高温碳酸熔融盐材料的制备与性能研究

摘要

在环境污染和能源形势日趋严峻的背景下，开发太阳能等可再生能源具有广阔的发展前景。由于太阳能具有间歇性和不能稳定供应的缺点，很难满足大型工业化连续用能的要求。为了有效地解决太阳能的转换、储存及运输问题，必须发展高效传热蓄热技术。传热蓄热材料是一类具有广泛应用前景的新能源材料，在这一前瞻性、战略性太阳能中高温热利用技术中成为不可替代的关键材料，对该技术的发展起着至关重要的作用。熔融盐作为传热介质既可以达到较高的工作温度，又具有蓄热功能，可以克服由于云遮带来的蒸汽参数不稳定等问题，是目前应用较多、较为成熟的传热蓄热材料。
　　 针对太阳能高温热利用工作温度范围为400～900℃的技术要求，本文根据碳酸盐的相图、阳离子极化、组分盐热物理性质等，选取了BaCO3、SrCO3、AXn、BYn、Czn作为添加剂，对现有（Na2CO3-K2CO3）二元熔盐体系进行改性，采用静态熔融法制备了混合碳酸熔盐。利用热重差热联用分析仪（TG-DSC）、DSC法、阿基米德法和回转振荡法对所制备熔盐材料的熔点、相变潜热、热分解温度、高温密度和粘度等物性参数进行了表征，分析了DSC测试气氛、升温速率、坩埚种类、添加剂种类和用量等对熔盐的熔点、相变潜热、热分解温度等热物性的影响；研究了高温静态和蓄/放热循环下熔盐的热稳定性；探悉了熔盐高温时对金属材料的腐蚀性。
　　 研究结果表明：采用静态熔融法制备碳酸熔融盐材料，添加剂既强化了碳酸熔盐的传热性能，又扩大了熔融盐的工作温度范围（从710～800℃扩大到450～800℃）；且加入的添加剂为高相变潜热、低熔点的无机盐，有效地降低了熔盐体系的熔点（从699℃降低到396℃或567℃），并提高了熔盐的蓄热能力（相变潜热从50J/g增大到160J/或103J/g）。此熔盐体系对310S和321不锈钢仍具有较大的腐蚀性（分别为0．7mm/a或1．8mm/a），，应选择高强度耐腐蚀的金属管道和容器材料。这种新型的传热蓄热介质相变潜热大、熔点低、比热大、密度大和粘度小，降低了系统的尺寸和维护能耗，太阳能的利用率高，节能效果好，实现了对低成本高性能熔融盐制备工艺的理论预测，为工程应用在基础参数方面提供指导。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 传热蓄热材料

1.2.1 传热蓄热材料分类

1.2.2 常见的传热蓄热材料

1.3 熔融盐传热蓄热材料

1.3.1 熔融盐的特性

1.3.2 高温熔盐的种类

1.3.3 高温熔盐的应用

1.4 碳酸熔盐传热蓄热材料

1.4.1 碳酸盐的物理化学性质及相图

1.4.2 碳酸熔盐的研究进展

1.4.3 碳酸熔盐的腐蚀性

1.5 碳酸熔盐材料的选取

1.5.1 选取标准

1.5.2 性能和经济分析

1.6 本文主要研究目的及内容

第二章 碳酸熔盐材料的制备

2.1 引言

2.2 碳酸熔盐组分选择的化学依据

2.2.1 从离子极化角度选择碳酸熔盐成分

2.2.2 从相图角度选择混合熔盐的组成

2.3 碳酸熔盐组分选择的热物性依据

2.3.1 添加剂材料选择的相容性标准

2.3.2 添加剂材料选择的传热蓄热性能标准

2.4 碳酸熔盐组分选择的经济性依据

2.5 实验方法

2.5.1 实验试剂与仪器

2.5.2 碳酸熔盐的制备方法

2.6 结果与讨论

2.6.1 TG—DSC测试条件的确定

2.6.2 验证二元熔盐体系

2.6.3 添加剂BaCO3、SrCO3对二元熔盐体系改性

2.6.4 添加剂AXn、BYn对二元熔盐体系改性

2.6.5 添加剂CZn对二元熔盐体系改性

2.6.6 改性熔盐的初步实验

2.7 本章小结

第三章 碳酸熔盐热物理性研究

3.1 引言

3.2 实验试剂与仪器

3.3 测试方法

3.3.1 熔点、相变潜热、分解温度、比热容的测定

3.3.2 熔盐密度的测定

3.3.3 熔盐粘度的测定

3.4 结果与讨论

3.4.1 熔盐的熔点、相变潜热、分解温度和比热容的测定结果

3.4.2 密度的测定结果

3.4.3 粘度的测定结果

3.5 本章小结

第四章 碳酸熔盐的热稳定性研究

4.1 引言

4.2 实验试剂与仪器

4.3 碳酸熔盐高温静态下热稳定性研究

4.3.1 高温恒温热稳定性实验

4.3.2 添加剂种类和用量、试样坩埚种类等对碳酸熔盐热稳定性的影响

4.3.3 碳酸熔盐TG热稳定性和静态热稳定性的差异分析

4.3 碳酸熔盐蓄/放热性能实验

4.3.1 实验装置与步骤

4.3.2 结果与分析

4.4 本章小结

第五章 碳酸熔盐对金属的腐蚀性

5.1 引言

5.2 实验试剂与设备

5.3 实验步骤

5.3 碳酸熔盐对不同不锈钢的腐蚀

5.3.1 不锈钢腐蚀后外观情况

5.3.2 不锈钢腐蚀后的失重曲线

5.4 碳酸熔盐对不锈钢长期腐蚀的影响

5.4.1 熔盐对310S不锈钢长期腐蚀

5.4.2 熔盐对321不锈钢长期腐蚀

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢