CN114671533B - 一种通用地热流体载体诱导除垢一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种通用地热流体载体诱导除垢一体化装置，该装置串联在地热流体换热系统中，包含除垢水箱、诱导棒组、除垢筛、前后过滤器、进出口阀门，本装置可用于各种地热流体环境。本发明在工作状态下，采用载体除垢法可以充分除去地热流体中的杂质、钙镁和硅酸根离子，有效的减少地热流体中的离子因温度和压力的下降、以及地热流体PH值变化引起的碳酸钙垢、二氧化硅垢、硫酸钙垢、硫化锑垢/硫化砷垢等物质结垢，提高地热流体换热系统的换热效率。本发明采用纯物理诱导除垢方式，与行业常用的化学除垢不同，不添加任何化学药剂，对环境无任何影响。此外，本发明制造容易，成本低，实用性强，有很好的经济效益和推广价值。

Description

一种通用地热流体载体诱导除垢一体化装置

技术领域

本发明涉及地热流体除垢技术领域，具体为一种通用地热流体载体诱导除垢一体化装置。

背景技术

地热能是蕴藏在地球内部的热能，具有储量大、分布广、绿色低碳、可循环利用、稳定可靠等特点，是一种现实可行且具有竞争力的清洁能源。随着煤、石油、天然气等不可再生资源的快速消耗，地热能作为一种可再生的清洁能源将逐步替代不可再生资源，地热能用于发电、采暖、制冷、农业、医疗、温泉产业和水产养殖等各种形式。在双碳背景下，地热能受到越来越多的重视，地热能综合利用领域市场前景广阔。

在地热能利用过程中，地热流体随着温度和压力的降低，不凝结气体释放后，在生产井内和地热流体输送管道中产生晶体附着，一方面是流通面积减小管路堵塞，加大流体输送阻力，增加企业能耗，严重时会堵塞管道，影响生产工序正常运行。另一方面使得受热面的传热性能变差，增加的传热阻力，影响换热效果，造成热量无法有效利用。因此，解决地热流体结垢问题是地热能综合利用的关键措施。

发明内容

本发明的目的是为解决地热流体结垢这一弊病，而提供一种除垢能力更强、效率高、不消耗化学药品、安全可靠的通用地热流体载体诱导除垢一体化装置，结构简单，制造容易，适应地热利用场景更广泛。为此，本发明采用以下技术方案：

一种通用地热流体载体诱导除垢一体化装置，其特征在于包括地热流体的除垢水箱、诱导棒组；所述除垢水箱为卧式水箱，除垢水箱内设置所述诱导棒组，所述诱导棒组包括多根排列的垂直诱导棒，所述诱导棒设置丁基橡胶表面作为诱导结晶表面；所述除垢水箱内设置对于诱导棒组设置可升降的除垢装置，所述水箱还设置排气口。

所述除垢水箱通过其进口和出口串联在地热流体换热系统中。

在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案，或对这些进一步的技术方案组合使用：

所述丁基橡胶表面为凹凸不平的形状。

所述丁基橡胶表面采用螺纹结构。

所述除垢装置采用可升降的除垢筛，所述除垢筛设置排列方式与诱导棒组的垂直诱导棒排列方式匹配、大小与诱导棒匹配而刚好供除垢棒穿过的筛孔。

诱导棒组采用错列排布，地热流体逐级冲刷诱导棒组，地热流体在诱导棒外表面紊流，可以最大程度得诱导结晶效果。

在除垢水箱的底部还可设置收集污垢的下沉区，并在下沉区设置排污口和排污阀。

所述地热流体的除垢水箱设置前过滤器、后过滤器、进口阀门和出口阀门；所述除垢水箱的地热流体进口处依次设置所述进口阀门和前过滤器，地热流体出口处依次设置所述后过滤器和出口阀门。

所述地热流体依次经过进口阀门和前过滤器后进入除垢水箱，地热流体在水箱内扩容后，二氧化碳等不凝结气体从水箱排气口处排气阀处排除，降压后地热流体中的碳酸根离子、钙离子、硅酸根离子、硫酸根离子在诱导棒上结晶成为碳酸钙垢、二氧化硅垢、硫酸钙垢不规则晶体，地热流体通过物理诱导和离子吸附性方式脱除了碳酸根离子、钙离子、硅酸根离子和硫酸根等离子，经后过滤器和出口阀门排出。

本装置采用载体法除垢，根据结晶学的原理，水溶液中溶质的量大于其溶解度时，则可成核析出晶体。理论上看，何种表面上析出晶体时的自由能最低，则该处最易成垢。同时，不同的材料其表面析出的自由能也不相同，如锈蚀的表面就较新加工的表面容易成垢。故称析晶自由能更低的表面材料为“载体”，这种除垢技术为“载体除垢法”。地热流体在水箱内扩容后压力瞬间降低，不凝结气体释放后，地热流体携带的碳酸根离子、钙离子、硅酸根离子、硫酸根离子的溶质量大于其溶解度，迅速在载体表面结晶。本装置在除垢水箱顶端设有诱导棒组作为结晶载体，为离子提供合适的结晶场所，晶体在诱导棒上迅速结晶长大。进一步地，诱导棒的表面为外螺纹丁基橡胶，地热流体在诱导棒表面形成紊流，丁基橡胶棒表面螺纹结构为离子结晶提供了很好的载体。诱导棒组通过除垢筛物理脱除晶体，脱除的晶体沉积在除垢水箱底部，不定期的排出，从而完成地热流体中除垢。

由于采用本发明的技术方案，具有以下显著优点：

第一、本发明采用载体除垢法，相比于行业内通用的化学加药技术，载体除垢法不添加化学药剂，不改变地热流体的pH值，无化学药剂泄露风险，地热流体回灌后不会污染地下水，不会对环境产生负面影响。

第二、热流体水质会因生产井的波动而发生改变，本发明采用载体除垢法，不像化学除垢方法需要时时检测水质后，再去调整药剂量，反应滞后，可通用适应不同水质的地热流体除垢。

第三、本发明采用载体除垢法，采用丁基橡胶作为诱导棒，丁基橡胶提供良好的离子吸附条件，诱导棒有足够的韧性，脱除晶体时不易破碎。

第四、本发明诱导棒采用“错列型”排列，可增加地热流体紊流因素，加大离子在载体周边的扰动，进一步促进诱导吸附结晶，提高地热流体的品质及换热效率。

第五、本发明设置了除垢筛，诱导棒组固定在除垢水箱的顶部，除垢筛在外部牵连力下穿过诱导棒组，诱导棒组表面螺旋纹形变，附着的晶体挤压破碎，脱落至除垢水箱底部。因此，在除垢的同时即可完成诱导棒组的脱晶，无需停机维护。

附图说明

图1是本发明通用地热流体载体诱导除垢一体化装置实施例的结构示意图。

图2、图3、图4分别是矩阵、星型和错列三种不同的诱导棒排列形式的示意图。

图5是图1所示实施例中的诱导棒的安装示意图。

图6是图1所示实施例中的除垢筛结构示意图。

具体实施方式

参照附图1、图5、图6，本发明提供的一种通用地热流体载体诱导除垢一体化装置，包括地热流体的除垢水箱3、诱导棒组、除垢筛5、前过滤器2、后过滤器6、进口阀门1和出口阀门7。所述除垢水箱3的进口处依次设置所述进口阀门1和前过滤器2，出口处依次设置所述后过滤器6和出口阀门1，所述除垢水箱通过其进口和出口串联在地热流体换热系统中。所述水箱3还设置排气口，在排气口处设置放气阀13。

除垢水箱3内设置所述诱导棒组，诱导棒组包括有多根排列的诱导棒4。所述诱导棒4采用丁基橡胶，具体的，其包括棒主体而棒主体外的丁基橡胶包裹层。

所述地热流体依次经过进口阀门1和前过滤器2后进入除垢水箱3，地热流体在水箱3内扩容后，二氧化碳等不凝结气体从水箱排气口处排气阀处排除，降压后地热流体中的碳酸根离子、钙离子、硅酸根离子、硫酸根离子等在诱导棒上结晶成为碳酸钙垢、二氧化硅垢、硫酸钙垢等不规则晶体，地热流体通过物理诱导和离子吸附性方式脱除了碳酸根离子、钙离子、硅酸根离子和硫酸根等离子，经后过滤器6和出口阀门7排出，从而使后续的管道及管道附件降低结垢风险。从而使后续的设备、管道及管道附件降低结垢风险，提高换热效率。

所述除垢水箱3内还设置诱导棒组的除垢装置，由此，可以进行自动除垢，提供一种不需拆换或延长大修拆换周期的定期自清洁工作模式，从而提高地热流体换热的效率。为提高可操作性，所述除垢水箱3采用卧式容器，长度尺寸大于高度尺寸。所述诱导棒组中的诱导棒4被垂直设置并固定在除垢水箱3的顶部，既能够增加诱导效果也提高垂直升降的除垢装置的工作可靠性和有效性。所述除垢装置采用所述除垢筛5，所述除垢筛5设置排列形式与诱导棒组的诱导棒排列形式对应的筛孔50，除垢筛筛孔50与诱导棒4等径，所述筛孔50刚好供未结垢状态下的诱导棒4穿过。除垢筛5与升降驱动机构连接而能沿着诱导棒升降，并由此除垢和复位。所述升降驱动机构包括升降连接杆51，所述升降连接杆51除垢水箱3的顶部而与除垢水箱3内的除垢筛5连接，在升降连接杆51的穿过孔处设置密封件8，升降连接杆51与密封件8滑动密封配合。升降驱动电机9通过连接结构与升降连接杆51连接，所述除垢装置还可另外再配置升降导向结构。

进一步地，为提高除垢效果，所述诱导棒4的丁基橡胶表面可做成螺旋状或其它的均匀的凹凸不平形状，在对诱导棒进行除垢时，除垢筛5依靠电机9在沿诱导棒向下挤压，丁基橡胶诱导棒螺纹外表面形变，更容易地物理脱除结晶体。

本发明设置了除垢水箱3，除垢水箱3除完成除垢功能外，还兼具地热流体换热系统稳压和事故存水用途。

如图2、图3、图4所示，诱导棒组的布置形式有“矩阵型”、“星型”和“错列型”等，根据流体学原理和数值模拟分析，诱导棒采用“错列型”布置可增加地热流体紊流因素，加大离子在载体周边的扰动，促进离子聚集吸附结晶。

在除垢水箱3的底部还可设置收集污垢的下沉区14，并在下沉区设置排污口11和排污阀12。所述除垢水箱3还设置检修人孔10。

在某地热利用项目中开展了本发明的验证性实验，从地热井出水管路上引出两路 管道，一路设置地热流体载体诱导除垢一体化装置，一路未安装除垢设施，两路末端均设置 同等规格的管式换热器，地热水走换热管内，管外通冷却水。两路管道流速控制在2m/s，系 统压力维持在0.6

0.03MPa。试验从2020年8月15日至9月24日，共计40天。试验期间，设备 运转正常，具有可靠的承压能力，并能保证所需的流量，期间隔12小时在两路换热器进口管 道上取水样化验分析，连续测量换热出水温度。试验停止后打开装置，诱导棒周围被垢塞 满，运用除垢筛后，很轻松脱除结垢晶体。设置地热流体载体诱导除垢一体化装置的管路， 换热管内部无结垢现象，管内表面光滑；未设置除垢装置管道内部留有一圈垢层，换热管内 径缩小12%。对比两组换热器出水温度，未设置垢装置的换热器出口水温在第4天后出现温 降，40天后，两路换热器出水温度相差5.5℃。实验中取水化验分析，除垢装置后地热流体离 子浓度下降55%，结垢风险降低。

水质检测对比表（2020年9月4日20时）

经试验验证，地热流体设置地热流体载体诱导除垢一体化装置后，可有效减轻管路及设备的结垢，确保地热能利用的稳定性。

凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种通用地热流体载体诱导除垢一体化装置，其特征在于包括地热流体的除垢水箱、诱导棒组；所述除垢水箱为卧式水箱，除垢水箱内设置所述诱导棒组，所述诱导棒组包括多根排列的垂直诱导棒，所述诱导棒设置丁基橡胶表面作为诱导结晶表面；所述除垢水箱内设置对于诱导棒组设置可升降的除垢装置，所述水箱还设置排气口；

所述丁基橡胶表面为凹凸不平的形状；

诱导棒组采用错列排布，地热流体逐级冲刷诱导棒组，地热流体在诱导棒外表面紊流。

2.根据权利要求1所述的一种通用地热流体载体诱导除垢一体化装置，其特征在于所述丁基橡胶表面采用螺纹结构。

3.如权利要求1所述的一种通用地热流体载体诱导除垢一体化装置，其特征在于所述除垢装置采用可升降的除垢筛，所述除垢筛设置排列方式与诱导棒组的垂直诱导棒排列方式匹配、大小与诱导棒匹配而刚好供除垢棒穿过的筛孔。

4.如权利要求1所述的一种通用地热流体载体诱导除垢一体化装置，其特征在于在除垢水箱的底部还可设置收集污垢的下沉区，并在下沉区设置排污口和排污阀。

5.如权利要求1所述的一种通用地热流体载体诱导除垢一体化装置，其特征在于所述地热流体的除垢水箱设置前过滤器、后过滤器、进口阀门和出口阀门；所述除垢水箱的地热流体进口处依次设置所述进口阀门和前过滤器，地热流体出口处依次设置所述后过滤器和出口阀门。

6.如权利要求5所述的一种通用地热流体载体诱导除垢一体化装置，其特征在于所述除垢水箱通过其进口和出口串联在地热流体换热系统中。

7.如权利要求1所述的一种通用地热流体载体诱导除垢一体化装置，其特征在于所述地热流体依次经过进口阀门和前过滤器后进入除垢水箱，地热流体在水箱内扩容后，二氧化碳气体从水箱排气口处排气阀处排除，降压后地热流体中的碳酸根离子、钙离子、硅酸根离子、硫酸根离子在诱导棒上结晶成为碳酸钙垢、二氧化硅垢、硫酸钙垢不规则晶体，地热流体通过物理诱导和离子吸附性方式脱除了碳酸根离子、钙离子、硅酸根离子和硫酸根离子，经后过滤器和出口阀门排出。

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