一種混合熔鹽傳熱蓄熱工質(zhì)及其制備方法
【專利說明】
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及一種傳熱蓄熱工質(zhì)，特別涉及一種用于太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)使用的傳熱 蓄熱工質(zhì)，屬于能源材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0003] 隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類對(duì)能源的需求日益增加，作為主要能源的煤、石油、天 然氣等常規(guī)能源的儲(chǔ)量日益減少，加上在其利用過程中排放的污染物對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的破 壞日益加重，能源與環(huán)境問題成為當(dāng)今世界普遍關(guān)注的兩大主要問題。為了保持社會(huì)的可 持續(xù)性發(fā)展，除需要對(duì)常規(guī)能源資源進(jìn)行高效、潔凈的轉(zhuǎn)化利用以外，還必須開發(fā)利用各種 可再生能源和綠色能源。利用取之不盡、用之不竭的清潔太陽能補(bǔ)充傳統(tǒng)的化石能源越來 越受到國際社會(huì)的廣泛認(rèn)可。太陽能熱發(fā)電被認(rèn)為是太陽能發(fā)電技術(shù)中最有前途的發(fā)電方 式。自20世紀(jì)80年代以來，美國、西班牙、意大利、法國、日本、澳大利亞、德國、以色列等相 繼建立起各種不同類型的試驗(yàn)示范裝置和商業(yè)化運(yùn)行裝置，促進(jìn)了太陽能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā) 展和商業(yè)化的進(jìn)程，太陽能熱發(fā)電技術(shù)取得顯著的進(jìn)展。但可再生能源存在間歇性和不能 連續(xù)供能的缺點(diǎn)，因此必須開發(fā)低成本傳熱蓄熱材料和發(fā)展高效蓄熱技術(shù)，以有效地解決 可再生能源的儲(chǔ)存與輸運(yùn)問題。
[0004] 目前，在工業(yè)蓄能和太陽能高溫?zé)崂眉夹g(shù)中，使用的傳熱蓄熱介質(zhì)主要包括空 氣、水/蒸汽、石蠟類、導(dǎo)熱油和熔融鹽類等。其中，空氣的使用溫度高但是工作壓力大，傳 熱性能差；水蒸氣傳熱性能稍好但是使用較低，工作壓力仍然很大；導(dǎo)熱油擁有良好的傳 熱性能和低的工作壓力，但是使用溫度低，工作溫蒂在400°C以下，而且導(dǎo)熱油成本很高。 而熔融鹽作為傳熱介質(zhì)可以達(dá)到較高的溫度，同時(shí)具有蓄熱功能，較高的液相比熱容、較低 的黏度、系統(tǒng)壓力小、腐蝕性小、單位成本低、熱力學(xué)性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，還可以克服由于陰 天、黑夜帶來的蒸汽參數(shù)不穩(wěn)定等問題，故為目前使用較多的傳熱蓄熱介質(zhì)。
[0005] 在實(shí)際應(yīng)用中，理想的熔鹽傳熱蓄熱介質(zhì)應(yīng)具有熔點(diǎn)低，熔化熱大，較寬的工作 溫度范圍，液相比熱容大，密度較大，導(dǎo)熱系數(shù)較大，粘度小，腐蝕性相對(duì)較小，經(jīng)濟(jì)性好等 特點(diǎn)。在目前的工業(yè)蓄能和太陽能高溫?zé)崂妙I(lǐng)域，國內(nèi)外太陽能熱發(fā)電站中使用最多的 傳熱蓄熱熔鹽為硝酸熔鹽體系，主要為二元硝酸鹽體系（40% KN03-60% NaNO3，工作溫度 范圍為280°C~565°C )和三元硝酸鹽體系（KNO3-NaNO3-NaNO2，工作溫度范圍為200°C~ 538°C )。在這兩種硝酸熔鹽體系中，二元硝酸鹽體系熔點(diǎn)偏高，需要較高的溫度來保證熔鹽 不在管道中凝結(jié)，保溫成本較高；三元硝酸鹽體系雖然熔點(diǎn)相比較低，但是上限使用溫度也 較低，傳熱蓄熱效率降低，且其中的NaNO2*生分解，導(dǎo)致熔鹽劣化，熱穩(wěn)定性變差等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)上述存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種以硝酸鹽為主體的熔鹽傳熱蓄 熱工質(zhì)。本發(fā)明提供的高溫傳熱蓄熱熔鹽工質(zhì)具有熔點(diǎn)低、熔化熱大，熱穩(wěn)定性好、腐蝕性 小及經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用技術(shù)方案如下： 一種混合熔鹽傳熱蓄熱工質(zhì)，其特征在于：由組分KN03、NaN03、Ca (NO3) 2、NaCl組成，其 質(zhì)量百分比為：KN03:20%~50%、NaNO 3:20%~50%、Ca (NO 3) 2:20%~40%、NaCl : 1%~10%。
[0008] 作為優(yōu)選：混合熔鹽傳熱蓄熱工質(zhì)組分的質(zhì)量百分比為：KN03:20%~40%、NaNO 3:30%~45%、Ca (NO3) 2:30%~40%、NaCl : 1%~5%。
[0009] 進(jìn)一步：混合熔鹽傳熱蓄熱工質(zhì)組分的質(zhì)量百分比為：KN03:25%、NaN0 3:40%、 Ca (NO3) 2：33%^ NaCl ：2%〇
[0010] 混合熔鹽傳熱蓄熱工質(zhì)的配制方法如下： (1) 將分析純的KN03、NaN03、Ca(N03)2、NaCl分別放在IKTC的烘箱內(nèi)干燥12h后，按質(zhì) 量配比稱量所需的無機(jī)鹽，研磨混合均勻； (2) 再將混合熔鹽加熱300°C至熔化狀態(tài)并保持2h，形成均一的液體； (3) 將步驟（2)中熔鹽自然冷卻到室溫，粉碎后得到熔鹽制品。
[0011] 本發(fā)明是在二元硝酸鹽體系KNO3-NaNO3中加入氯化鹽NaCl和硝酸鹽Ca(NO 3)2組 成一種新的四元熔鹽體系KNO3-NaNO3-Ca(NO3)2 - NaCl，由于K、Na為同系物，離子狀態(tài) 具有類似的性質(zhì)，Ca (NO3) 2、NaCl與KNO3-NaNO3混合后，能形成新的離子間的作用力，因此， 該傳熱蓄熱工質(zhì)具有良好的熱力學(xué)性能如熔點(diǎn)低、熔化熱較大、比熱容較高，高溫下熱穩(wěn)定 性好，能長時(shí)間使用后熔鹽不易劣化分解。本配方可以克服二元硝酸鹽體系的熔點(diǎn)偏高與 三元硝酸鹽體系上限使用溫度較低、熱穩(wěn)定性較差的缺點(diǎn)。與此同時(shí)，熔鹽的組分簡單、材 料來源豐富、熔鹽的經(jīng)濟(jì)性好且易得，可以降低熔鹽的成本，熔鹽的制備過程簡單易行，為 一種熱力學(xué)性能十分優(yōu)良的傳熱蓄熱介質(zhì)。
[0012] 有益效果： (1) 本配方熔鹽的熔點(diǎn)為200°C ~220°C，使用溫度范圍為230°C ~630°C，最佳使用溫度 為260~587°C ;工作溫度范圍較寬，較低的熔點(diǎn)能夠保證熔鹽不易凝結(jié)在管路中，減少熱損 失，降低保溫成本，維護(hù)系統(tǒng)的成本降低；較高的工作上限溫度可以擴(kuò)大與汽輪機(jī)傳熱介質(zhì) 溫差，提高熱交換能力，進(jìn)一步提高熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的效率； (2) 相變潛熱：熔鹽的相變潛熱約為100~120J/g ; (3) 熱容：比熱容較大，數(shù)值范圍為1653~1885 J*kg*K \較高的液相比熱容，可以提高 傳熱蓄熱的效率，減少儲(chǔ)存和運(yùn)輸設(shè)備的規(guī)模，并節(jié)約了投資成本； (4) 對(duì)材料的腐蝕性：熔鹽體系對(duì)材料如304、316L、321H (溫度：500-550°C)的腐蝕性 低于當(dāng)前KNO3-NaNO3二元硝酸鹽體系的腐蝕性； (5) 較低的粘度：良好的高溫流動(dòng)性，能大大降低流阻，減少能耗； (6) 熱穩(wěn)定性好：即能夠在高溫下長期使用，同時(shí)反復(fù)熔化/凝固條件下也能長期穩(wěn)定 工作；在溫度550°C條件下，連續(xù)工作200小時(shí)，損失為3%，熱穩(wěn)定性好，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有技術(shù)所 提供的熔鹽配方。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 本發(fā)明專利保護(hù)范圍不限于上述實(shí)施例，凡是依據(jù)本發(fā)明技術(shù)原理所做的技術(shù)變 形，均落入本發(fā)明專利的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0014] 實(shí)施例1 : 將KN03、NaN03、Ca (NO3) 2、NaCl分別放在110 °C的烘箱內(nèi)干燥12h，按質(zhì)量配比 26. 5%KN03、32. 6%NaN03、37. 9%Ca(N03)2、3%NaCl稱量所需的無機(jī)鹽，研磨且混合均勾，并把 混合熔鹽放在馬弗爐中加熱到300°C至熔化狀態(tài)并保持2h，使之形成均一的液體。最后將 化合熔鹽自然冷卻到室溫，粉碎后得到的熔鹽樣品。
[0015] 實(shí)施例2 : 將KN03、NaN03、Ca (NO3) 2、NaCl分別放在110 °C的烘箱內(nèi)干燥12h，按質(zhì)量配比 22. 9%KN03、36%NaN03、39. 7%Ca(N03)2、I. 4%NaCl稱量所需的無機(jī)鹽，研磨且混合均勾，并把 混合熔鹽放在馬弗爐中加熱300°C至熔化狀態(tài)并保持2h，使之形成均一的液體。最后將化 合熔鹽自然冷卻到室溫，粉碎后得到的熔鹽樣品。
[0016] 混合熔鹽的熔點(diǎn)、熔化熱用DSC差熱分析儀測(cè)定。測(cè)定用熔鹽為15mg，在氮?dú)鈿夥?中進(jìn)行，氮?dú)饬髁繛?0mL/min，溫度范圍為30~300°C，升溫速率為10°C /min。熔鹽的熱重 利用TG測(cè)試儀在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行測(cè)試，溫度范圍為30~700°C。
[0017] 表1為實(shí)施例1和2制備的熔鹽熱物性數(shù)據(jù)
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種混合熔鹽傳熱蓄熱工質(zhì)，其特征在于：由組分KN03、NaN03、Ca (NO3) 2、NaCl組 成，其質(zhì)量百分比為：KN03:20%~50%、NaNO 3:20%~50%、Ca (NO 3) 2:20%~40%、NaCl : 1%~10%。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種混合熔鹽傳熱蓄熱工質(zhì)，其特征在于：其質(zhì)量百分比為： KN03:20°/〇~40%、NaNO 3:30%~45%、Ca (NO 3) 2:30%~40%、NaCl : 1%~5%。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種混合熔鹽傳熱蓄熱工質(zhì)，其特征在于：其質(zhì)量百分比為： KN03:25%、NaNO 3:40%、Ca (NO 3) 2:33%、NaCl :2%。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種混合熔鹽傳熱蓄熱工質(zhì)的制備方法，其特征在于：該制 備方法的具體步驟如下： (1) 將分析純的KN03、NaN03、Ca(N03)2、NaCl分別放在IKTC的烘箱內(nèi)干燥12h后，按質(zhì) 量配比稱量所需的無機(jī)鹽，研磨混合均勻； (2) 再將混合熔鹽加熱300°C至熔化狀態(tài)并保持2h，形成均一的液體； (3) 將步驟（2)中熔鹽自然冷卻到室溫，粉碎后得到熔鹽制品。
【專利摘要】一種混合熔鹽傳熱蓄熱工質(zhì)及其制備方法，其中熔鹽組分由KNO3、NaNO3、Ca(NO3)2、NaCl組成，其質(zhì)量百分比為KNO3：20%~50%、NaNO3：20%~50%、Ca(NO3)2：20%~40%、NaCl：1%~10%。該熔鹽工質(zhì)具有熔點(diǎn)低、熔化熱較大、比熱容較高、高溫下熱穩(wěn)定性好、腐蝕性小、不易劣化分解、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)。
【IPC分類】C09K5/12
【公開號(hào)】CN105018045
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510444549
【發(fā)明人】白青花, 毛世勇, 汪元奎, 金姍, 楊建明, 劉光明
【申請(qǐng)人】東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司
【公開日】2015年11月4日
【申請(qǐng)日】2015年7月27日