一種硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質及其製備方法與應用的製作方法

2023-06-12 11:50:56

專利名稱：一種硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質及其製備方法與應用的製作方法
技術領域：
本發明屬於工業蓄能和太陽能高溫熱利用領域，具體涉及一種傳熱蓄熱介質，特別涉及一種硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質及其製備方法與應用。
背景技術：
蓄能技術在工業節能和可再生能源利用方面有著廣泛的應用。但是我國大規模工業領域能源利用效率低，且可再生能源存在間歇性和不能連續供能的缺點，因此必須開發低成本傳熱蓄熱材料和發展高效蓄熱技術，以有效地解決可再生能源的儲存與輸運問題。在工業蓄能和太陽能高溫熱利用技術中，目前使用的傳熱蓄熱介質主要包括空氣、水/蒸汽、水合鹽、石蠟類、脂肪酸類和熔融鹽類等。其中，熔融鹽作為傳熱介質可以達到較高的溫度，同時具有蓄熱功能，還可以克服由於雲遮帶來的蒸汽參數不穩定等問題，因此是目前應用較多、較為成熟的傳熱蓄熱介質。實際使用時對熔融鹽介質的要求較高，必須滿足各種熱力學、化學和經濟性條件。 其中，熱力學條件要求儘可能低的熔點，以降低保溫能耗，使熔融鹽不易凝結；儘可能高的沸點，使熔融鹽具有寬的使用溫度範圍，以提高發電系統的熱機效率；導熱性能好，以防止熔融鹽在蓄熱時因為局部過熱而發生分解，並使其在供熱發電時能有效提供熱量；比熱容大，使熔融鹽在相同傳熱量下用量較少；粘度低，使熔融鹽流動性好，以減少泵輸送功率。 化學條件要求熱穩定性好，使熔融鹽能夠反覆使用，長期穩定工作；腐蝕性小，使熔融鹽與容器、管路材料相容性好；無毒以及不易燃易爆，系統安全可靠。經濟性條件要求熔融鹽組分便宜易得、價格低廉。相對而言，鹼金屬硝酸鹽體系基本能滿足上述要求。目前，在工業蓄能和太陽能高溫熱利用領域，用於傳熱蓄熱介質的硝酸熔鹽體系主要包括二元硝酸鹽體系(40% KN03-60% NaNO3，工作溫度範圍為280°C 565°C )和三元硝酸鹽體系(KNO3-NaNO3-NaNO2，工作溫度範圍為200°C 538°C )。在這兩種熔融鹽體系中， 二元硝酸鹽體系熔點偏高，在實際應用中需要消耗更多的能量來維持。而三元硝酸鹽體系雖然熔點相比較低，但是上限使用溫度也較低。為了解決上述問題，中國專利申請00111406. 9公開了一種LiNO3-KNO3-NaNO3-NaNA 體系，其工作溫度範圍為250°C 550°C，這個體系的上限工作溫度比三元硝酸鹽體系高， 達到550°C，但其下限工作溫度也被提高，而且由於LiNO3的加入使得其腐蝕性增大，成本增
尚ο中國專利申請200110027卯4. 1公開了一種硝酸鹽體系，這個體系與三元硝酸熔鹽的熔點相同，上限工作溫度達到550°C，但體系中NaNO2易發生高溫氧化分解，對環境氣氛要求很高。此外，美國專利US007588694B1 公開了一種 LiNO3-KNO3-NaNO3-Ca(NO3)2 體系，其熔點低於100°C，上限使用溫度高於500°C，這個體系比三元硝酸熔鹽體系的熔點低，但是含有LiNO3也增加了熔鹽的腐蝕性和成本。申請號為200810027638. 9和200910037348. 7專利還提供了一種碳酸熔鹽體系，
3但這兩個體系的熔點在400°C以上，不適合工業蓄能和太陽能高溫熱利用。因此，有必要開發一種用於工業蓄能和太陽能高溫熱利用領域的傳熱蓄熱介質。

發明內容
為了克服現有技術的缺點與不足，本發明的首要目的在於提供一種硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質，該傳熱蓄熱介質熱穩定性好、熔點僅為120°c，工作溫度範圍為180°C 550°C、成本低、製作工藝簡單，可應用於工業蓄能和太陽能高溫熱利用領域。本發明的另一目的在於提供上述硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質的製備方法。本發明的再一目的在於提供上述硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質的用途。本發明的目的通過下述技術方案實現一種硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質，由以下質量百分比的成分製備得到硝酸鉀5 40%硝酸鈉5 25%硝酸鈣10 70%;為了使本發明的硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質能有更低的熔點，以更好地降低保溫能耗，使熔融鹽不易凝結，本發明的硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質優選由以下質量百分比的成分製備得到硝酸鉀22.8 33. 4%硝酸鈉11.4 20. 5%硝酸鈣49.5 65. 3%。上述的硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質的製備方法，包括以下步驟將硝酸鉀、硝酸鈉、硝酸鈣混合併攪拌均勻，靜態加熱至固體全部熔融，然後保溫 10 30分鐘，再自然冷卻至20-30°C，即得到硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質。所述的硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質可應用於工業熔爐、金屬淬火和太陽能熱發電， 特別應用於石油化工和太陽能高溫超臨界發電。本發明相對於現有技術具有如下的優點及效果(1)本發明製備的硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質熔點可低至120°C，且上限使用溫度高達550°C，工作溫度範圍廣，能在180 550°C溫度範圍內正常工作，熱穩定性好。(2)本發明製備的熔融鹽傳熱蓄熱介質既克服了二元硝酸熔鹽體系熔點高的缺點，又解決了三元硝酸鹽體系和中國專利200110027卯4. 1中由於NaNO2易高溫氧化分解所帶來的不穩定問題。(3)本發明製備的熔融鹽傳熱蓄熱介質很好地解決了中國專利00111406. 9和美國專利US007588694B1中由於LiNO3的存在所引起的腐蝕性和成本增加的問題。


圖1是實施例1製備的硝酸熔融鹽的差示掃描(DSC)曲線圖。圖2是實施例2製備的硝酸熔融鹽的DSC曲線圖。圖3是實施例3製備的硝酸熔融鹽的DSC曲線圖。圖4是實施例1製備的硝酸熔融鹽的熱重分析曲線圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。實施例1一種硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質的製備方法，包括以下步驟將33. 4%的硝酸鉀、11. 44%的硝酸鈉、55. 16%的硝酸鈣混合併攪拌均勻，靜態加熱(不需要攪拌)到固體全部熔融，然後保溫10分鐘，再自然冷卻至20°C，得到硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質；所述的百分比為各組分佔硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質原料總質量的百分比。對本實施例製備得到的硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質進行熔點測試。測試採用通用的差示掃描儀(DSC)進行。測試得到的DSC曲線如圖1所示。測試結果顯示，熔融鹽的熔點為 118. 12°C。實施例2一種硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質的製備方法，包括以下步驟將29. 97%的硝酸鉀、20. 53%的硝酸鈉、49. 5%的硝酸鈣混合併攪拌均勻，靜態加熱到固體全部熔融，然後保溫20分鐘，再自然冷卻至25°C，得到所述熔融鹽傳熱蓄熱介質； 所述的百分比為各組分佔硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質原料總質量的百分比。對本實施例製備得到的硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質的熔點進行測試。測試方法同實施例1。結果顯示，熔融鹽的熔點較實施例1有所提高，由118. 12°C變化到173. 23°C。實施例3一種硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質的製備方法，包括以下步驟將22. 79%的硝酸鉀、11. 89%的硝酸鈉、65. 32%的硝酸鈣混合併攪拌均勻，靜態加熱到固體全部熔融，然後保溫30分鐘，再自然冷卻至30°C，得到所述熔融鹽傳熱蓄熱介質；所述的百分比為各組分佔硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質原料總質量的百分比。對本實施例製備得到的硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質的熔點進行測試。測試方法同實施例1。測試結果顯示，熔融鹽的熔點為130. 78°C，較實施例2都有所降低。對實施例1製備的熔融鹽介質的熱穩定性能進行測試首先將熔融鹽樣品分別裝在不同的剛玉坩堝中，放入溫控爐進行加熱，從常溫開始進行實驗，每隔一段時間取出實驗坩堝用分析天平進行稱重。如果在某一溫度段內，試樣的重量不再減少，則提高溫控爐的溫度。然後再每隔一段時間取出實驗坩堝用分析天平進行稱重，直到另一個穩態之後再繼續升溫。如此循環，一直到550°C。將所得的數據進行處理，繪製出熔鹽升溫過程中的重量-溫度-時間變化曲線，如圖4所示。測試結果顯示，當溫度低於550°C時，熔融鹽樣品的質量損失變化較小；當溫度高於550°C後，其質量損失變化較大。在550°C時，測得熔融鹽樣品的質量損失為3%左右。 故此熔融鹽樣品可以在550°C下穩定運行。其他兩個實施例的熔融鹽介質的重量-溫度-時間變化曲線與實施例1的相似， 表明本發明的硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質可以在550°C下穩定運行。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質，其特徵在於是由以下質量百分比的成分製備得到硝酸鉀:5 40% 硝酸鈉:5 25% 硝酸鈣10 70%。
2.根據權利要求1所述的硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質，其特徵在於所述的硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質是由以下質量百分比的成分製備得到硝酸鉀22. 8 33. 4% 硝酸鈉11. 4 20. 5% 硝酸鈣49. 5 65. 3%。
3.權利要求1或2所述的硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質的製備方法，其特徵在於包括以下步驟將硝酸鉀、硝酸鈉、硝酸鈣混合併攪拌均勻，靜態加熱至固體全部熔融，然後保溫10 30分鐘，再自然冷卻至20-30°C，即得到硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質。
4 權利要求1或2所述的硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質在工業熔爐、金屬淬火或太陽能熱發電中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質及其製備方法與應用，該硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質是由5～40％的硝酸鉀、5～25％的硝酸鈉和10～70％的硝酸鈣製備得到。本發明製備的硝酸熔融鹽傳熱蓄熱介質熔點可低至120℃，且上限使用溫度高達550℃，工作溫度範圍廣，能在180～550℃溫度範圍內正常工作，熱穩定性好；本發明的熔融鹽傳熱蓄熱介質還克服了二元硝酸熔鹽體系熔點高的缺點，又解決了三元硝酸鹽體系和中國專利200110027954.1中由於NaNO2易高溫氧化分解所帶來的不穩定問題；最後，本發明的熔融鹽傳熱蓄熱介質很好地解決了中國專利00111406.9和美國專利US007588694B1中由於LiNO3的存在所引起的腐蝕性和成本增加的問題。
文檔編號C09K5/12GK102533226SQ201110425668
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月15日 優先權日2011年12月15日
發明者丁靜, 彭強, 楊建平, 楊曉西, 陸建峰, 魏小蘭, 黃曉斐 申請人:中山大學, 華南理工大學