地熱發電管件設備防蝕與防垢技術：材料世界網

馮克林、蔡承洋／工研院材化所

地熱為來自地心之能源，具有穩定發電，且幾乎不受季節、天候及日夜影響等優勢。台灣先天具備優越之地熱條件，如能有效開發地熱資源，可改善能源依賴度及補強其他能源不足的現況。地熱發電過程會面臨設備腐蝕及水質結垢等問題，直接影響發電設備材料選用、製程控制、發電效率、運維方式等。本文介紹地熱流體腐蝕性分級方法及防蝕材料選用準則，並針對地熱管件結垢機制與防治方案進行剖析，提供讀者對於此議題能有進一步之瞭解與認識。

【內文精選】

前　言

地熱區流體(Fluid)水質之成分與圍岩的礦物組成有直接關連性，多為富含高濃度矽酸鹽、碳酸鹽、硫化物、氯化物及鐵、鈣、鎂等離子，礦物溶解實際濃度則視流體於深層地質中特有之壓力及溫度所溶入之礦物質多寡而定。深層流體除了含有溶解礦物之外，地底融熔岩漿中亦含有具腐蝕性氣體（如H2S與SO2等）慢慢上冒至地表後，溶於地泉中形成硫酸，腐蝕(Corrosion)週遭岩層及提高礦物質溶解程度，也進一步增加地熱流體對於設施材料之腐蝕性。

本文章分為兩部分：第一部分介紹地熱流體腐蝕性分級、流體對設備侵蝕程度及業界採用之應對策略；第二部分則是就深層地熱含高濃度礦物質的水質，其在地表發生的結垢現象、型態及機制進行說明。而針對改善結垢問題以確保熱泉產出流量及提升發電效率之對策，在本文亦有相關介紹。

腐蝕性地熱流體分級

地熱流體（熱水及熱蒸汽）中常見之腐蝕因子包含：氧氣、氫離子（pH值）、二氧化碳、硫化氫、氨、氯離子及硫離子等，流體中腐蝕因子種類及pH值將影響地熱設施材料之腐蝕型態與速率。目前常用之分級/分類方法為地熱流體腐蝕度指標(Geothermal Fluids Corrosivity Index)、腐蝕性流體分類法(Corrosive Geothermal Fluids Classification)及整合性腐蝕指標(Harmonized Corrosivity Index)，以下篇幅針對前述三種分級方式進行介紹。

4. 地熱井材料腐蝕控制及防蝕材料選用

2000年國際能源署(IEA)深層地熱井材料性能資料庫提出一腐蝕控制及防蝕材料選用準則（見圖一）。以下分別針對地表上及地表下之地熱井設施/管路進行說明。圖一之橫軸為流體pH值及類型（由左至右：高鹽分、酸性氯鹽（硫酸鹽）、酸性硫酸鹽（氯鹽）及中性偏鹼流體（氯鹽）；縱軸為距地表深度。

地表上之地熱井口及管路設施易有擾流現象(Turbulance)及管路沖蝕問題。圖一(a)為不同金屬材料於不同流體環境之腐蝕速率與流速關係圖。碳鋼及低合金鋼於酸性環境（pH值3）之關係線顯示，當流速<1 m/s，腐蝕速率隨流速增加而緩慢爬升，當流速>1 m/s時，腐蝕速率不再顯著增加，直至流速>100 m/s腐蝕速率值快速爬升；若碳鋼及低合金鋼處於中性偏鹼之環境，流速<1 m/s區間腐蝕速率隨流速增加而緩慢爬升，當流速>1 m/s時，腐蝕速率下降至流速趨近0 m/s之腐蝕速率，直至流速>100 m/s腐蝕速率再大幅上升；不銹鋼於酸性流體（pH值3）之腐蝕速率隨流速增加無顯著之變化，直至流速>100 m/s腐蝕速率才有顯著之爬升。由上述結果可以得知，整體而言，流體流速建議控制<100 m/s方能有效控制地表上地熱井管路之沖蝕問題。

地熱流體結垢問題

當流體中的雜質濃度在特定的壓力及溫度下，超過飽和溶解度時，產生沉澱或是結晶化的物質，此現象即為結垢。地熱高溫高壓水的組成隨區域而不同，但主要多會包括SiO₂、Na、Cl、HCO₃、SO₄等化學成分。圖二為典型地熱流體成分，濃度多高於100 ppm以上，也有濃度較低的硫、溴、鈣、鎂、鋁等元素。