Лекция по «Нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии»

1.2.4. Коррозия и солеотложение в геотермальных системах

Выбор схемы теплоэнергетического использования термальных вод производится на основе гидрогеотермических, теплотехнических, термодинамических и технико-экономических расчётов, с учётом химического состава и минерализации гидротерм, большинство которых склонны к коррозии и отложению солей на поверхностях контакта. При выборе схемы геотермального теплоснабжения необходимо установить:

• можно ли данную термальную воду непосредственно подавать в систему теплоснабжения;
• можно ли данную воду подвергать пиковому догреву в котлах или теплообменниках;
• какие мероприятия возможны для предотвращения коррозии и солеотложения.

Коррозионное воздействие  геотермальных вод на металл обусловлено многими факторами: минерализацией, газосодержанием (сероводород, углекислая кислота, кислород), давлением, температурой (наибольшая скорость коррозии наблюдается при температуре 60— 90 °С), значением pHи т.п.

Самым опасным коррозионно-агрессивным  компонентом в термальных водах является кислород. Кислород не содержится в геотермальных водах, он может попадать в воду через неплотности системы, а интенсивность насыщения термальных вод кислородом зависит от их температуры и минерализации. Поэтому особенно тщательно должна быть обеспечена герметичность систем теплоснабжения, чего можно достичь применением сварных соединений и сведением до минимума резьбовых соединений и арматуры. В периоды консервации системы теплоснабжения, во избежание подсоса воздуха, все коммуникации и оборудование, соприкасающиеся с геотермальным теплоносителем, необходимо заполнить водой.

Сероводород увеличивает  скорость коррозии до 40 %, максимальная коррозия имеет место при его концентрации в воде 4—5 мг/л. Коррозия, вызываемая углекислотой, является минимальной по сравнению с кислородной и сероводородной. Коррозионное воздействие на металл оказывают ионы хлора в сочетании с сероводородом и углекислотой. При попадании в термальную воду кислорода сероводородная коррозия интенсифицируется в 2 раза, углекислотная в 1,5 раза, а хлор-ионная в 3—4 раза. Некоторым термальным водам присуще содержание в них сульфатредуцирующих бактерий, которые при попадании в системы теплоснабжения также ускоряют коррозию до 10—15 раз.

В качестве ингибиторов  коррозии в проточных системах применяют различные фосфаты и силикат натрия, как в отдельности, так и в сочетании с другими элементами. Силикат натрия весьма эффективен как в условиях кислородной, так и сероводородной коррозии. Эффективным способом борьбы с коррозией от растворенных газов является дегазация воды специальными устройствами, при которой удаляются агрессивные компоненты — сероводород и углекислый газ (рис. 1.12).

Для предотвращения коррозии оборудования и коммуникаций используют двухконтурные системы геотермального теплоснабжения с промежуточными теплообменниками, в которых геотермальным теплом подогревается пресная умягчённая вода, поступающая в дальнейшем на потребительские нужды. В таких системах коррозии подвергается теплообменник и коммуникации первичного контура, соприкасающиеся с геотермальным теплоносителем. Для предотвращения коррозии в теплообменниках за рубежом (США, Франция и др.) используют теплообменники с титановыми покрытиями.

В России такие теплообменники не нашли широкого применения из-за дороговизны титана. Для защиты пластинчатого  теплообменника от коррозии пластины покрывают защитным слоем. Кроме  высоких противокоррозионных свойств защитные покрытия должны обладатьвысокой теплопроводностью. Для получения противокоррозионных покрытий, стойких к воздействию кислых или щелочных сред при повышенных температурах, применяют фторопластовые и фторлоновые лаки и эмали, фенольные, эпоксидные, хлорвиниловые лакокрасочные материалы.

Рис. 1.12. Схема вакуумной  дегазации термальных вод:

1 — геотермальная скважина; 2 — дегазатор первой ступени; 3 — дегазационная колонка; 4 — бак-аккумулятор дегазированной воды; 5 — вакуумный насос

Для увеличения длительности эксплуатации противокоррозионных  полимерных покрытий их наносят на металлизационный слой из алюминия или цинка, т.е. получают металлизационно-полимерные покрытия с улучшенным адгезионным контактом с изделием. В настоящее время выпускают пластиковые трубы разных марок, выдерживающих большие давления и температуры. Применение таких труб в системах геотермального энергоснабжения полностью разрешит проблему коррозии в коммуникациях, предназначенных для транспортировки первичного геотермального теплоносителя. Весьма перспективны металлополимерные высокопрочные трубы, выдерживающие температуру теплоносителя до 100 °С. Такие трубы изготовляют из алюминия в сочетании с окружающими его слоями особо прочного полиэтилена.

Стабильной называют воду, не вызывающую коррозии поверхностей с которыми она соприкасается, и не выделяющую на этих поверхностях осадка, например, карбоната кальция. Солеотложение возникает тогда, когда нарушается термическое или динамическое равновесие в термальном растворе, и проявляется оно тем сильнее, чем резче произошло это нарушение. Химические типы минеральных отложений многообразны: карбонаты (кальцит, арагонит), сульфаты (гипс, ангидрит, барит), сульфиды (пирит, гидротроилит), окислы (лимонит, кремнезём), самородные элементы (свинец, сера). Отложение карбоната кальция является наиболее распространённым типом солезарастания. Практически все типы поверхностных и подземных вод близки к насыщению по карбонату кальция. И требуется незначительный сдвиг равновесия, который может выражаться в изменении давления, температуры, минерализации раствора для того, чтобы в твёрдую фазу выделился кальцит.

Солеотложение или коррозионная активность зависят от углекислотного равновесия. Различные формы углекислотных  соединений в термальных водах находятся  в динамическом равновесии:

Из формулы видно, что определённая концентрация бикарбонатных ионов в воде обеспечивается некоторым количеством свободной углекислоты, соответствующим этой концентрации. Такая углекислота называется равновесной. Если концентрация углекислого газа в воде больше равновесной, то уравнение сдвигается в сторону образования бикарбонатных ионов с одновременным уменьшением концентрации ионов . Напротив, если концентрация С0₂ ниже равновесной, то бикарбонатные ионы разлагаются с образованием ионовС0₃^2-и увеличением концентрации С0₂. В термальной воде, как и вовсех природных водах, присутствуют ионы кальция. Следует подчеркнуть, что бикарбонат кальция — хорошо растворимое соединение, а карбонат кальция, напротив, трудно растворимое соединение, которое выпадает в осадок. Поскольку С0₃^2-

участвует в углекислотныхравновесиях, концентрация углекислого газа влияет на протекание реакции

Если в пластовых  условиях термальная углекислая вода насыщена карбонатом кальция, то при  выходе на поверхность и постепенном  снижении давления происходит дегазация  углекислоты из термального раствора и многократное его пресыщение по кальциту. На поверхности, при дальнейшем снижении давления (после устьевой задвижки, переходе воды из трубы меньшего диаметра в больший и т.д.), пресыщенный раствор выпадает в осадок. В процессе солеотложения ухудшаются теплотехнические характеристики отопительных приборов, возрастают гидравлические сопротивления трубопроводов, возможна их полная закупорка и выход системы из строя (рис. 1.13 и 1.14). В г. Кизляре из-за интенсивного солеотложения в течениеодного года перестала функционировать однотрубная система геотермальноготеплоснабжения.

Рис. 1.13. Солеотложение:

а — на повороте трубы диаметром 250 мм (Тернаирское геотермальное месторождение); б — на линии сброса в трубе диаметром 100 мм (Кизлярское геотермальное месторождение)

Рис. 1.14. Солеотложение  в кожухотрубном теплообменнике (Тернаирское месторождение термальных вод)

Отложения солей в трубах геотермальных систем имеют ярко выраженный кристаллический характер. Степень адгезии и размеры кристаллов зависят от температуры и давления, при которых формировалось солеотложение.

Наблюдения за процессом  отложения карбоната кальция в геотермальных системах на месторождениях вод р