氯化物熔盐热稳定性与熔盐热物性强化

发布时间：2020-09-16 07:39

　　面对日益严重的能源危机及不断升级的环境问题,能源转型刻不容缓。高效传热蓄热技术为实现可再生能源的大规模工业化运用提供了良好的解决方案。传蓄热材料的性质将会直接影响整个能源换热系统的转换和利用率。熔盐因其价格低廉,工作温度范围广泛,蒸汽压低,流动性好而作为理想的传蓄热材料被广泛使用于热发电系统中。常见的熔盐传蓄热材料包括碳酸熔盐,硝酸熔盐以及氯化物熔盐。不同种类的熔盐可以满足不同温度段的传蓄热需求。我国是盐湖资源十分丰富的国家,对于氯化物的设计与开发一直是研究的热点。但是氯化物在管道中使用时存在着高温分解及蒸发等问题,导致氯化物熔盐服役寿命过短,对设备损坏较大,因此研究氯化物熔盐在高温下的稳定性以及其失稳机理具有重大指导意义。同时熔盐作为传蓄热材料在系统中使用时普遍存在着导热系数低,比热容低等的问题,尤其是液态段熔盐。因此,本文在研究氯化物熔盐热稳定性的基础上,对不同种类的熔盐体系进行热物性强化,提供更具有实际应用价值的熔盐复合材料。本文研究了三元氯化物熔盐体系(NaCl-CaCl_2-MgCl_2)在敞开和封闭体系下的高温热稳定性。采用滴定法、原子吸收法等对储热前后的组分进行分析;利用差示扫描量热仪(DSC)和热导率系数测试仪(LFA457)等监测储热前后氯化物熔盐的热物性变化;利用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对劣化水解产物进行物相与形貌分析,给出敞开体系和封闭体系下氯化物熔盐储热后的失稳机理。结果,在敞开体系下储热后熔盐质量损失十分严重,主要由MgCl_2的水解和NaCl的蒸发造成,质量损失导致熔盐的性能劣化,主要表现为熔点上升,相变潜热大幅度下降。熔盐在封闭体系下储热后的高温热稳定性明显提高,对比可知,降低三元氯化物熔盐与空气接触的几率可以防止熔盐性能劣化,提高熔盐的高温热稳定性,同时MgCl_2水解生成的MgO颗粒会导致熔盐热扩散系数的显著提升。在研究氯化物熔盐高温热稳定性过程中,发现MgO的生成可以提高其热扩散系数。在此基础上,通过在碳酸熔盐,硝酸熔盐和氯化物熔盐液体中分散质量分数为10wt%的纳米MgO颗粒制备不同种类的金属氧化物熔盐复合材料(MgO-碳酸熔盐,MgO-硝酸熔盐,MgO-氯化物熔盐)。采用不同实验仪器测定了三种复合材料的比热容、密度以及热扩散系数等;并通过SEM扫描电镜观察观察金属氧化物颗粒在不同熔盐中分散情况,初步解释熔盐复合材料热物性强化机理。结果显示,MgO纳米颗粒可以均匀分散于熔盐液体中,并且能显著的提高碳酸熔盐,硝酸熔盐以及氯化物熔盐的导热系数。MgO-碳酸熔盐复合材料,MgO-氯化物熔盐复合材料以及MgO-硝酸熔盐复合材料相比原始熔盐的提高率分别为122.9%,60.5%,114.0%。研究了MgO纳米颗粒的添加量对硝酸熔盐热物性的影响。利用DSC热分析仪、LFA457激光导热系数测量仪、MT-ZRIG-12熔体物性测定仪以及旋转黏度仪等,测量复合材料的比热、熔点及相变潜热、热扩散系数、密度以及黏度等;通过SEM扫描电镜和TEM透射电镜分别观察硝酸熔盐复合材料的表面形貌及MgO纳米颗粒晶体结构,以解释硝酸熔盐复合材料的热物性增强机理。研究发现,MgO纳米颗粒的加入使得硝酸熔盐的比热和导热显著提高,复合材料的比热和导热系数随着添加MgO质量分数的增加呈线性增长,复合材料比热异常增长的原因是由于硝酸熔盐与MgO纳米颗粒之间形成的半固态边界层结构,而导热系数强化的原因是半固态边界层与纳米颗粒在熔盐液体中的布朗运动共同作用的结果。由于MgO纳米颗粒以固体颗粒形式存在于硝酸熔盐液体中,因此复合材料的相变潜热随着MgO添加量的增大呈下降趋势。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

曲线,铂铑合金,坩埚

C 曲线氮气流定低共散系FA457备激光-10％R下恒温样品。第二章 N线。测量所用流量为 100 m共熔点的数系数的测量型激光导热光闪射法所Rh）中，如温 15 分钟，最后，将NaCl-MgCl2-C用容器为氧mL/min，升值，根据吸量热系数测试需的标准待图 2-1 所示，通过振荡坩埚盖盖紧CaCl2在敞开氧化铝坩埚，升温速率为吸收峰的面试仪（德国耐待测样品，示，而后将样荡等方式去除紧并将样品开体系下的热，在氮气气10 oC /min积确定样品耐驰公司）测将 10 20m样品加热至除样品表面冷却至室温稳定性研究气氛下保护，n。根据 DSC品的相变潜测量样品的热mg 的样品加至熔融态（熔面及内部的气温后真空密，设定C 曲线潜热。热扩散加入到熔点以气泡，密封保

熔盐,蒸发冷凝,石英管,中高温

0868890eiwg图 2ig.2-2 M知，熔盐量损失在 600oC。考虑到在实验过能。为此2 4 6550oC600oC650oC700oC-2 熔盐在敞Mass loss curv盐在 500 oC在恒温储热时，熔盐的到含镁氯化过程中观察此进行了熔8 10 12time/h敞开体系下的ve of chlorideC 和 550 oC热前期下降较的质量损失化物熔盐的察到筒式马熔盐在石英管14 16 18 2的质量损失曲e salt in open下敞口容器较为迅速，速率明显加特性，推测弗炉周边有管中储热过20 22线system器中储热 2恒温的后加快，700测质量损失有明显盐粒过程的蒸发

相图,氯化物体系,相图,储热

20 30 40lantenm.p.time/h420440460480elMtngiopnit/ C热不同时间后熔点和相变潜热的变化nd latent heat of the molten salt at different time after open vessel 700 oC下储热后，共熔点明显上升，相变潜热明显 MgCl2蒸发导致储热后熔盐中各组分含量偏图 2-6 所示。

【参考文献】