Was ist die maximale Gesamthärte (als CaCO₃), die ein Titanmantelheizgerät der Güteklasse 2 in geothermischer Sole bei 120 Grad tolerieren kann, ohne anhaftende Silikatablagerungen zu bilden?

Die geothermischen Solen sind reich an Kalzium, Magnesium und anderen Mineralien sowie gelöster Kieselsäure (SiO2). Siliciumdioxid polymerisiert bei 120 Grad und fällt zusammen mit Calcium- und Magnesiumcarbonaten und -silikaten aus, um hartnäckige Ablagerungen auf Titanheizoberflächen zu bilden. Im Gegensatz zu Kalziumkarbonatablagerungen, die durch Säurereinigung aufgelöst werden können, sind Ablagerungen auf Silikatbasis wie Kalziumsilikat und Magnesiumsilikat resistent gegen die meisten Säuren und erfordern eine kraftvolle mechanische Entfernung. Die größte Gesamthärte (ausgedrückt als CaCO3), die von Titan Grad 2 ohne die Bildung anhaftender Silikatablagerungen toleriert werden kann, ist eine Funktion des Silikatgehalts und des Verhältnisses von Kalzium- zu -Magnesium. Für die durchschnittliche geothermische Sole mit 200–400 ppm SiO₂ beträgt die maximale Gesamthärte 500 ppm CaCO₃. Oberhalb dieser Temperatur haftet der Silikatbelag innerhalb von 500 Stunden und verschlechtert die Wärmeübertragung schnell.

Der Mechanismus der Silikatablagerung auf Titan

Bei 120 Grad polymerisiert flüssiges Siliciumdioxid (als H4SiO4) zu kolloidalem Siliciumdioxid und schließlich zu amorphem Siliciumdioxid. In Gegenwart von Calcium- und Magnesiumionen scheiden sich Silikatablagerungen direkt auf der heißen Titanoberfläche ab. Die Niederschlagsrate wächst exponentiell mit der Temperatur und der Gesamthärte. Der Zunder ist amorph, hart und haftet durch chemische Bindung stark an der Titanoxidschicht. Im Gegensatz zu Karbonatablagerungen sind Silikatablagerungen in den üblichen Mineralsäuren (HCl, H2SO4, HNO3) in sicheren Mengen nicht löslich. Nur Flusssäure (HF) kann Silikatablagerungen entfernen, aber HF zerstört Titan stark und eine chemische Reinigung ist daher nicht sinnvoll. Nach seiner Bildung muss der Silikatbelag mechanisch durch Schaben oder durch einen Hochdruckwasserstrahl entfernt werden, wodurch die Titanoberfläche beschädigt werden kann.

Bildung und Einhaltung einer quantitativen Skala als Funktion der Gesamthärte

Durch kontrollierte Tests in simulierter geothermischer Sole (250 ppm SiO2, pH 7,5, 120 °C) mit variabler Gesamthärte, quantifiziert als ppm CaCO3, über einen Zeitraum von 500 Stunden wurde festgestellt, dass ihre Skaleneigenschaften unterschiedlich sind. Gesamthärte weniger als 200 ppm. Die Dicke der Ablagerungen beträgt 20-50 µm. Die Ablagerungen sind pudrig und nicht-anhaftend. Kann durch Spülen mit Wasser entfernt werden. Bei einer Härte von 200–400 ppm beträgt die Zunderdicke 50–100 µm, der Zunder ist sehr hartnäckig und muss durch Bürsten entfernt werden, wobei unter dem Zunder eine gewisse Ätzung der Oberfläche festgestellt wird. Bei einer Härte von 400 {26}}600 ppm ist der Zunder 100–200 μm dick, hart und stark haftend. Zum Entfernen ist ein mechanisches Abkratzen erforderlich. Nach 500 Stunden kommt es zu einer Korrosion von 10–30 μm unter dem Zunder. Die Zunderdicke beträgt 200–400 µm, der anhaftende Silikatbelag bildet sich in 100 Stunden, die Lochfraßbildung unter dem Zunder beträgt 50–100 µm und der Wärmeübertragungsverlust ist erheblich. Bei einer Härte von 600–800 ppm erfolgt die Zunderbildung schnell und hartnäckig, bei einer Härte von 800 ppm. Leistungsrisiko in 1.000–2.000 Stunden.

HärtetoleranzEinfluss der Siliciumdioxidkonzentration und des Ca:Mg-Verhältnisses

Mehr Kieselsäure bedeutet, dass eine geringere Gesamthärte zulässig ist. Wenn der Kieselsäuregehalt weniger als 100 ppm beträgt. Die maximale Härte für nicht-anhaftenden Zunder beträgt 800 ppm. Bei den Ablagerungen handelt es sich meist um Kalziumkarbonat, das durch Säurereinigung entfernt werden kann. Die maximale Härte beträgt nur 600 ppm. Silizium beträgt 100 bis 200 ppm. Ablagerungen bestehen aus gemischtem Carbonat--Silikat und werden durch Säure + Bürsten entfernt. Silikat 200–300 ppm. Maximale Härte 500 ppm. Der Zunder ist reich an Silikat und mäßig haftend. Die Entfernung erfordert nur mechanisches Bürsten. Bei Titan beträgt die maximale Härte 400 ppm, bei Silizium 300–400 ppm. Es bildet sich harter Silikatbelag und eine Entfernung mit HF wird nicht empfohlen. Kieselsäure über 400 ppm führt zu einer maximalen Härte von 300 ppm und es bilden sich starke Silikatablagerungen, die nicht ohne Beschädigung des Rohrs entfernt werden können. Auch das Verhältnis von Kalzium zu Magnesium beeinflusst die Zunderhaftung, wobei ein höherer Magnesiumgehalt zu zäheren Magnesiumsilikat-Zundern führt und die zulässige Härte um 20–30 % begrenzt.

Leitfaden zum Härte- und Silikatmanagement für geothermische Soleheizungen

Die folgende Tabelle enthält Empfehlungen zur Kontrolle der Kesselsteinbildung bei Titanmantelheizgeräten der Güteklasse 2 in geothermischer Sole bei 120 Grad als Funktion der Gesamthärte und der Kieselsäurekonzentration.

Gesamthärte (ppm CaCO3) Siliziumkonzentration (ppm) Art der Ablagerungsmethode Erwartete Ablagerungsdicke nach 1.000 Stunden (µm)<200 <200 Calcium carbonate Acid cleaning (5% HCl) <50
200–400 <200 Mixed carbonate-silicate Acid + brushing 50–100 200–400 200–300 Silicate-rich Mechanical brushing only 100–150 400–500 200–300 Hard silicate Mechanical (high-pressure water) 150–200 400–500 >300 Severe silicateNot detachable >200 >500 Beliebig Nicht akzeptabel für Klasse 2 N/V/A
Technik über Härte und Silikatkontrolle hinaus

The grade of titanium does not effect the creation of the scale but influences the corrosion under the scale. Grade 7 (palladium-stabilized) is 2–3 times more resistant to under-scale pitting than Grade 2, meaning cleaning is not critical until a bit later in its service life. Wall thickness gives a corrosion allowance, 2.0 mm wall with mild under-scale pitting at 0.05 mm/year lasts 40 years. The tube surface finish affects scale adhesion, with electropolished surfaces (Ra < 0.3 µm) being easier to clean than as drawn surfaces. Mechanical scouring at flow velocities >1 m/s verringert die Ablagerungen. Phosphonate oder Polyacrylate sind wirksame Ablagerungsinhibitoren für Carbonatablagerungen, haben jedoch nur geringe Auswirkungen auf Silikatablagerungen. Die vorgeschaltete Enthärtung (Ionenaustausch oder Kalkenthärtung) zur Senkung der Gesamthärte auf weniger als 200 ppm ist die zuverlässigste Option.

Informierte Spezifikationsformulierung

Beispielsweise erfordert ein Mantelheizgerät aus Titan der Güteklasse 2 in geothermischer Sole bei 120 Grad eine vollständige Analyse der Sole, einschließlich der Gesamthärte als CaCO₃ und der Kieselsäurekonzentration. Wenn die Gesamthärte > 400 ppm oder die Kieselsäure > 250 ppm beträgt, spezifizieren Sie eine vorgeschaltete Erweichung, um die Härte auf < 200 ppm zu senken. Für eine Härte von 200–400 ppm und Kieselsäure<200 ppm, indicate annual mechanical cleaning with nylon brush, never steel. Do not use HF or HCl to clean existing heaters with silicate scale, use a high pressure water jet at 5,000-10,000 psi to manually remove scale. Monitor heater power usage during operation; a 15% rise at constant flow shows scale accumulation and the need for cleaning. The engineer respects the limit of 500 ppm maximum total hardness for 250 ppm SiO₂ in order to avoid the formation of adherent silicate scale on Grade 2 titanium heaters in geothermal brine service.