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地熱開發與酸蝕問題

2015/11/05 經濟部能源局 點閱人次: 720

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文字、圖片/經濟部能源局 關鍵字/地熱、大屯山、耐酸蝕塗層

大屯山為我國地熱發電最大潛能地區

臺灣主要地熱之潛能區包括大屯山、清水、土場、礁溪、廬山、瑞穗、安通、霧鹿、知本、金崙、寶來等,可區分為火山型及非火山型,其中火山型地熱區之水質偏向酸性(PH=1 ∼5)及非火山型地熱區水質偏向弱鹼性(PH=7 ∼ 9)。全臺淺層地熱潛能概估約730 MW,其中以大屯山之儲集層溫度最高且地熱潛能最大,可發電潛能約100 MW至500 MW,然而因大屯山為火山型地熱屬酸性泉質,且富含具腐蝕性氯離子、硫酸根與銨根,易腐蝕金屬,故耐酸腐蝕為臺灣地熱發展之關鍵課題。

酸性地熱開發成本高

一般市面上的耐酸蝕材料為鐵氟龍、玻璃纖維樹脂(FRP)或陶瓷,然因耐壓與工程性不佳,只能適用於低溫低壓型的溫泉區使用。國外面對高溫型的地熱酸性泉質資源,大部分以含鉻成分高的合金作為耐酸蝕井管,在關鍵零組件則使用更高等級的鈦金屬或屬於鎳—鉻—鉬基底合金的哈氏 Hastelloy)合金做為硬體之材料(如熱交換器、管線、易受酸腐蝕深度之井管與閥門)。但由於其價格昂貴,單一鑽井之套管及輸送管線,就占整體開發成本極高比重;如一口1,500公尺之地熱井可能使用10至25公噸之金屬井管,若以每公斤單價約1,500元新臺幣的鈦合金作為井管,光是井管成本就高達1,500萬至3,800萬元,使得酸蝕地熱資源開發大受限制。

大屯山地熱之耐酸蝕塗層開發

在廉價的金屬表面進行有機塗層與複合金屬鍍層,用以取代昂貴的耐酸蝕合金基材、降低在大屯山地熱開發的成本,為目前正在進行的研發技術。在經濟部能源局的研發計畫中,工業技術研究院研發的耐酸蝕技術朝具有抗蝕能力、耐高溫、機械強度及低成本等方向進行。

耐酸蝕塗層如圖3所示,將耐酸蝕材料噴塗於市售較廉價之金屬基材上,以保護其基材抵抗酸性流體之腐蝕,進而達到降低開發成本之目標。其塗層主要由氟碳樹指、尼龍漆、氧化矽及奈米等組成。此種材料經由熱重分析,以瞭解所研發之塗層材料,是否會因受熱而產生熱分解之現象。塗料在氮氣環境下由室溫升至200℃,並維持溫度30分鐘後,經分析可以明顯看出這些成分皆沒有明顯大幅熱分解趨勢。試驗結果顯示,除了樹脂揮發出微量水分約1.4%,其他成分保留重量約98.6%並未有重大熱分解損失的現象出現。

北投區進行實地測試耐酸蝕塗層材料結果如表1所示。測試條件為將耐酸蝕塗層噴塗於不銹鋼304上,浸泡於富含氯、硫酸根與銨根之溫泉中,進行長期浸泡與流動試驗,透過其重量損失,以評估本耐酸蝕材料之抗腐蝕性(試驗溫泉井之pH為1.28、溫度攝氏72.4度)。經由試片材料噴塗耐酸蝕塗層(ITRI—coating)與未噴塗塗層之基材(SS304)進行比較,浸泡時數達1,350小時後,未噴塗耐酸蝕材料(SS304)之重量損失為3.1克,而噴塗耐酸蝕塗層之試片(ITRI—coating),重量損失為0.2 克,試驗結果顯示,於此高腐蝕、攝氏70 ∼ 80度左右之環境具有良好的防腐蝕功效,未來可應用於溫泉輸送管線、蓄水槽體、熱交換器及井管等,以提供溫泉業者另一個防腐蝕之選擇。

耐酸蝕與高溫地熱的雙重挑戰

面對較低溫的地熱環境,工研院研發團隊的耐酸蝕塗層材料展現良好的效果,面對更高溫的地熱熱液,嘗試將陶瓷與合金結合成為複合鍍層,朝向開發出耐酸蝕程度與鈦合金相等,但成本低於鈦合金數倍的鍍層材料,以有效降低大屯山地熱區,甚至其他國外火山型地熱區之開發成本,增加地熱發電之經濟誘因。


關鍵字:地熱,大屯山,耐酸蝕塗層

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