Przy jakiej konkretnej kombinacji strumienia ciepła i stężenia krzemionki (SiO₂) w wodzie geotermalnej o temperaturze 180 stopni, w płaszczu grzejnika 316L tworzy się amorficzny kamień krzemianowy, który powoduje miejscowe przegrzanie i wypalenie

Mechanizm osadzania krzemionki w wysokiej temperaturze do ogrzewania geotermalnego

Połączenie wysokiej temperatury (180 stopni), wysokiego stężenia krzemionki (typowo 200-600 ppm SiO 2 ) i dużego strumienia ciepła (5-15 W/cm 2 ) powoduje szybkie wytrącanie się amorficznej krzemionki na powierzchni osłony elektrycznych rur grzewczych ze stali nierdzewnej 316L stosowanych do podgrzewania wody geotermalnej-takich jak elektrownie pracujące w cyklu binarnym, bezpośrednio-używaj ciepłownictwa lokalnego lub grzejników głębinowych. W przeciwieństwie do kamienia węglanu wapnia, który tworzy się dopiero po przekroczeniu granicy rozpuszczalności, amorficzna krzemionka może polimeryzować i osadzać się nawet poniżej nasycenia, ponieważ wysoka temperatura powierzchni przyspiesza reakcję kondensacji. Rozpuszczalność amorficznej krzemionki w wodzie masowej w temperaturze 180 stopni wynosi około 300-400 ppm. Lokalne przesycenie SiO2 występuje nawet wtedy, gdy stężenie nasypowe jest poniżej nasycenia (200-300 ppm), przy zwiększonym przepływie ciepła 8-10 W/cm2 i temperaturze powierzchni osłony 220-250 stopni. Utworzona zgorzelina krzemionkowa ma stosunkowo niską przewodność cieplną (0,5-1,0 W/m·K). Grubość zgorzeliny (100-200 µm) powoduje wzrost temperatury powłoki o 50-100 stopni, co z kolei przyspiesza osadzanie w cyklu samowzmacniającym. Wypalenie jest szybkie. W tym artykule określono ilościowo granicę stężenia strumienia ciepła i krzemionki dla problemów rozwoju kamienia przy 180 stopniach.

Mechanizm-strumienia-napędzany ciepłem. Mechanizm polimeryzacji krzemionki

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.

Ilościowe limity skalowania i przegrzania przy temperaturze masy wynoszącej 180 stopni

Szybkość osadzania się kamienia i wzrost temperatury mierzono w kontrolowanych testach laboratoryjnych przy użyciu symulowanej solanki geotermalnej (200-500 ppm SiO2, 1000 ppm Cl-, 500 ppm Ca++, pH 7,5) przy 180 stopniach i prędkości przepływu 5 m/s w osłonach 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 stopni, godz.) Zalecane do zastosowań geotermalnych<150 Any <195 >5000 (nieistotne)<200 <5 >20,000 Yes 150-200 4 195-200 3,000-5,000 205-215 10-15 >Tak Marginalny 200-250 8 210-215 300-600 260-300 50-80 800-2 000 Niezalecany 250-300 4 205-210 800-1,500 230-260 25-50 2,000-5 000 Marginalny 250-300 5 210-215 400-800 260-300 50-80 800-2 000 Niezalecany 250-300 6 215-22
Wpływ pH i zasolenia na szybkość tworzenia się kamienia krzemionkowego

Lower pH (acidic) retards silica polymerisation, higher pH (alkaline >8.0) przyspiesza go. Wysokie zasolenie (TDS > 10 000 ppm) również sprzyja osadzaniu się.

Względna szybkość osadzania krzemionki (pH 7.5=1.0) pH przy 180 CPraktyczne zalecenia dotyczące zastosowań w grzejnikach geotermalnych Zalecany maksymalny strumień ciepła dla 200 ppm SiO2 (W/cm2) Zalecana maksymalna krzemionka dla 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

Zalecane limity krzemionki i strumienia ciepła dla grzejników płaszczowych 316L w wodzie geotermalnej o temperaturze objętościowej 180 stopni wynoszą:

Wymagany okres użytkowania (lata) Maksymalna zawartość krzemionki w masie (ppm) Maksymalny strumień ciepła (W/cm2) Wymagane zabezpieczenie przed osadzaniem się osadu Alternatywny stop10<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 Silne odkamienianie Duplex lub Alloy 825<1 >400 Dowolny Niedrogi Tytan lub usuń grzejnik
Identyfikacja terenowa wypalenia krzemionki

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 stopni. Rozwiązaniem jest zminimalizowanie strumienia ciepła (zwiększenie powierzchni osłony, dłuższe grzejniki) lub zastosowanie chemicznego odkamieniania (np.. 2-5% wodorofluorku amonu lub gorącego ługu z EDTA).

Wniosek: Żywotność grzejnika geotermalnego i kontrola strumienia ciepła za pomocą krzemionki

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 >Nie zaleca się stosowania 350-400 ppm 316L niezależnie od strumienia ciepła. Zależność między strumieniem ciepła, stężeniem krzemionki i wzrostem temperatury o 180 stopni wywołanym kamieniem daje kupującym podstawę do określenia specyfikacji grzejnika 316L, które zapobiegają katastrofalnemu wypaleniu w warunkach geotermalnych o wysokiej zawartości krzemionki.