工业用水评价

工业用水水质评价~

任务分析
锅炉用水是比较普遍的，对水质的要求也较高。当建筑物经常处于地下水的作用下时，应评价地下水对混凝土的侵蚀性。当铁管或其他铁质构件长期浸没于地下水中时，应当考虑地下水对铁质材料的侵蚀性。掌握锅炉用水的水质评价、地下水对混凝土的侵蚀性评价、地下水对铁质材料的侵蚀作用等内容，做到学以致用。
任务实施
（一）锅炉用水的水质评价
在工业用水中，锅炉用水是比较普遍的，对水质的要求也较高。水在蒸气锅炉中处在高温、高压条件下，水中的一些化学物质会发生各种不良化学反应，主要有成垢作用、起泡作用和腐蚀作用等。这些作用可给锅炉带来一些不良影响。
1.成垢作用
当水被煮沸时，水中所含的一些离子、化合物可以相互作用而发生沉淀，并依附于锅炉壁上，形成锅垢，这种作用称为成垢作用。当锅垢厚时，不仅不易传热、浪费燃料，而且易使金属炉壁过热融化，引起锅炉爆炸。锅垢的成分通常有：CaO、CaCO3、CaSO4、CaSiO3、Mg（OH）2、MgSiO3、Al2O3、Fe2O3及悬浊物质的沉渣等。
这些物质是由于溶解于水中的钙、镁盐类及胶体SiO2、Al2O3、Fe2O3和悬浊物沉淀而产生的。例如：

水文地质勘察


水文地质勘察

MgCO3再分解，沉淀出镁的氢氧化物：
MgCO3+2H2O→Mg（OH）2↓+H2O+CO2↑
与此同时，还可以沉淀出CaSiO3及MgSiO3，有时还沉淀出CaSO4等，所有这些产物沉淀在锅炉壁上，便形成了锅垢。锅垢的总质量，可根据水质分析资料用下式计算：

水文地质勘察

式中：H0为锅垢的总质量（g/m3）；S为悬浮物质量（mg/L）；C为胶体物质量（SiO2+Al2O3+Fe2O3+…）（mg/L）； 分别为Fe2+、Al3+、Mg2+、Ca2+等离子以单位电荷为基本单元（即以 为基本单元，B代表某一离子或某一物质，z为其电荷数或离子价）计算的物质的量浓度（毫摩尔浓度），单位为mmol（以 为基本单元）/L。式（2-1-1）中的系数是按所生成的沉淀物质量计算出来的。
按锅垢总量对成垢作用进行评价时，可将水分为四个等级：①H0500时，为沉淀物很多的水。
锅垢中包括硬质的垢石（硬垢）及软质的垢泥（软垢）两部分。硬垢主要是由碱土金属（Ca、Mg等）的碳酸盐、硫酸盐及硅酸盐构成，附壁牢固，不易清除。软垢则由悬浊物质及胶体物质构成，易于洗刷清除。故在评价锅炉用水时，还要计算硬垢数量，以评价锅垢的性质。硬垢量可用下式计算：

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式中：Hh为硬垢总量（g/m3）；SiO2为二氧化硅质量浓度（mg/L）； 、 、c（Na+）、c（K+）分别为Mg2+、Cl-、 、Na+、K+等以单位电荷为基本单元计算的物质的量浓度，单位为mmol/L。如方括弧中结果为负数时，说明水中没有钙、镁的碳酸盐和硫酸盐，则可略去不计。
对锅垢的性质进行评价时，可采用硬垢系数（Kn），即 。当Kn0.5时，为硬垢水。
2.起泡作用
起泡作用是指水在锅炉中煮沸时，在水面产生大量气泡的作用。如果气泡不能立即破裂，就会在水面以上形成很厚的极不稳定的泡沫层。当泡沫太多时，会使锅炉内水的汽化作用极不均匀，水位急剧升降，致使锅炉不能正常运转。产生这种现象的原因是由于水中易溶解的钠盐、钾盐以及油脂和悬浊物受炉水的碱度作用，发生皂化的结果。钠盐中，促使水起泡的物质为苛性钠和碳酸钠。苛性钠，除了可使脂肪和油质皂化外，还能促使水中的悬浮物变为胶体悬浊物。磷酸根与水中的钙、镁离子作用，能在炉水中形成高度分散的悬浊物。水中的胶体状悬浊物，增强了气泡薄膜的稳固性，因而加剧了起泡作用。
起泡作用可用起泡系数（F）评价，起泡系数可据钠、钾的含量计算：
F=62c（Na+）+78c（K+）（2-1-3）
式中：c（Na+）、c（K+）分别为Na+、K+的物质的量浓度（mmol/L），含义同上。
当F200时，为起泡的水（机车锅炉，须1～2d换一次水）。
3.腐蚀作用
由于水中氢置换炉壁铁，使炉壁受到损坏的作用称为腐蚀作用。氢离子可以是水中原有的，也可以是某些盐类因炉水中水温增高水解而生成的。此外，溶解于水中的气体成分，如O2、H2S、CO2等也是造成腐蚀作用的重要因素。锰盐、硫化铁、有机质及脂肪油类，皆可作为接触剂而加强腐蚀作用，温度增高及由此而产生的局部电流，均可促进腐蚀作用。随着蒸气压的加大，水对铜的危害也随之加重，往往对汽轮机叶片产生腐蚀。腐蚀作用对锅炉的危害极大，不仅减少锅炉的寿命，尚可能发生爆炸事故。例如，美国曾对640台锅炉进行过调查，在1956～1970年的15年中，由于腐蚀原因，至少发生一次爆炸事故的锅炉有119台之多，占总数的19%，我国此类事故也有发生。
水的腐蚀性可以用腐蚀系数（Kk）进行评价。
对酸性水：

水文地质勘察

对碱性水：

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式中：c（H+）、 分别为水中H+、Al3+、Fe2+、Mg2+等以单位电荷为基本单元计算的物质的量浓度，单位为mmol/L。
当Kk>0时，为腐蚀性水；当Kk0时，为半腐蚀性水；当Kk+0.0503Ca2+<0时，为非腐蚀性水（Ca2+的单位为mg/L）。
对锅炉用水进行水质评价时，应同时考虑以上三个方面。由于锅炉种类和形式不同，对水中各种成分的具体允许含量标准亦有所差异，应用时，可查阅有关规范、手册。
（二）地下水对混凝土的侵蚀性评价
地下水中含有某些成分时，水对建筑材料中的混凝土有侵蚀性和腐蚀性，当建筑物经常处于地下水的作用时，应评价地下水对混凝土的侵蚀性。大量试验证明，地下水对混凝土的破坏是通过分解性侵蚀、结晶性侵蚀及分解结晶复合性侵蚀作用进行的。地下水的这种侵蚀性主要取决于水的化学成分，同时也与水泥类型有关。
1.分解性侵蚀
系指酸性水溶滤氢氧化钙及侵蚀性碳酸溶滤碳酸钙而使水泥分解破坏的作用。此作用可分为一般酸性侵蚀和碳酸侵蚀两种。
一般酸性侵蚀 是酸性水中的氢离子与氢氧化钙起反应，使混凝土溶滤破坏。其反应式为：

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酸性侵蚀性的强弱主要取决于水的pH值，pH值越低，水对混凝土的侵蚀性越强。
碳酸侵蚀 就是侵蚀性二氧化碳对碳酸钙进行溶解，使混凝土遭受破坏。混凝土表面水泥中的Ca（OH）2在空气和水中CO2的作用下，首先生成一层碳酸钙，进一步作用，形成易溶于水的重碳酸钙，重碳酸钙溶解后，使混凝土破坏。其反应式为：

水文地质勘察


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这是一个可逆反应，碳酸钙溶于水中后，要求水中必须含有一定数量的游离CO2以保持平衡，此部分CO2称为平衡二氧化碳。如水中游离CO2减少，则方程向左进行，产生碳酸钙沉淀；若水中游离CO2大于平衡CO2，则可使方程向右进行，碳酸钙被溶解，直至达到新的平衡为止。与CaCO3反应消耗掉的那部分游离CO2，称为侵蚀性CO2。地下水中侵蚀性CO2愈多，对混凝土的侵蚀性愈强。地下水流量、流速都很大时，CO2易补充，平衡难建立，因而侵蚀加快。另一方面， 含量愈高，对混凝侵蚀性愈弱。
分解性侵蚀的具体鉴定标准参见表2-1-9，有以下三个评价指标。
1）分解性侵蚀指数pHs：它是分解性侵蚀的总指标，按下式确定：

水文地质勘察

式中： 为水中 的含量（mmol/L）；K1取表2-1-9中查得的数值。
当水的实际pH≥pHs时，水无分解性侵蚀；当pH<pHs时，则有分解性侵蚀。
2）pH值：为酸性侵蚀指标，当水的实际pH值小于表2-1-9中所列数值时，则有酸性侵蚀。
3）游离CO2：为碳酸侵蚀指标，当水中游离CO2大于以下公式的计算值 [CO2]时，则有碳酸侵蚀。计算公式为：

水文地质勘察

式中：[CO2]s为碳酸侵蚀指标；[Ca2+]为水中Ca2+含量（mg/L）；K2从表2-1-9查取；a、b为系数，按表2-1-10查取其值。
根据以上三个指标的评判，如有任何一种侵蚀性存在，均为具有分解性侵蚀。

表2-1-9 水对混凝土的侵蚀性鉴定标准

注：表中A为硅酸盐水泥；B为火山灰质、含砂火山灰质、矿渣硅酸盐水泥；表中系数a、b另查表2-1-10。

表2-1-10 表2-1-9中系数a和b值

（据《水文地质手册》，1978）
2.结晶性侵蚀
主要是水中硫酸盐与混凝土发生反应，在混凝土的空隙中形成石膏和硫酸铝盐（又名结瓦尔盐）晶体，这些新化合物，因结晶膨胀作用体积增大（石膏可增大1～2倍，硫酸铝盐可增大体积2.5倍），导致混凝土力学强度降低，以致破坏，因此，这种侵蚀称为结晶性侵蚀，也可称为硫酸侵蚀。石膏是生成硫酸铝盐的中间产物。生成硫酸铝盐的反应式为：

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这种结晶性侵蚀并不是孤立进行的，它常与分解性侵蚀作用相伴生。有分解性侵蚀时，往往更能促进这种作用的进行。另外，结晶侵蚀性（硫酸侵蚀性）还与水中氯离子含量及混凝土建筑物在地下所处的位置有关。水中氯离子含量越多，硫酸侵蚀性越弱，建筑物处在水位变动带，则这种侵蚀性加强。近年来，为了防止水中 对水泥的侵蚀破坏作用。在修建水下建筑物时均采用抗硫酸盐水泥。对于抗硫酸盐水泥来说，一般的水都不会发生硫酸侵蚀，只有当水中硫酸盐特别多时 才有侵蚀性。
的含量（mg/L）是结晶性侵蚀的具体评价指标，当水中 含量大于表2-1-9中的数值时，便有结晶性侵蚀作用。普通水泥还与Cl-的含量有关，抗硫酸水泥则与Cl-无关。
3.分解结晶复合性侵蚀
主要是水中弱盐基硫酸盐离子的侵蚀，即如果水中Mg2+、Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、 等含量很多，它们与水泥发生化学反应，使混凝土力学强度降低，甚至破坏。例如，水中的MgCl2与混凝土中结晶的Ca（OH）2发生交替反应，形成Mg（OH）2和易溶于水的CaCl2并随之流失，使混凝土遭破坏，反应式为：

水文地质勘察

分解结晶复合性侵蚀的评价指标为弱盐基硫酸盐离子总量，记为Me，主要用于被工业废水污染的侵蚀性鉴定。当Me>1000mg/L，且满足下式时，即有侵蚀性：

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式中：Me为水中Mg2+、Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、 等弱盐基硫酸盐离子的总量（mg/L）； 为水中硫酸根离子的含量（mg/L）；K3为与水泥种类有关的常数，其值可由表2-1-9查得。当Me<1000mg/L时，则不论 含量多少，均无侵蚀性。
以上介绍了地下水对混凝土侵蚀性的传统评价方法，该种方法仅能说明地下水对混凝土有无侵蚀性，并不能说明侵蚀程度。我国在2001年颁发的《岩土工程勘察规范（2009年版）》（GB 50021—2001）中提出了地下水对混凝土侵蚀程度（等级）的定量评价方法，参见表2-1-11～表2-1-14。

表2-1-11 环境类型分类

注：高寒区是指海拔等于或大于3000m的地区；干旱区是指海拔小于3000m，干燥度指数K值等于或大于1.5的地区；湿润区是指干燥度指数K值小于1.5的地区。强透水层是指碎石土、砾砂、粗砂、中砂和细砂；弱透水层是指粉砂、粉土和黏性土。含水量w<3%的土层，可视为干燥土层，不具有腐蚀环境条件。当有地区经验时，环境类型可根据地区经验划分；当同一场地出现两种环境类型时，应根据具体情况选定。

表2-1-12 分解性侵蚀评价标准

注：表中A表示直接临水或强透水土层中的地下水；B是指弱透水土层中的地下水。 含量是指水的矿化度低于0.1g/L的软水时，该类水质 的侵蚀性。

表2-1-13 结晶性侵蚀评价标准

注：表中数值适用于有干湿交替作用的情况，无干湿交替作用时，表中数值应乘以系数1.3。表中数值适用于不冻区（段）的情况；对冰冻区（段），表中数值应乘以系数0.8，对微冻区（段）应乘以系数0.9。

表2-1-14 分解结晶复合性侵蚀评价标准

注：表中数值适用于有干湿交替作用的情况，无干湿交替作用时，表中数值应乘以系数1.3。表中数值适用于不冻区（段）的情况，对冰冻区（段），表中数值应乘以系数0.8，对微冻区（段）应乘以系数0.9。表中苛性碱（OH-）含量（mg/L）应为NaOH和KOH中的OH-含量（mg/L）。
（三）地下水对铁质材料的侵蚀作用
当设计长期浸没于地下水中的铁管或其他铁质构件时，应当考虑地下水对铁的侵蚀性，特别是在硫化物矿床和煤矿床中，地下水常呈酸性，对探矿、采矿设备的破坏性很大。
水对铁的侵蚀性主要与水的氢离子浓度、溶解氧、游离硫酸、H2S、CO2及其他重金属硫酸盐有关。当水的pH值小于6.8时，有侵蚀性；pH<5的水，对铁有强烈的侵蚀性。水中的溶解氧可与铁发生氧化作用，使铁管锈蚀，当O2与CO2同时存在于水中时，可使氧的侵蚀性加剧。水中含有游离H2SO4时，产生的侵蚀作用同样是由于氢离子置换而引起的。为了防止铁管受硫酸的侵蚀，水中 的含量一般不应超过25mg/L。当水中溶有CO2或H2S时，可以使水成为电导体而不断发生化学作用，并引起侵蚀过程加速，其反应式为：

水文地质勘察


水文地质勘察

此时，铁放出电荷，氢接受电荷，即：

水文地质勘察


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这样，使铁成为离子状态溶于水中。
当水中含有重金属硫酸盐时，如CuSO4，也会加速对铁的侵蚀。因为金属铜和金属铁构成微电池而使反应不断地进行，加速了腐蚀作用。地下水对铁的侵蚀性，目前尚无统一评价标准，可参考有关规定。
（四）其他工业用水对水质的要求
不同的工业部门对水质的要求不同。其中纺织、造纸及食品等工业对水质的要求较严格。硬度过高的水，对于肥皂、染料及酸、碱生产的工业都不太适宜，硬水妨碍纺织品着色，并使纤维变脆，使皮革不坚固，糖类不结晶。如果水中有亚硝酸盐存在时，使糖制品大量减产。当水中存在过量的铁、锰盐类时，能使纸张、淀粉及糖等出现色斑，影响产品质量。食品工业用水首先必须考虑符合饮用水标准，然后还要考虑影响质量的其他成分。
由于工业企业的种类繁多，生产形式各异，各项生产用水还没有统一的用水标准。目前只能依照各部门的要求与经验，提出了一些试行规定。现将几种工业的用水要求列于表2-1-15中。

工业用水

工业生产离不开水，它的主要用途有原料用水、产品处理用水、锅炉用水、冷却用水、洗涤用水和温、湿度调整用水及其它各项用水等。

工业用水应尽量满足水量大、水质好、水温低而且稳定等条件

地热流体在工业方面的早期应用,主要用于纺织印染、化工、造纸、木材和食品的烘干等。但随着经济的发展、新技术的应用和人民生活水平的提高,宝贵的地热资源已逐渐从上述行业退出,而主要应用于建筑的供暖和生活用水,这也是目前地热流体应用的最主要方面。而对供暖设施影响最大的指标就是地热流体的结垢性及对金属管材的腐蚀性。

(一)地热流体的腐蚀性

1.地热流体的主要腐蚀成分

金属腐蚀的类型繁多,按腐蚀原理分类,地热流体对金属的腐蚀属于电化学腐蚀之一种——电解质溶液腐蚀,即金属表面与电解质发生化学反应而对金属产生的破坏,在腐蚀过程中有电流产生。地热流体中含有大量的化学物质,可对金属产生程度不同的腐蚀作用,其中主要的腐蚀成分如下:

(1)氯离子(Cl^-)和氟离子(F^-)

Cl^-半径小、不易水合、迁移能力强,腐蚀作用主要是促进作用而不是反应物。①当地热水中存在溶解氧时,Cl^-的促进作用容易穿过金属表面已有的保护层产生腐蚀,特别是能强烈促进碳钢、高强度低合金钢、不锈钢及其他合金的局部腐蚀,包括缝隙腐蚀、孔隙与应力腐蚀等;②Cl^-的高含量会影响碳酸钙的平衡,妨碍成垢,破坏具有保护作用的碳酸钙垢的形成;③Cl^-的吸附能力很强,甚至可以排出已经吸附的氧,使金属的钝化很困难,或者可以局部破坏已经钝化的金属表面;④一般来说,地热流体的高Cl^-含量也意味着高矿化度,这将增大地热水的导电性,从而增强电化学腐蚀能力。

F^-的腐蚀作用与Cl^-基本相同。

(2)氧(O₂)

水中的溶解氧是对金属管材最常见、最重要的腐蚀性成分,它是受腐蚀金属所给出的电子的受体,其反应式为

O₂+2H₂O+4e→4OH^-

如此,使腐蚀反应不断进行。

通常地热水中溶解氧浓度大于50ppb时就会引起严重的孔蚀。但在大多数地热水中,尤其是来自深处热储层的地热水中,氧的含量通常较低(如天津地区一般仅几个ppb),不会对管材的腐蚀产生大的影响。但在利用过程中,如果系统密封不好,使空气进入,就可能造成严重的后果。试验数据显示:如果热流体中O₂含量达到30ppb,就会使碳钢的均匀腐蚀速度增加4倍。氧还容易与二价铁离子反应,尤其是在腐蚀区,使腐蚀产生的二价铁离子转变为三价铁离子,随之生成难溶的氢氧化铁(4Fe²⁺+3O₂+6H₂O→4Fe(OH)₃),Fe(OH)₃沉积物在腐蚀区形成结瘤,进一步诱发浓差电池,产生局部腐蚀,特别在高氯离子含量的情况下,局部腐蚀就更为严重。所以地热利用过程中,应做好运行系统的密闭工作。

(3)

对金属的腐蚀作用与Cl^-相似,但由于其离子半径更大,其影响约为同浓度Cl^-的1/3;但其是水泥最主要的腐蚀因素。]]

在大多数无O₂的地热水中,碳钢或低合金钢的腐蚀主要是由H⁺的还原反应控制的,即:

2H⁺+4e→H₂

当pH值＜5时,可能破坏合金钢的钝性,也会对水泥产生酸侵蚀;当pH值＞8时,腐蚀速度急剧下降。

(5)硫化氢(包括H₂S,HS^-,S^2-)

硫化氢可与金属离子反应生成硫化物,可腐蚀铁、铜、钢、锌等金属管材。在高温下,硫化氢对铜合金和镍合金的腐蚀性最大,尤其是对铜镍合金,要求地热流体中的 H₂S＜30ppb。尤其当有氧气共存时,对H₂S的限量要求更小。

(6)二氧化碳(包括溶解的CO₂,

,

)

热液中CO₂的活度或逸度对溶液的pH值、氧化还原条件和元素存在形式有重要影响,水中二氧化碳的腐蚀作用原理如下:

H₂O+CO₂≒H₂CO₃

在阴极发生下列反应:

沉积盆地型地热田勘查开发与利用

这一反应过程使二氧化碳间接成为阴极反应的去极剂。如果地热流体中的游离二氧化碳的含量高于平衡需要,则使反应不断向右进行,腐蚀金属。另外,水中二氧化碳对碳酸钙的溶解有很大影响,Ca-CO₃+CO₂+H₂O⇔Ca²⁺+

这一可逆反应成平衡时,溶液中相应的二氧化碳为“平衡二氧化碳”。如果热流体中游离二氧化碳的含量高于平衡的需要,则会使接触到的碳酸钙固体溶解。与碳酸钙起反应的这部分二氧化碳为“侵蚀性二氧化碳”。侵蚀性二氧化碳对混凝土及金属均有腐蚀作用。特别是与氧共存时,对钢材的腐蚀更为强烈。二氧化碳还会引起钢筋混凝土碳酸化,降低混凝土中钢筋附近的pH值,从而破坏钢筋表面的钝化膜,加速钢筋的腐蚀。

(7)氨(包括NH₃,

)

氨腐蚀金属是因为氨可以与金属离子形成比较稳定的配离子,会使金属离子与金属单质之间的标准电极电势降低,使金属更容易被氧化。其实真正腐蚀金属的是溶解氧,氨的作用是使得腐蚀更容易进行。氨最易与铜反应生成四氨合铜离子从而引起铜合金的应力腐蚀,所以地热流体应用中不利于阀门中的铜材。

(8)总固形物:总固形物数值高,表示流体中有较高的离子浓度,这将增大热流体的导电性,从而强化了地热流体构成电化学电路和传递腐蚀电流的能力,为腐蚀电池的工作提供了有利条件。

上述的很多腐蚀过程都是在有氧气的参与下进行的,所以做好地热运行系统的密闭工作是非常重要的。

2.地热流体腐蚀性的评价

(1)腐蚀系数Kk判断法

根据GB/T11615—2010《地热资源地质勘查规范》,参照工业上用腐蚀性系数Kk评价地热水的腐蚀性。

对于酸性水:

沉积盆地型地热田勘查开发与利用

对于碱性水:

沉积盆地型地热田勘查开发与利用

式中:Kk为腐蚀系数;r为离子含量的每升毫克数量数。

判定标准为:若Kk＞0,为腐蚀性水;

若Kk＜0,并且Kk+0.0503rCa²⁺＞0,为半腐蚀性水;

若Kk＜0,并且Kk+0.0503rCa²⁺＜0,为非腐蚀性水;

(2)拉申指数法

拉申指数的计算式为

沉积盆地型地热田勘查开发与利用

式中:LI为拉申指数(无量纲);Cl^-为氯离子或卤化物浓度,以等当量的CaCO₃(mg/L)表示;

为硫酸根离子浓度,以等当量的CaCO₃(mg/L)表示;ALK为总碱度,即重碳酸

浓度,以等当量的CaCO₃(mg/L)表示。

判定标准是:当LI＜0.5时,为结垢型水,没有腐蚀;

当LI＞0.5时,为腐蚀型水,不结垢;

LI超过0.5愈多,腐蚀性愈强:

当0.5＜LI＜3.0,为轻微腐蚀性水;

当3.0＜LI＜10.0,为中等腐蚀性水。

当LI＞10.0,为强腐蚀性水。

(3)不同方法的比较

通过表8-6可知,利用不同方法评价地热流体的腐蚀性的结论存在着一定的差异。因为地热流体对金属产生腐蚀性是个极为复杂的过程,涉及多种因素及离子。某一种特定的评价方法只是偏重于某些主要腐蚀性成分对地热流体的腐蚀性所做的趋势性判断,并不能确定地热流体的溶蚀速率,而且不同的评判方法可能给出不一致的结果。因此也常常通过挂片试验测定地热流体的腐蚀情况及实际的腐蚀速率,并确定哪一种评判方法更适合当地的地热流体。

表8-6 天津地区各热储层有代表性热水井的腐蚀性评价(mg/L)

注:Kk’=Kk+0.0503rCa²⁺。

1989年天津塘沽热化办公室在TG-15,TG-16两井中进行过挂片试验。在储水罐和热水管道中各放12片同样材质的试片,经过120天的采暖期后检查发现:热水罐内水面附近的试板上斑点腐蚀较严重;而在不间断通水的管道和散热器内没有发现腐蚀现象。显然该两眼井的水质对管材的腐蚀是因为空气中的氧气造成的;地热流体在密闭的空间中不会对管材产生腐蚀,与Kk法判断一致,与LI法(表8-6中TG-15)有一定出入。

(二)地热流体的结垢性

地热流体赋存在热储层的高温、高压环境中,溶解了大量的化学成分并基本达到平衡;当流出地表后,由于温度降低、压力下降、气体逸出等因素的综合作用,不断有物质析出而在管道中形成垢层。按结垢成分划分,主要有:碳酸钙垢、硫酸钙垢、硅酸盐垢。

1.地热流体结垢机理

(1)碳酸钙垢

碳酸钙垢是地热流体在利用过程中产生的最普遍的结垢物质。碳酸钙垢的成因是Ca²⁺与

浓度的乘积超过了碳酸钙的容度积,其主要影响因素有:pH值、CO₂分压、温度和矿化度。对于赋存于储层中化学成分稳定、离子基本保持平衡的地热流体来说,压力下降致使CO₂逸出、CO₂分压下降,进而使pH值升高是造成碳酸钙沉淀的最主要原因。

(2)硫酸钙垢

硫酸钙以无水硫酸钙(CaSO₄)或二水硫酸钙(CaSO₄·2H₂O)形式存在。虽然CaSO₄的溶解度小于CaSO₄·2H₂O,但由于动力学的原因,CaSO₄在温度小于93℃时不会析出。因此对中低温地热流体来说,只需考虑CaSO₄·2H₂O的结垢问题。

(3)硅酸盐垢

硅酸盐垢的沉淀物质比较复杂,通常含有40%～50%的SiO₂,25%～30%的铁和铝的氧化物,以及10%～20%的Na₂O。

2.地热流体的结垢趋势的判断方法

(1)碳酸钙垢

判断碳酸钙的结垢趋势可分为两种情况:①当地热流体中Cl^-毫摩尔百分含量小于25%时,可用雷兹诺指数RI判断碳酸钙的结垢趋势;②当地热流体中Cl^-毫摩尔百分含量大于25%时,可用拉申指数LI判断碳酸钙的结垢趋势。

A.雷兹诺指数RI

其表达式见式8-4。

RI=2pH_s-pH_a 8-4

式中:pH_s为计算出的pH值;pH_a为流体实测的pH值。

其中pH_s的计算式为

pH_s=-lg[Ca²⁺]-lg[ALK]+K_c 8-5

式中:[Ca²⁺]为流体中钙离子的摩尔浓度(mol/L);[ALK]为流体中

的摩尔浓度(mol/L);K_c是包括两个与温度有关的平衡常数和活度系数的复杂常数,可通过图8-1和图8-2查得。

图8-1 地热流体的总固形物＜6000ppm时,Kc求值图(据Lund,1976)

图8-2 地热流体的总固形物＞6000ppm时,Kc求值图

B.拉申指数LI法

确定拉申指数LI的公式8-3。此指标

其判别标准为:RI＜4.0——非常严重结垢;

4.0＜RI＜5.0——严重结垢;

5.0＜RI＜6.0——中等结垢;

6.0＜RI＜7.0——轻微结垢;

RI＞7.0——不结垢。

(2)硫酸钙垢

判定CaSO₄垢的生成趋势通常以采用相对饱和度(R·S)来定性估算,其表达式为

沉积盆地型地热田勘查开发与利用

式中:R.S.为相对饱和度;Ca²⁺为钙的离子浓度(mg/L);

为硫酸根的离子浓度(mg/L);K为与温度和水中总固形物含量有关的常数,可在图8-3上查出LgK值。

当R.S.＜1,无CaSO₄·2H₂O垢生成;当R.S.＞1,可能有CaSO₄·2H₂O垢生成。

相对饱和度并不能说明其沉积速度,R.S.在0.8～1.2之间的解释是不能确定的,只能说明其趋势。

(3)硅酸盐垢

硅酸盐垢的结垢通常采用无定形二氧化硅的相对饱和度R·S.来评价,其表达式为

图8-3 低温地热水中CaSO4·2H₂O的溶度积求值图 (Radian Corporation,1979)

R·S=SiO₂/(2.466×10⁴e^-1553/T) 8-7

式中:R·S.为相对饱和度;SiO₂为分子浓度(mg/l);T为绝对温度;当R·S.＜1时,无SiO₂垢生成;当R·S.＞1时,可能有SiO₂垢生成。

通常情况下,中低温地热流体,SiO₂的沉积速度非常缓慢,即使过饱和一般也不会生成SiO₂沉淀。

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新乡市17678498156： 工业用水 - 搜狗百科？
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新乡市17678498156： 地下水质量评价 - ？
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