一种地热流体阻垢剂及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于阻垢剂技术领域，更具体地，涉及一种地热流体阻垢剂及其制备方法和应用。


背景技术：

2.地热是可以多元化综合利用的清洁能源，我国在地热开发利用方面拥有较为成熟的技术。地热可以作为热水源、热源和矿物资源加以利用，例如取暖、发电、淋浴和种养殖等，在利用过程中成本低且效益高，对发展经济和防治污染有重要意义。
3.然而，地热流体一般都有较高含量的盐分。高盐分地热流体在开采和输送过程中由于压力和温度变化，容易发生结垢和堵塞，造成地热井的压力变大甚至造成井口破裂、设备损坏、换热效率下降、过滤系统堵塞、回灌效果下降等一系列问题，制约了地热资源高效利用和地热系统的稳定运行。地热流体结垢问题，对地热利用系统正常运行产生了极大的影响，成为了制约地热资源开发利用过程中面临的最重要问题之一。
4.常见的地热流体结垢类型为caco3，添加阻垢剂是防止结垢重要且可行的方法之一。阻垢剂的使用是防止系统结垢和保证设备长期运行的有效手段，广泛用于水处理中。但是，在地热领域，针对地热流体特点的阻垢剂方法尚未被广泛研究，其他行业的常规阻垢剂由于水质和流体工作参数范围与地热流体差异明显，不具备适用性。同时，地热水的开采和运输过程通常是处于高温状态下，一些阻垢剂在高温状态下可能会因为温度过高而失效，不能达到稳定阻垢的效果。因此，有必要针对地热流体特点开发阻垢剂及其配制方法，以弥补这一领域的空白，满足阻垢需求。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对适用于地热流体特征的阻垢剂缺乏、现有常规阻垢剂高温下失效的不足，本发明提供了一种地热流体阻垢剂，该阻垢剂可在地热流体体系发挥功效，抑制和分散碳酸钙沉淀，解决地热系统中管线、设备和回灌井结垢堵塞问题，保障地热清洁能源利用项目稳定运行，提高地热能源利用质量，确保回灌效果。
6.为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种地热流体阻垢剂，以该地热流体阻垢剂的总重量计，该地热流体阻垢剂包括：有机膦酸10-12wt％、聚合物盐4-6wt％、聚合物分散剂2-6wt％、其余为水。
7.本发明的第二方面提供上述地热流体阻垢剂的制备方法，该制备方法包括：将所述有机膦酸、聚合物盐、聚合物分散剂和水混合均匀，得到所述地热流体阻垢剂。
8.本发明的第三方面提供上述地热流体阻垢剂在地热系统中的应用。
9.本发明的技术方案具有如下有益效果：
10.(1)本发明的地热流体阻垢剂实现了在高温流动地热流体状态下抑制碳酸钙结垢沉淀的目的，且阻垢效果优异。
11.(2)本发明的地热流体阻垢剂耐高温性能好，在90℃维持10小时情况下，具有良好
的阻垢性能。本发明的地热流体阻垢剂在加注量100mg/l时，抑制碳酸钙沉淀阻垢率达到90％以上。本发明的复配阻垢剂经过热处理后依旧能发挥较优阻垢性能，适用于存在局部高温区域的地热系统。
12.(3)本发明的地热流体阻垢剂对解决地热系统井口、管线、换热器等部位结垢引起堵塞问题，保障系统的长周期运行，具有重要意义。
13.本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
14.下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
15.本发明的第一方面提供一种地热流体阻垢剂，以该地热流体阻垢剂的总重量计，该地热流体阻垢剂包括：有机膦酸10-12wt％、聚合物盐4-6wt％、聚合物分散剂2-6wt％、其余为水。
16.本发明中，所述水优选为去离子水。
17.作为优选方案，以该地热流体阻垢剂的总重量计，该地热流体阻垢剂包括：有机膦酸10wt％、聚合物盐5wt％、聚合物分散剂5wt％、其余为水。
18.本发明的地热流体阻垢剂，主要由有机膦酸、聚合物盐和聚合物分散剂复配而成。在地热水开发过程中，由于压力变化，二氧化碳析出，钙离子与碳酸钙超过溶度积，产生碳酸钙沉淀。阻垢剂可与钙离子形成稳定可溶性螯合物，降低钙离子与碳酸根离子碰撞结合的频率，提高钙离子的允许浓度；吸附并掺杂在晶格点阵当中或晶体界面上，抑制晶种生长或者使晶种不能严格按照晶格排列正常生长最终破裂；阻垢剂所含链状结构吸附多个相同电荷的碳酸钙晶种，静电斥力可阻止其进一步相互碰撞而形成更大尺寸晶体。有机膦酸、聚合物盐阻垢剂通过以上三种阻垢机理达到抑制碳酸钙水垢生成的目的。聚合物分散剂在碳酸钙晶核表面弱吸附并形成表面负电子层，降低晶核间的范德华吸引力，使其稳定分散在溶液中而不易形成更大尺寸的晶体。有机膦酸、聚合物盐阻垢剂和聚合物分散剂的复配，通过以上不同机理的协调，实现进一步增强阻垢效果的作用。
19.根据本发明，优选地，所述有机膦酸为2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸。
20.本发明中，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸(pbtca)是含磷量最低的有机膦酸阻垢剂之一(含磷11.48％)，兼具膦酸和羧酸基团的特性，在高温条件下阻垢性能显著高于其它有机膦酸。
21.根据本发明，优选地，所述聚合物盐为聚天冬氨酸钠。
22.根据本发明，优选地，所述聚合物盐的重均分子量为1000-4000。
23.本发明中，聚天冬氨酸钠为绿色聚合物盐，其阻垢效果好且易被环境降解。
24.根据本发明，优选地，所述聚合物分散剂为聚乙烯醇。
25.根据本发明，优选地，所述聚合物分散剂的醇解度为88％或99％。
26.本发明中，所述聚合物分散剂的平均聚合度为1700。
27.本发明中，聚乙烯醇(pva)能够有效分散碳酸钙晶粒。
28.本发明的第二方面提供上述地热流体阻垢剂的制备方法，该制备方法包括：将所述有机膦酸、聚合物盐、聚合物分散剂和水混合均匀，得到所述地热流体阻垢剂。
29.本发明的第三方面提供上述地热流体阻垢剂在地热系统中的应用。
30.根据本发明，优选地，相对于1l的地热水，上述地热流体阻垢剂的投入量为60-100mg。
31.本发明中，使用时，投放阻垢剂量为60mg-100mg/l，本领域技术人员可以根据实际地热水中的钙离子浓度的高低进行自行调整投放量的多少。
32.作为优选方案，本发明的地热流体阻垢剂适用的地热水水质条件如下：地热水矿化度为6000-8000mg/l，其中钙离子浓度100-300mg/l，碳酸氢根离子浓度100-400mg/l，其余阴阳离子分别为氯离子、碳酸根离子、硝酸根离子、硫酸根离子、钠离子、镁离子、钾离子等；地热水ph为7.5-9.0。
33.以下通过实施例进一步说明本发明：
34.以下各实施例和对比例所用的聚天冬氨酸钠的重均分子量为1000，购自上海源叶生物科技有限公司，牌号为s25535；聚乙烯醇的平均聚合度为1700，醇解度为99％，购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，牌号为p105126；2-膦酸丁烷-1,2,4-三羧酸购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，产品牌号为p136293。
35.实施例1
36.本实施例提供一种地热流体阻垢剂，具体制备方法为：取10g2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸(pbtca)和4g聚天冬氨酸钠(pasp)加入一定体积容器中，加入80g去离子水，升温至50℃搅拌均匀；随后升温至95℃维持，加入6g聚乙烯醇(pva)固体粉末，搅拌4h，待聚乙烯醇完全溶解，得到所述地热流体阻垢剂。
37.实施例2
38.本实施例提供一种地热流体阻垢剂，具体制备方法为：取10g2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸(pbtca)和5g聚天冬氨酸钠(pasp)加入一定体积容器中，加入80g去离子水，升温至50℃搅拌均匀。随后升温至95℃维持，加入5g聚乙烯醇(pva)固体粉末，搅拌4h，待聚乙烯醇完全溶解，得到所述地热流体阻垢剂。
39.实施例3
40.本实施例提供一种地热流体阻垢剂，具体制备方法为：取12g2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸(pbtca)和5g聚天冬氨酸钠(pasp)加入一定体积容器中，加入80g去离子水，升温至50℃搅拌均匀。随后升温至95℃维持，加入3g聚乙烯醇(pva)固体粉末，搅拌4h，待聚乙烯醇完全溶解，得到所述地热流体阻垢剂。
41.实施例4
42.本实施例提供一种地热流体阻垢剂，具体制备方法为：取12g2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸(pbtca)和6g聚天冬氨酸钠(pasp)加入一定体积容器中，加入80g去离子水，升温至50℃搅拌均匀。随后升温至95℃维持，加入2g聚乙烯醇(pva)固体粉末，搅拌4h，待聚乙烯醇完全溶解，得到所述地热流体阻垢剂。
43.对比例1
44.本对比例提供一种地热流体阻垢剂，具体制备方法为：取20g2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸(pbtca)加入一定体积容器中，加入80g去离子水，升温至50℃搅拌均匀，得到所述地
热流体阻垢剂。
45.对比例2
46.本对比例提供一种地热流体阻垢剂，具体制备方法为：取20g聚天冬氨酸钠(pasp)加入一定体积容器中，加入80g去离子水，升温至50℃搅拌均匀，得到所述地热流体阻垢剂。
47.对比例3
48.本对比例提供一种地热流体阻垢剂，具体制备方法为：取80g去离子水加入一定体积容器中，升温至95℃维持，加入20g聚乙烯醇(pva)，搅拌4h，待聚乙烯醇完全溶解，得到所述地热流体阻垢剂。
49.测试例
50.对实施例和对比例制备的阻垢剂进行地热水阻垢效果评价，其中，碳酸钙动态阻垢性能参考gb/t 16632-2008，取样获得加热前地热水，加入阻垢剂加热10h后地热水，未加入阻垢剂加热10h后地热水；利用离子色谱仪分别测试钙离子浓度，计算阻垢率η，η＝(c
2-c3)/(c
1-c3)
×
100％，式中参数分别为地热水样实验前(即加热前地热水)原始钙离子浓度c1，加入阻垢剂实验后(即加入阻垢剂加热10h后地热水)钙离子浓度c2，未加入阻垢剂实验后(即未加入阻垢剂加热10h后地热水)钙离子浓度c3。
51.测试所用地热水矿化度为6000mg/l，其中钙离子浓度175mg/l，碳酸氢根离子浓度289mg/l，其余阴阳离子分别为氯离子、碳酸根离子、硝酸根离子、硫酸根离子、钠离子、镁离子、钾离子等；地热水ph为8.6，阻垢剂加入量为60-100mg/l(具体见表1)。在具体实施过程中，地热水样在蠕动泵带动下，在管道内循环流动，流动速度为0.48m/s。水浴加热维持在90℃，持续时间10h。采用硅胶软管作为地热水流动管，实验时使用水浴锅对管道进行加热，地热水流过软管会被加热至90℃。表1中热处理为将阻垢剂在使用前利用水热釜在120℃下加热3h。实验结束后通过测定地热水中钙离子浓度，计算阻垢率η，来评价阻垢性能。实验结果如表1所示。
52.表1阻垢性能测试结果
53.序号阻垢剂加入量(mg/l)是否热处理碳酸钙阻垢率η(％)实施例160否81.1实施例1100否91.6实施例2100否94.1实施例2100是85.3实施例3100否92.2实施例4100否91.5对比例160否71.9对比例1100否75.3对比例2100否62.4对比例3100否46.7
54.从表中结果可以看出，本发明所使用的地热流体阻垢剂在加入量为100mg/l时，对碳酸钙阻垢率达到90％以上，经过高温热处理后，能够有效阻止地热水碳酸钙结垢。由实施例和对比例的对比可知：在同浓度下，复配阻垢剂效果明显优于任意一种单一组分阻垢剂，体现了不同官能团阻垢剂的协同作用。
55.以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。