1.地熱利用系統(tǒng)的防腐

 

  腐蝕與結(jié)垢問題是地熱開發(fā)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(xué)組分，往往對地熱利用設(shè)備造成嚴重的腐蝕破壞，直接影響設(shè)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(zhì)。在多數(shù)地熱水中，氧雖不是常有組分，但在地熱利用系統(tǒng)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(shù)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(chǎn)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)電性，從而強化了地熱水構(gòu)成電化學(xué)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(tǒng)設(shè)備的腐蝕，一般應(yīng)針對地熱水的水質(zhì)情況采取相應(yīng)的措施，常用的措施有：

 

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

 

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

 

  3）采用在系統(tǒng)中安裝換熱器的辦法，使地熱水不直接進入利用系統(tǒng)，地熱水只是通過熱交換器將熱量傳給潔凈水，從而減輕設(shè)備的腐蝕。此法在國內(nèi)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(yīng)的防腐措施。

 

  2.地熱利用系統(tǒng)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(zhì)超過飽和度而在系統(tǒng)中產(chǎn)生結(jié)垢，引起井管口徑減小，換熱設(shè)備傳熱效率降低，輸送地熱水系統(tǒng)的阻力增加，能耗加大，嚴重者甚至造成換熱設(shè)備及管道的阻堵。為此，應(yīng)采取防結(jié)垢的措施。地熱利用系統(tǒng)中的水垢按其化學(xué)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(dǎo)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(nèi)外專家進行了大量研究，提出了雷茲譜指數(shù)、拉申指數(shù)等結(jié)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(shù)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(shù)予以判斷。

 

  雷茲譜指數(shù)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(shù)，包括兩個與溫度有關(guān)的平衡常數(shù)和活度系數(shù)的復(fù)雜常數(shù)。根據(jù)計算的R1值，估算熱水中的結(jié)垢傾向。

 

  當R1＜4.0，非常嚴重結(jié)垢；

 

  4.0＜R1＜5.0，嚴重結(jié)垢；

 

  5.0＜R1＜6.0，中等結(jié)垢；

 

  6.0＜R1＜7.0，輕微結(jié)垢；

 

  R1＞7.0，不結(jié)垢。

 

  拉申指數(shù)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(jié)垢；

 

  L1＜0.5，可能結(jié)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?shù)責崴锈}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(chǎn)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(jié)垢比較復(fù)雜，結(jié)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(fā)利用最普遍存在的結(jié)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(yù)防措施，防止或控制垢的發(fā)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(xué)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(tǒng)中保持足夠壓力而不發(fā)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(nèi)，防止管壁結(jié)垢。