示

 

  當 L1＞0.5，不結垢；

 

  L1＜0.5，可能結垢。

 

  （2）硫酸鈣垢   在低溫地熱水中，主要為二水硫酸鈣（石膏CaSO4·2H2O）的沉淀，當地熱水中鈣離子的濃度與硫酸根離子濃度積超過二水硫酸鈣的溶解度時就產生，地熱水中硫酸鈣生成的趨勢，可由石膏的相對飽和度（R.S）估算：

 

  當R.S＜1.0 時，無CaSO4·2 H2O垢生成；

 

  R.S＞1.0 可能生成CaSO4·2H2O垢。

 

  （3）硅酸鹽垢   硅酸鹽垢的結垢比較復雜，結垢趨勢可由無定形的SiO2的相對飽和度（R.S）的大小來判斷：

 

  當R.S＜1.0時，無SiO2垢生成；

 

  R.S＞1.0，可能生成SiO2垢。

 

  中國地熱水開發利用最普遍存在的結垢問題是碳酸鈣垢，對其防止，一是除垢，即讓碳酸鈣垢自然形成，然后定期、不定期的加以清除；二是防垢，即采取預防措施，防止或控制垢的發生。

 

  除垢的方法是：

 

  1) 機械除垢，一般采用輕型鉆機，配備專用鉆頭，定期清垢；也可用軟管鉆機通井；

 

  2) 用高壓水泵進行水壓破碎；

 

  3) 用HCl和HF等溶解水垢。

 

  防垢的方法有：

 

  (1) 化學方法即在地熱水中投放酸性溶液，降低熱水的pH值，使碳酸鈣不致沉淀。

 

  (2) 增壓法即采用深井泵或潛水泵輸送井中地熱水，使其在系統中保持足夠壓力而不發生氣化，以防止CaCO3沉淀；垢減輕成疏散狀，便于清洗。

 

  (3) 磁法即在地熱水輸水管線上安裝磁法防除垢裝置，對地熱水進行磁化處理，使垢減輕并成松散狀，便于清洗。

 

  (4) 防垢涂層法即選用合適的涂料涂襯在管壁內，防止管壁結垢。