地热水吸附除垢及干热岩地热换热器涂层的防腐防垢性能研究

发布时间：2017-09-20 13:15

  本文关键词：地热水吸附除垢及干热岩地热换热器涂层的防腐防垢性能研究

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【摘要】：地热水引起的换热设备和管件的结垢和腐蚀问题,是制约地热能高效利用的瓶颈之一。本文在总结国内外地热利用系统换热设备防腐防垢的基础上,制备了改性A型分子筛,用于离子交换吸附移除地热水中的钙离子。同时,在建立的加压防腐防垢评价装置上,系统研究了溶胶-凝胶法和液相沉积法制备的TiO2涂层、SiO2涂层和SiO2-FPS复合涂层在150℃模拟干热岩地热水溶液中的防腐防垢性能。主要研究内容包括:采用两步晶化法制备了改性A型分子筛,研究了该分子筛对水溶液中钙离子吸附的动力学、吸附机理和吸附热力学。优化条件下制备的分子筛,在吸附温度为298 K时对钙离子的吸附能力为129.3 mg/g。吸附速率符合准二级动力学模型。当钙离子浓度250 mg/L时,吸附过程受膜扩散控制;当钙离子浓度250mg/L时,吸附过程受颗粒内扩散控制。计算得到的传质系数在2.23×10-5 cm/s到2.80×10-4 cm/s。结合Langmuir模型,D-A等温模型能恰当描述吸附的热力学性质。该吸附包括离子交换以及钙离子和氢氧根离子的络合过程。较高的钙离子吸附容量表明该过程在地热水结垢离子的移除中有一定的潜在的应用价值。采用Shoka Lev分类法对大庆莺深干热岩地热水研究表明,水化学类型基本属于HCO3(-Cl/SO4)-Na型,该分类法能够对地热水结垢和腐蚀趋势进行初步判断。采用Langelier指数对严重结垢型地热水预测结果更准确。腐蚀电化学分析法能够用来预测和检测不同类型地热水的腐蚀趋势。根据二维粗糙度轮廓曲线特征,将不同粗糙程度表面分为粗糙表面和微观粗糙表面。对微观粗糙表面,提出了粗糙度系数I,具有明确的物理意义,能较好的描述微观粗糙程度的特征;并基于此指出了理想的防垢表面是表面无缺陷,呈分子级平整(I=0)的疏水表面(对析晶垢和颗粒垢)。150℃模拟干热岩地热水防腐防垢性能动态考察实验表明,LPD TiO2和Sol-gel TiO2涂层在碳酸氢钙型模拟干热岩地热水中,与SS304相比,实验周期内污垢热阻可降低48%以上,适用于易结垢弱腐蚀型干热岩地热水的防垢。较高温度(150℃以上)地热水系统中,氯离子的存在和总矿化度的增加对SS304换热设备的腐蚀明显加剧。Sol-gel SiO2和SiO2-FPS涂层在含腐蚀组分的模拟干热岩地热水中(总矿化度约7000 mg/L),与SS304相比,实验周期内污垢热阻均降低30%以上;150℃腐蚀实验14天后,腐蚀电化学测试表明,两种涂层的腐蚀速率均可降低60%以上。Sol-gel SiO2和SiO2-FPS涂层在中等腐蚀强度(总矿化度7000 mg/L左右)、150℃的干热岩地热水中具有较好应用前景。
【关键词】：防腐防垢 吸附 钙离子 涂层 粗糙度 干热岩地热水 腐蚀速率
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P314;TQ424
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 文献综述10-40
• 1.1 引言10-11
• 1.2 地热资源开发及换热设备防腐防垢现状11-36
• 1.2.1 地热利用发展过程11
• 1.2.2 干热岩型地热资源11-13
• 1.2.3 地热流体结垢及腐蚀特性研究进展13-25
• 1.2.4 地热除垢与防垢研究现状25-33
• 1.2.5 地热利用系统换热设备防腐研究现状33-36
• 1.3 本章小结36-40
• 1.3.1 目前存在的问题36-37
• 1.3.2 本课题的主要研究内容及创新点37-40
• 第二章 实验部分40-56
• 2.1 主要试剂及仪器设备40-42
• 2.2 实验装置及过程42-53
• 2.2.1 离子交换吸附装置42
• 2.2.2 钙离子吸附实验步骤42-43
• 2.2.3 地热水各离子成分分析43-45
• 2.2.4 加压防腐防垢装置45-53
• 2.3 分子筛及涂层的表征方法53-55
• 2.3.1 分子筛的表征53-54
• 2.3.2 制备涂层的表征54-55
• 2.4 本章小结55-56
• 第三章 改性A型分子筛离子交换吸附水溶液及地热水中钙离子的研究56-86
• 3.1 引言56-57
• 3.2 实验57-60
• 3.2.1 原料57
• 3.2.2 改性A型分子筛的制备57
• 3.2.3 表征分析57
• 3.2.4 动力学测试57-59
• 3.2.5 吸附平衡实验59-60
• 3.2.6 改性A型分子筛再生60
• 3.3 分子筛的表征60-62
• 3.4 分子筛的钙离子移除性能及吸附动力学62-67
• 3.4.1 钙离子移除性能62
• 3.4.2 吸附动力学62-67
• 3.5 扩散和吸附机理67-72
• 3.5.1 有效扩散系数模型和表面传质系数模型67-72
• 3.5.2 溶液pH随吸附时间的变化72
• 3.6 吸附等温线72-81
• 3.6.1 不同温度下的吸附平衡72-74
• 3.6.2 Langmuir吸附等温线74-77
• 3.6.3 Freundlich吸附等温线77
• 3.6.4 Dubinin-Radushkevich (D-R) and Dubinin-Astakhov(D-A)等温线模型77-81
• 3.7 热力学参数81-82
• 3.8 再生分子筛的钙离子移除效率82-83
• 3.9 地热水中钙离子移除性能83-85
• 3.10 本章小结85-86
• 第四章 模拟干热岩地热水结垢和腐蚀趋势模型分析和实验研究86-104
• 4.1 引言86-87
• 4.2 Shoka Lev分类法以及地热水腐蚀结垢趋势指数模型87-89
• 4.2.1 Shoka Lev分类法87-88
• 4.2.2 Langelier饱和指数模型（L.S.I.）88
• 4.2.3 Larson指数模型（L.I.）88-89
• 4.3 实验89-90
• 4.3.1 材料及试剂89
• 4.3.2 样片制备89-90
• 4.3.3 测试方法90
• 4.4 模型预测及称重分析90-96
• 4.4.1 水化学类型分析90-91
• 4.4.2 结垢和腐蚀趋势分析91-96
• 4.5 地热水腐蚀趋势电化学分析方法96-102
• 4.5.1 动电位极化曲线分析96-99
• 4.5.2 电化学交流阻抗谱分析99-102
• 4.6 本章小结102-104
• 第五章 传热表面修饰在干热岩地热水中的防腐防垢及对流换热性能104-151
• 5.1 引言104-105
• 5.2 实验105-120
• 5.2.1 材料及试剂105
• 5.2.2 涂层的制备105-107
• 5.2.3 涂层表征及电化学测试107-120
• 5.3 不同金属和涂层在中温(80 ℃)地热水中结垢腐蚀行为120-132
• 5.3.1 不同金属和涂层样片的结垢腐蚀性能120-125
• 5.3.2 不同粗糙度SS304样片对表面能及污垢沉积速率的影响125-132
• 5.4 不同涂层在 150 ℃模拟干热岩地热水中的防腐防垢性能132-147
• 5.4.1 涂层在碳酸氢钙型模拟地热水中的防垢防腐性能133-140
• 5.4.2 涂层在含腐蚀组分的模拟干热岩地热水中的防腐防垢性能140-146
• 5.4.3 Sol-gel SiO_2及SiO_2-FPS涂层的腐蚀电化学性能146-147
• 5.5 本章小结147-151
• 第六章 结论与建议151-154
• 6.1 结论151-153
• 6.2 建议153-154
• 参考文献154-170
• 发表论文和参加科研情况170-171
• 附录171-174
• 致谢174-175

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本文编号：888270