[科普中国]-地热防垢

简介可再生能源系指具有自我恢复原有特性并可持续利用的一次能源，包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源。地热能是一种可再生能源，可用于地热发电和直接利用。近几十年来，常规能源紧缺、环境污染和气候变暖等使地热能开发利用的比较优势显著增加，成为世界上继太阳能、风能之后又一新的绿色低碳经济的投资亮点。我国的地热资源相对丰富，远景储量为1353亿吨标准煤，探明储量为31.6亿吨标准煤。

目前，地热资源年直接利用量4.45亿立方米，而且正以每年10%的速度递增。经过20世纪60年代以来的努力，我国在地热能开发利用技术及装备方面取得了长足进步，特别是在地热供热专用技术和装备方面基本接近国际水平。但是，在世界范围内还存在一些技术瓶颈，严重制约着地热能的高效和经济利用，尤其是地热腐蚀和结垢问题。这些问题的解决需要交叉学科的科技工作者介入。本文作者介绍了地热能利用中的防腐防垢研究进展，以期引起化工及材料等领域的研究者的关注1。

地热开发利用的腐蚀问题无论是地热发电还是直接利用，都会经常遇到井管、深井泵及泵管、井口装置、管道、换热器及专用设备等的腐蚀问题。从国内外的地热井调查结果看，一般地热水矿化度较高，含离子种类较多，对金属材料易造成腐蚀。地热系统普遍存在腐蚀问题，只是程度不同。

地热流体的腐蚀主要是电化学腐蚀，其腐蚀性成分主要有氯离子、溶解氧、硫酸根离子、氢离子、硫化氢、二氧化碳、氨、总固形物等，其中以氯离子的腐蚀性为最强，是引起碳钢、不锈钢及其它合金的孔蚀和缝隙腐蚀的重要条件。一般采用Langlier 饱和指数法、Ryznar 稳定指数法和Larson 指数法等判断地热水的腐蚀性。但是，氯离子对金属的腐蚀作用还与温度有关。温度越高，腐蚀作用越强[19]。另外，地下深层地热水自然状态下通常不含氧，流出地面后空气中的氧会溶解入地热水，溶解氧也是地热水中最常见、最重要的腐蚀性物质[1，16]。生产实践表明，即使被判断为不具有腐蚀或轻微腐蚀的地热水，由于存在溶解氧和地热水温较高等原因，实际生产中的腐蚀程度要严重得多[23-25]。据调研，天津、西藏、北京、河南、安徽、山西、福建、东北等的地热田都发现地热井系统有不同程度的腐蚀等，从而大大降低了设备等的使用寿命，增加了生产成本和正常运行的难度。西藏羊八井地热电厂的设备腐蚀较为损坏严重。16Mn钢板在西藏地热水中的腐蚀率很大，平均每年腐蚀16Mn钢板13 mm厚左右，每年需投入350万元左右进行设备维修和更新。

地热开发利用的结垢问题地热水结垢是地热系统运行中普遍存在的现象，是影响地热直接利用系统正常运行的重要问题之一。地热水流经岩层时，在高温、高压的作用下，溶解了多种可溶性矿物质，当其通过系统时，附着在系统设备和管道的内表面上，形成垢层。垢层的出现和增厚使系统内地热流体的流动阻力增大，出水量下降。而换热器加热壁面上的结垢会导致传热效率下降，能耗增加，并有可能形成垢下腐蚀等，因此，直接影响地热利用系统的正常高效运行。地热水垢虽然有多种形式，但最普遍存在的是碳酸钙垢。据调研，日本、冰岛以及我国西藏、北京、天津、河南、辽宁等国家和地区的地热系统都存在不同程度的结垢现象。

如前所述，地热系统腐蚀会带来一系列问题。例如，具有中度腐蚀的地热井，泵管一般的使用年限为3～5 年，大大增加地热站运行成本。当冬季供暖时，由于井管锈蚀穿孔，部分地热水随井壁的腐蚀缝隙回流到井内，造成既达不到供暖负荷要求，又增加了泵耗。因此，在井口处采用防腐措施非常重要。地热水结垢是目前地热供热站和地热高温电站中最棘手的问题，对于换热器系统，污垢带来的负面影响更大。在板式换热器一次通道内和高温水输送管道内的结垢会造成通道完全或部分堵塞，降低换热效率，并加大泵耗，垢层不完整处往往会造成垢下腐蚀等。针对地热系统的腐蚀和结垢问题，国内外也开展了防腐防垢技术研究，并取得了一定的进展。

地热防腐技术1 采用防腐涂层

白丽萍等研制了环氧和氯磺化系列涂料配方，采用防腐涂层对碳钢材料进行保护，以实现既防腐又经济的目的，应用于地热深井泵泵管及地热板式换热器上。Sugama 等在低碳钢换热器管内表面上涂覆聚苯硫醚聚合物（polyphenylenesulphide，PPS）复合涂层，其中以聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）作为抗氧化剂，碳化硅（silicon carbide，SiC）作为导热剂，富含氧化铝的铝酸钙（aluminumoxide-rich calcium aluminate，ACA）作为抗磨损剂，用于高温地热系统的抗腐蚀、抗氧化、抗磨损和抗垢。冼泰来发明了一种新地热发电厂耐腐蚀多功能真空循环水仓，为了防止地热腐蚀，整个水仓涂有一层防腐涂层。

尽管采用管道或设备内防腐涂层也许是地热防腐首选方案，如采用各种金属防护涂料，但是，由于碳钢和防腐涂料层的屈服应力不同，存在涂层易脱落等问题2。

2 设备及管道选材上考虑采用防腐材质

采用非金属管材，如聚氯乙烯和玻璃钢管等，不易腐蚀，但非金属管材还存在承压、耐热、老化、接头处理、造价等一些技术问题。也可以采用不锈钢及钛材，但是在高氯离子含量条件下，不锈钢的耐腐蚀性并不比碳钢强，溶解氧的存在会大大加快不锈钢的腐蚀速率；采用钛材不但造价高，而且对于换热器的传热效率低。也有研制铸铁盒式抗腐蚀换热器，当流速降低时，尽管其抗腐蚀性能比不锈钢板式换热器高，但是传热系数比板式换热器下降得快。当然，整个地热系统采用耐腐蚀金属材料，可使地热系统非常可靠，但这种措施成本过高。

也可考虑设计时加大管道和其它结构件的腐蚀裕量，即增加管壁厚度。这样做除会增大投资外，也不能从根本上解决腐蚀问题。

3 充氮（隔氧密封）注硫（添加防腐抑制剂）技术

董志林等针对一些防止氧腐蚀方法的不足和地热供水系统氧腐蚀的问题，提出在地热井口充氮气和在供水管道内注亚硫酸钠化学药剂法去除氧腐蚀的技术。但是这种方法需要向地热井不断补充氮气，消耗氮气资源；充氮装置要严格密封；向地热水添加的亚硫酸钠药剂易氧化；地热水利用系统是开放系统，排水量大，必须考虑添加化学药剂的成本；向地热水添加化学药剂亚硫酸钠，药物的积累可能污染地下水源。这些不足削弱了生产上实施的可行性。另外，新的《城镇地热供热工程技术规程》严禁使用化学药剂方法防腐防垢。

阴极保护可以使被保护金属结构处于热力学稳定状态，实现有效腐蚀控制。林振华提出采用牺牲阳极或外加电流阴极保护井管的设想，但是有待进一步研究。

目前的地热防垢技术1 添加化学阻垢剂法

国内外有不少采用添加化学药剂抑制污垢的报道。例如，张静玉和Siega等采用化学抑制剂防止地热井系统结垢，取得了一定的防垢效果。考虑到新的规范会禁止这种方法在地热系统使用，不再展开分析。另外，把防垢剂送入井下也存在较大的技术问题。

2 诱垢载体除垢或回灌滞留槽除垢

齐金生等针对中低温地热水利用中的结垢问题，提出了诱垢载体沉积式除垢技术。即在地热利用设备之前，设计一种装置，提供析晶自由能更低的表面，使垢集中结在该设备中，使其后的地热利用设备不再结垢，然后将这一装置定期打开，加以清理。但是，该装置等于把结垢过程前移，并增加了地热系统的流动阻力、地热能的损失和运行的不稳定性。滞留槽除垢是在地热水回灌时，在槽中使水温下降、污垢沉积，使大部分垢沉积后再回灌地下。

3 电、磁、声等物理场处理法

对地热流体施加物理场力后，使垢成疏散状，便于清洗。但是不能防止结垢，适用范围也有限。最近报道有一种实用新型专利不结垢的地热分配器，即在地热采暖分配系统安装磁化除垢器，防止地热水流入分配系统内时结垢。

4 涂层防垢

Sugama 等在碳钢基换热器传热表面上涂覆PPS和掺杂PTFE的PPS涂层，用于地热环境中防垢。发现掺杂PTFE的具有抗垢特性，归因于涂层隔离氧化物和掺杂PTFE表面亲水性所致。

值得指出的是，采用现代纳米表面工程方法开展地热水防腐防垢研究已有专利报道3。

总结地热水的防腐防垢是地热开发利用的技术瓶颈，虽然在防止措施上取得了一些成果，但是，由于方法、技术可行性、经济合理性、实施条件等原因，在地热领域都尚不具备推广应用前景，研究进展缓慢。但是，解决腐蚀与结垢问题，对提高地热系统设备使用寿命，降低运行成本，提高地热资源的利用效率和价值，保证系统高效、稳定、正常运行，使我国地热资源利用技术达到国际水平，又有着重大的理论和实际意义。因此，有必要进一步开展相关研究。

腐蚀和结垢问题是多学科问题，有必要开展学科交叉。同时，现代科学以及工程技术的发展，尤其是现代材料防腐科学、微纳表面工程（例如，真空蒸镀、磁控溅射、离子注入、化学沉积等）技术的发展，也为突破防腐防垢关键技术瓶颈提供了必要的技术手段3。