硝酸熔盐传热储热过程的稳定性及性能强化

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太阳能热发电技术在缓解环境污染和能源危机等方面显示出巨大的潜力。传储热系统是太阳能热发电技术的重要组成部分,传储热材料又是传储热系统的核心。硝酸熔盐因其熔点低、蒸气压小、粘度小、使用温度范围广等优点,已作为传储热材料被成功应用于商业太阳能热发电站中。但是,由于硝酸熔盐的氧化性和热分解特性,在高温传热储热过程和流经金属管、罐和阀门,或在单罐储热系统中接触填充储热固体可能发生反应,导致性能变化问题;另外硝酸熔盐流体与其他流体一样还存在导热系数和比热偏低等问题。因此,研究硝酸熔盐传储热过程中稳定性,强化其传热储热性能,对其应用具有重要的现实意义。通过监测储热过程NOx释放,研究了硝酸熔盐储热过程中的稳定性。参考HJ479-2009国标,对高温时二元硝酸熔盐(Solar Salt)接触金属和储热固体材料及三元硝酸熔盐(Hitec)接触金属后释放的NOx进行监测,并对长期接触金属后的Solar Salt和Hitec的熔点、熔化焓和比热进行测量。结果显示:Solar Salt接触金属和储热固体材料及Hitec接触金属后释放的NOx基本上随温度增加而增加。500°C长期储热过程中,Solar Salt和Hitec接触金属后释放的NOx由于金属表面氧化膜的形成有所下降,储热600 h后其熔点、熔化焓和比热变化不大,因此,储热过程虽然释放NOx,但对熔盐热物性影响不大,熔盐的储热稳定性较好。热力学分析证实NOx产生及差异与硝酸熔盐和金属中元素的反应产生NO/NO2有关。通过复合纳米粒子与熔盐形成纳米流体,来强化熔盐的传热储热性能。选择密度小易悬浮且导热性好的纳米MgO,探析其对硝酸熔盐性能强化的可行性。采用高温机械混合法制备不同浓度和粒径的MgO复合Hitec材料。研究纳米MgO添加量和粒径对MgO复合Hitec材料的比热、密度、热扩散系数、导热系数、粘度和熔点及熔化焓等的影响。研究了MgO复合Hitec材料的长期稳定性。通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分别观察MgO复合Hitec材料的表面形貌及纳米MgO的晶体结构,以解释热物性增强的机理。结果表明:MgO对比热的强化存在最佳添加量(4.5 wt.%)和最佳粒径(60 nm),对导热系数强化随添加量增加及粒径减小而增加。MgO复合Hitec材料比热的显著增加与MgO颗粒上形成的半固态层有关;导热系数的显著增加与纳米颗粒布朗运动导致的熔盐微扰动及颗粒表面的液态层优先导热有关。MgO复合Hitec材料粘度相比于基盐变化不大,密度略有增加,传热系数得到强化,且具有长期稳定性。采用浸没法研究了两步法制备的MgO复合Hitec材料对不锈钢310S、镍基合金Hastelloy C276(C276)和45#碳钢的腐蚀性。探究了MgO的加入对Hitec腐蚀性及腐蚀时间对MgO复合Hitec材料中金属腐蚀性的影响。给出了本实验条件下3种金属在Hitec和MgO复合Hitec材料中的腐蚀动力学曲线和腐蚀速率曲线。利用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对金属腐蚀产物和形貌进行了分析。结果表明:MgO的加入不会增加Hitec的腐蚀性,C276随加热时间增加表面会形成MgFe2O4保护层,具有最好的耐腐蚀性。在上述研究基础上,尝试以钾肥生产排出的水氯镁石(MgCl2·6H2O)废矿为原料,在硝酸熔盐升温储热过程中,原位生成MgO复合熔盐,研究低成本制备MgO复合熔盐的制备方法。利用XRD、SEM和DSC表征和测量MgO复合硝酸熔盐材料微观形貌及比热。结果表明:慢速升温制备的MgO复合Solar salt由于生成的MgO粒径较大发生聚沉,对比热的强化不明显。快速电磁加热所制备的MgO复合Hitec材料中MgO为超细颗粒且分散较好,比热增幅高于机械混合法制备的复合材料。
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