地熱防垢技術包括：添加化學阻垢劑法、誘垢載體除垢或回灌滯留槽除垢、電磁聲等物理場處理法、塗層防垢等。地熱水的防腐防垢是地熱開發利用的技術瓶頸，雖然在防止措施上取得了一些成果，但是，由於方法、技術可行性、經濟合理性、實施條件等原因，在地熱領域都尚不具備推廣套用前景，研究進展緩慢。但是，解決腐蝕與結垢問題，對提高地熱系統設備使用壽命，降低運行成本，提高地熱資源的利用效率和價值，保證系統高效、穩定、正常運行，使我國地熱資源利用技術達到國際水平，又有著重大的理論和實際意義。
基本介紹
- 中文名：地熱防垢
- 外文名：Geothermal antiscale
- 學科：能源
- 領域：新能源
- 類型：地熱能
- 作用：防垢，除垢，防腐蝕
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背景
可再生能源系指具有自我恢復原有特性並可持續利用的一次能源，包括太陽能、風能、水能、生物質能、地熱能、海洋能等非化石能源。地熱能是一種可再生能源，可用於地熱發電和直接利用。近幾十年來，常規能源緊缺、環境污染和氣候變暖等使地熱能開發利用的比較優勢顯著增加，成為世界上繼太陽能、風能之後又一新的綠色低碳經濟的投資亮點。我國的地熱資源相對豐富，遠景儲量為1353億噸標準煤，探明儲量為31.6億噸標準煤。
地熱資源年直接利用量4.45億立方米，而且正以每年10%的速度遞增。經過20世紀60年代以來的努力，我國在地熱能開發利用技術及裝備方面取得了長足進步，特別是在地熱供熱專用技術和裝備方面基本接近國際水平。但是，在世界範圍內還存在一些技術瓶頸，嚴重製約著地熱能的高效和經濟利用，尤其是地熱腐蝕和結垢問題。這些問題的解決需要交叉學科的科技工作者介入。本文作者介紹了地熱能利用中的防腐防垢研究進展，以期引起化工及材料等領域的研究者的關注。
腐蝕問題
無論是地熱發電還是直接利用，都會經常遇到井管、深井泵及泵管、井口裝置、管道、換熱器及專用設備等的腐蝕問題。從國內外的地熱井調查結果看，一般地熱水礦化度較高，含離子種類較多，對金屬材料易造成腐蝕。地熱系統普遍存在腐蝕問題，只是程度不同。
地熱流體的腐蝕主要是電化學腐蝕，其腐蝕性成分主要有氯離子、溶解氧、硫酸根離子、氫離子、硫化氫、二氧化碳、氨、總固形物等，其中以氯離子的腐蝕性為最強，是引起碳鋼、不鏽鋼及其它合金的孔蝕和縫隙腐蝕的重要條件。一般採用Langlier 飽和指數法、Ryznar 穩定指數法和Larson 指數法等判斷地熱水的腐蝕性。但是，氯離子對金屬的腐蝕作用還與溫度有關。溫度越高，腐蝕作用越強[19]。另外，地下深層地熱水自然狀態下通常不含氧，流出地面後空氣中的氧會溶解入地熱水，溶解氧也是地熱水中最常見、最重要的腐蝕性物質[1，16]。生產實踐表明，即使被判斷為不具有腐蝕或輕微腐蝕的地熱水，由於存在溶解氧和地熱水溫較高等原因，實際生產中的腐蝕程度要嚴重得多[23-25]。據調研，天津、西藏、北京、河南、安徽、山西、福建、東北等的地熱田都發現地熱井系統有不同程度的腐蝕等，從而大大降低了設備等的使用壽命，增加了生產成本和正常運行的難度。西藏羊八井地熱電廠的設備腐蝕較為損壞嚴重。16Mn鋼板在西藏地熱水中的腐蝕率很大，平均每年腐蝕16Mn鋼板13 mm厚左右，每年需投入350萬元左右進行設備維修和更新。
結垢問題
地熱水結垢是地熱系統運行中普遍存在的現象，是影響地熱直接利用系統正常運行的重要問題之一。地熱水流經岩層時，在高溫、高壓的作用下，溶解了多種可溶性礦物質，當其通過系統時，附著在系統設備和管道的內表面上，形成垢層。垢層的出現和增厚使系統內地熱流體的流動阻力增大，出水量下降。而換熱器加熱壁面上的結垢會導致傳熱效率下降，能耗增加，並有可能形成垢下腐蝕等，因此，直接影響地熱利用系統的正常高效運行。地熱水垢雖然有多種形式，但最普遍存在的是碳酸鈣垢。據調研，日本、冰島以及我國西藏、北京、天津、河南、遼寧等國家和地區的地熱系統都存在不同程度的結垢現象。
如前所述，地熱系統腐蝕會帶來一系列問題。例如，具有中度腐蝕的地熱井，泵管一般的使用年限為3～5 年，大大增加地熱站運行成本。當冬季供暖時，由於井管鏽蝕穿孔，部分地熱水隨井壁的腐蝕縫隙回流到井內，造成既達不到供暖負荷要求，又增加了泵耗。因此，在井口處採用防腐措施非常重要。地熱水結垢是地熱供熱站和地熱高溫電站中最棘手的問題，對於換熱器系統，污垢帶來的負面影響更大。在板式換熱器一次通道內和高溫水輸送管道內的結垢會造成通道完全或部分堵塞，降低換熱效率，並加大泵耗，垢層不完整處往往會造成垢下腐蝕等。針對地熱系統的腐蝕和結垢問題，國內外也開展了防腐防垢技術研究，並取得了一定的進展。
地熱防腐技術
1 採用防腐塗層
白麗萍等研製了環氧和氯磺化系列塗料配方，採用防腐塗層對碳鋼材料進行保護，以實現既防腐又經濟的目的，套用於地熱深井泵泵管及地熱板式換熱器上。Sugama 等在低碳鋼換熱器管內表面上塗覆聚苯硫醚聚合物（polyphenylenesulphide，PPS）複合塗層，其中以聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）作為抗氧化劑，碳化矽（silicon carbide，SiC）作為導熱劑，富含氧化鋁的鋁酸鈣（aluminumoxide-rich calcium aluminate，ACA）作為抗磨損劑，用於高溫地熱系統的抗腐蝕、抗氧化、抗磨損和抗垢。冼泰來發明了一種新地熱發電廠耐腐蝕多功能真空循環水倉，為了防止地熱腐蝕，整個水倉塗有一層防腐塗層。
儘管採用管道或設備內防腐塗層也許是地熱防腐首選方案，如採用各種金屬防護塗料，但是，由於碳鋼和防腐塗料層的屈服應力不同，存在塗層易脫落等問題。
2 設備及管道選材上考慮採用防腐材質
採用非金屬管材，如聚氯乙烯和玻璃鋼管等，不易腐蝕，但非金屬管材還存在承壓、耐熱、老化、接頭處理、造價等一些技術問題。也可以採用不鏽鋼及鈦材，但是在高氯離子含量條件下，不鏽鋼的耐腐蝕性並不比碳鋼強，溶解氧的存在會大大加快不鏽鋼的腐蝕速率；採用鈦材不但造價高，而且對於換熱器的傳熱效率低。也有研製鑄鐵盒式抗腐蝕換熱器，當流速降低時，儘管其抗腐蝕性能比不鏽鋼板式換熱器高，但是傳熱係數比板式換熱器下降得快。當然，整個地熱系統採用耐腐蝕金屬材料，可使地熱系統非常可靠，但這種措施成本過高。
也可考慮設計時加大管道和其它結構件的腐蝕裕量，即增加管壁厚度。這樣做除會增大投資外，也不能從根本上解決腐蝕問題。
3 充氮（隔氧密封）注硫（添加防腐抑制劑）技術
董志林等針對一些防止氧腐蝕方法的不足和地熱供水系統氧腐蝕的問題，提出在地熱井口充氮氣和在供水管道內注亞硫酸鈉化學藥劑法去除氧腐蝕的技術。但是這種方法需要向地熱井不斷補充氮氣，消耗氮氣資源；充氮裝置要嚴格密封；向地熱水添加的亞硫酸鈉藥劑易氧化；地熱水利用系統是開放系統，排水量大，必須考慮添加化學藥劑的成本；向地熱水添加化學藥劑亞硫酸鈉，藥物的積累可能污染地下水源。這些不足削弱了生產上實施的可行性。另外，新的《城鎮地熱供熱工程技術規程》嚴禁使用化學藥劑方法防腐防垢。
陰極保護可以使被保護金屬結構處於熱力學穩定狀態，實現有效腐蝕控制。林振華提出採用犧牲陽極或外加電流陰極保護井管的構想，但是有待進一步研究。
技術
1 添加化學阻垢劑法
國內外有不少採用添加化學藥劑抑制污垢的報導。例如，張靜玉和Siega等採用化學抑制劑防止地熱井系統結垢，取得了一定的防垢效果。考慮到新的規範會禁止這種方法在地熱系統使用，不再展開分析。另外，把防垢劑送入井下也存在較大的技術問題。
2 誘垢載體除垢或回灌滯留槽除垢
齊金生等針對中低溫地熱水利用中的結垢問題，提出了誘垢載體沉積式除垢技術。即在地熱利用設備之前，設計一種裝置，提供析晶自由能更低的表面，使垢集中結在該設備中，使其後的地熱利用設備不再結垢，然後將這一裝置定期打開，加以清理。但是，該裝置等於把結垢過程前移，並增加了地熱系統的流動阻力、地熱能的損失和運行的不穩定性。滯留槽除垢是在地熱水回灌時，在槽中使水溫下降、污垢沉積，使大部分垢沉積後再回灌地下。
3 電、磁、聲等物理場處理法
對地熱流體施加物理場力後，使垢成疏散狀，便於清洗。但是不能防止結垢，適用範圍也有限。最近報導有一種實用新型專利不結垢的地熱分配器，即在地熱採暖分配系統安裝磁化除垢器，防止地熱水流入分配系統內時結垢。
4 塗層防垢
Sugama 等在碳鋼基換熱器傳熱表面上塗覆PPS和摻雜PTFE的PPS塗層，用於地熱環境中防垢。發現摻雜PTFE的具有抗垢特性，歸因於塗層隔離氧化物和摻雜PTFE表面親水性所致。
值得指出的是，採用現代納米表面工程方法開展地熱水防腐防垢研究已有專利報導。
總結
地熱水的防腐防垢是地熱開發利用的技術瓶頸，雖然在防止措施上取得了一些成果，但是，由於方法、技術可行性、經濟合理性、實施條件等原因，在地熱領域都尚不具備推廣套用前景，研究進展緩慢。但是，解決腐蝕與結垢問題，對提高地熱系統設備使用壽命，降低運行成本，提高地熱資源的利用效率和價值，保證系統高效、穩定、正常運行，使我國地熱資源利用技術達到國際水平，又有著重大的理論和實際意義。因此，有必要進一步開展相關研究。
腐蝕和結垢問題是多學科問題，有必要開展學科交叉。同時，現代科學以及工程技術的發展，尤其是現代材料防腐科學、微納表面工程（例如，真空蒸鍍、磁控濺射、離子注入、化學沉積等）技術的發展，也為突破防腐防垢關鍵技術瓶頸提供了必要的技術手段。
