地热利用系统的防腐、防垢技术

  1.地热利用系统的防腐

 

  腐蚀与结垢问题是地热开发利用中普遍存在的问题之一，由于地热水温度较高，含多种腐蚀性化学组分，往往对地热利用设备造成严重的腐蚀破坏，直接影响设备的使用寿命。地热水腐蚀的主要因素是：

 

  （1）氯离子（Cl-） 起腐蚀促进作用，当地热水中存在溶解氯时，腐蚀作用就尤为明显。

 

  （2）溶解氧（O2）是地热水中最重要的腐蚀性物质。在多数地热水中，氧虽不是常有组分，但在地热利用系统中会有氧从空气进入，而增加对金属材料的腐蚀作用，如地热水中含3×10-5mg/L的O2，就会使碳钢的均匀腐蚀速度增加4倍，在氧离子含量多的情况下，局部腐蚀会更为严重。

 

  （3）硫酸根（SO2-4）其作用与氯离子类似，影响力为同浓度氯离子的。在大多数地热水中，SO2-4对腐蚀作用不大，但在氯离子浓度较低的地热水中，会产生一定的腐蚀。此外，SO2-4对水泥有侵蚀作用。

 

  （4）pH值地热水若pH值低，则可破坏不锈钢的纯性。

 

  （5）硫化氢（H2S）在金属腐蚀中，硫化氢起加速作用，与金属离子反应生成硫化物。在无氧条件下，它也腐蚀铁、钢、铜、镀锌管等。硫化氢最严重的影响是对铜合金和镍合金的破坏，尤其是对铜镍合金的影响更为严重。

 

  （6）二氧化碳（CO2）对碳钢有较大的腐蚀作用，特别是与氧共存时，对钢铁的腐蚀作用会更为强烈。

 

  （7）氨（NH4)引起铜合金的应力腐蚀破坏。

 

  （8）总固形物（TDS)地热水中总固形物值高，表示其具有较高的离子浓度和导电性，从而强化了地热水构成电化学电路和传递腐蚀电流的能力，为腐蚀电池的工作提供了便利条件。

 

  为防止地热水对地热系统设备的腐蚀，一般应针对地热水的水质情况采取相应的措施，常用的措施有：

 

  1）整个系统采用耐腐蚀材料（包括金属与非金属），使地热系统非常可靠，也不需要经常维修，但成本高。

 

  2）对地热系统采取密封措施，不使氧（主要是空气）进入热水系统，也可在系统中加除氧剂（如亚硫酸盐）除氧，达到防腐目的。但此法使设备复杂化，经济性较差。

 

  3）采用在系统中安装换热器的办法，使地热水不直接进入利用系统，地热水只是通过热交换器将热量传给洁净水，从而减轻设备的腐蚀。此法在国内外普遍使用，防腐效果好，缺点是投资大，降低了热水利用的初始温度（一般降低3～5℃）。

 

  4）对非传热的金属表面采取涂敷防腐涂料的办法。

 

  5）针对不同类型的局部腐蚀采取相应的防腐措施。

 

  2.地热利用系统的防垢

 

  地热水矿化度较高，在使用中，当水温度降低时，会使溶解其中的有些固体物质超过饱和度而在系统中产生结垢，引起井管口径减小，换热设备传热效率降低，输送地热水系统的阻力增加，能耗加大，严重者甚至造成换热设备及管道的阻堵。为此，应采取防结垢的措施。地热利用系统中的水垢按其化学成分分为碳酸钙垢、硫酸钙垢、硅酸盐垢和氧化铁垢。

 

  （1）碳酸钙垢   其成因是水中的钙离子（Ca2+）浓度与碳酸根离子（CO2-3）浓度积超过了碳酸钙的溶解度积，使碳酸钙从溶液中析出，附在金属表面上。影响碳酸钙垢形成的重要因素有pH值，压力（CO2分压）、温度和总固形物。pH值控制地热水中CO2-3与HCO-3的分配，当pH值升高时，CO2-3浓度上升，碳酸钙垢易生成。pH值由CO2分压控制，地热水喷出地面，压力下降，导致CO2逸出，使水中pH值升高，造成碳酸钙垢的形成。判断热水中碳酸钙垢能否形成，国内外专家进行了大量研究，提出了雷兹谱指数、拉申指数等结垢趋势判别式。研究表明，对热水中氯离子含量低的可用雷兹谱指数判断；对氯离子含量超过25％毫克当量百分比的，则可采用拉申指数予以判断。

 

  雷兹谱指数表达式为：R1＝2pHs-pHa

 

  式中： pHa为地热水pH实测值;

 

  pHs为计算的pH值,高于此值，则水中有碳酸钙沉淀。可用下式计算：

 

  pHs=lg（Ca2+）-lg（ALK）＋Kc

 

  式中：Ca2+为热水中钙离子的摩尔浓度; ALK＝(HCO3) ，为流体中重碳酸根的摩尔浓度;

 

  Kc为常数，包括两个与温度有关的平衡常数和活度系数的复杂常数。根据计算的R1值，估算热水中的结垢倾向。

 

  当R1＜4.0，非常严重结垢；

 

  4.0＜R1＜5.0，严重结垢；

 

  5.0＜R1＜6.0，中等结垢；

 

  6.0＜R1＜7.0，轻微结垢；

 

  R1＞7.0，不结垢。

 

  拉申指数的表达式为：L1＝Cl＋SO4/ALK

 

  式中：Cl为氯化物或卤化物浓度；SO4为硫酸盐浓度；ALK为总碱度。

 

  此三项均以等当量的CaCO3（mg/L）表示

 

  当 L1＞0.5，不结垢；

 

  L1＜0.5，可能结垢。

 

  （2）硫酸钙垢   在低温地热水中，主要为二水硫酸钙（石膏CaSO4·2H2O）的沉淀，当地热水中钙离子的浓度与硫酸根离子浓度积超过二水硫酸钙的溶解度时就产生，地热水中硫酸钙生成的趋势，可由石膏的相对饱和度（R.S）估算：

 

  当R.S＜1.0 时，无CaSO4·2 H2O垢生成；

 

  R.S＞1.0 可能生成CaSO4·2H2O垢。

 

  （3）硅酸盐垢   硅酸盐垢的结垢比较复杂，结垢趋势可由无定形的SiO2的相对饱和度（R.S）的大小来判断：

 

  当R.S＜1.0时，无SiO2垢生成；

 

  R.S＞1.0，可能生成SiO2垢。

 

  中国地热水开发利用最普遍存在的结垢问题是碳酸钙垢，对其防止，一是除垢，即让碳酸钙垢自然形成，然后定期、不定期的加以清除；二是防垢，即采取预防措施，防止或控制垢的发生。

 

  除垢的方法是：

 

  1) 机械除垢，一般采用轻型钻机，配备专用钻头，定期清垢；也可用软管钻机通井；

 

  2) 用高压水泵进行水压破碎；

 

  3) 用HCl和HF等溶解水垢。

 

  防垢的方法有：

 

  (1) 化学方法即在地热水中投放酸性溶液，降低热水的pH值，使碳酸钙不致沉淀。

 

  (2) 增压法即采用深井泵或潜水泵输送井中地热水，使其在系统中保持足够压力而不发生气化，以防止CaCO3沉淀；垢减轻成疏散状，便于清洗。

 

  (3) 磁法即在地热水输水管线上安装磁法防除垢装置，对地热水进行磁化处理，使垢减轻并成松散状，便于清洗。

 

  (4) 防垢涂层法即选用合适的涂料涂衬在管壁内，防止管壁结垢。