水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質及其製備方法與應用的製作方法

2023-05-22 13:51:51 2

水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質及其製備方法與應用的製作方法
【專利摘要】本發明公開了水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質及其製備方法與應用。本發明所提供的水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質，是由碳酸熔鹽體系與水玻璃複合製成；所述碳酸熔鹽體系主要由碳酸鉀和碳酸鈉組成。本發明製備的水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質既有碳酸熔鹽的傳熱性能，又提高了安全工作溫度上限840-850℃，使用溫度範圍更寬，熱穩定性好。本發明製備的水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質的相變潛熱大，儲能密度高，降低了對蓄熱系統尺寸和能量的要求，能量利用率高。本發明製備的水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質的吸熱及蓄熱能力好，導熱係數明顯提高，導熱性能增加，克服了碳酸熔鹽導熱性能差，易局部過熱的缺點，可廣泛用於太陽能光熱發電【技術領域】。
【專利說明】水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質及其製備方法與應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及熱量儲存及傳遞【技術領域】，尤其涉及水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質及其製備方法與應用。
【背景技術】
[0002]在工業蓄能和太陽能光熱發電技術中，目前使用的蓄熱傳熱介質主要有空氣、水、導熱油、熔融鹽、鈉和鋁等金屬。熔鹽因具有廣泛的使用溫度範圍，低蒸汽壓，低粘度，良好的穩定性，低成 本等諸多特性已成為太陽能光熱發電技術中頗具潛力的傳熱蓄熱介質，成為目前應用較多，較為成熟的傳熱蓄熱介質。高溫熔融鹽主要有碳酸鹽、硝酸鹽、硫酸鹽、氟化物、氯化物、氧化物等。固-液相變高溫相變材料，主要為高溫熔融鹽、部分鹼、混合鹽。
[0003]混合硝酸熔鹽體系具有熔點低、熱穩定好，對容器和管路材料腐蝕性小等優點，但是硝酸熔鹽在高溫下容易分解，其上限溫度一般不超過600°C，不適合高溫應用。。申請號為200810027638.9的中國專利公開了一種添加了氯化物的碳酸熔鹽體系(Na2CO3, K2CO3, NaCl, KCl),上限溫度較高達800°C，可以很好的滿足太陽能高溫傳熱蓄熱的要求，比較理想，但是熔點567°C使下限溫度過高，耗能保溫造成維護成本太高。中國專利200910037348.7公開了一種含鋰碳酸熔鹽體系(Na2CO3, K2CO3, NaCl, Li2CO3),所採用的添加劑氯化鈉和碳酸鋰有效維持體系高的安全使用溫度上限，但是LiNO3的加入使得其腐蝕性增大，成本增高。
[0004]因此，研究開發一種新的碳酸熔鹽系統，將具有十分重要的意義。
[0005]水玻璃是由鹼金屬氧化物和二氧化矽結合而成的可溶性鹼金屬矽酸鹽材料，又稱泡花鹼。根據鹼金屬的種類分為鈉水玻璃和鉀水玻璃，鈉水玻璃為娃酸鈉水溶液，分子式為Na2O ^nSiOy鉀水玻璃為矽酸鉀水溶液，分子式為K20.nSi02。式中的係數η稱為水玻璃模數，是水玻璃中的氧化矽和鹼金屬氧化物的分子比(或摩爾比)。水玻璃模數是水玻璃的重要參數，一般在1.5-3.5之間。η值越小，二氧化矽含量越少，固體水玻璃的粘度越低，越易溶於水。水玻璃通常採用石英粉SiO2W上純鹼(Na2CO3)，在1300~1400°C的高溫下煅燒生成液體矽酸鈉，從爐出料口流出、制塊或水淬成顆粒。再在高溫或高溫高壓水中溶解，製得溶液狀水玻璃產品。
[0006]目前為止，沒有見到將水玻璃加入到碳酸熔鹽中作為工業蓄能和太陽能光熱發電領域的傳熱蓄熱介質的報導。

【發明內容】

[0007]根據以上領域存在的缺陷，本發明在碳酸熔鹽中加入水玻璃製備複合傳熱蓄熱介質，以期提高碳酸熔鹽體系的導熱係數和上限工作溫度。
[0008]本發明的目的在於克服現有碳酸熔鹽技術的不足，提供一種水玻璃碳酸複合熔鹽的配方及製備工藝。水玻璃的添加增大了碳酸熔鹽基體的導熱係數，降低了凝固點，同時該介質的上限溫度提高，大大拓寬了碳酸熔鹽體系的工作溫度範圍，可廣泛用於工業蓄能和太陽能光熱發電【技術領域】。
[0009]為了實現上述目的，本發明提供了一種水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質。
[0010]本發明所提供的水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質，是由碳酸熔鹽體系與水玻璃複合製成；所述碳酸熔鹽體系主要由碳酸鉀和碳酸鈉組成。
[0011]所述傳熱蓄熱介質由下述質量百分比含量的物質製成:碳酸鉀5% -40%、碳酸鈉20% -80% 和水玻璃 1%-40%。
[0012]所述水玻璃的模數為1.5-3.0 ；
[0013]所述水玻璃為鈉水玻璃和/或鉀水玻璃。
[0014]所述水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質在工業蓄能和太陽能光熱發電中應用也屬於本發明的保護範圍。
[0015]本發明還提供了一種用於製備水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質的方法。
[0016]本發明所 提供的用於製備所述水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質的方法，其特徵在於採用以下熔鹽製備設備:所述設備包括熱源裝置、帶夾層的熔鹽罐(2)、氣流粉碎乾燥器(3)、造粒裝置(5-1)、冷卻裝置(5-2)和輸出裝置；
[0017]所述熱源裝置包括熱載體承載腔，所述熱載體承載腔與所述夾層內腔(13)之間通過熱載體管道(20-1)連通；
[0018]所述熔鹽罐(2)、氣流粉碎乾燥器(3)、造粒裝置(5-1)、冷卻裝置(5-2)和輸出裝置之間通過熔鹽管道向連通，所述熔鹽管道由所述夾層內腔(13)的下部伸出並進入氣流粉碎乾燥器(3)的上端；所述氣流粉碎乾燥器(3)的下端與熱交換器(4)相連；
[0019]所述熱源裝置指太陽能集熱系統(9)、移動式電伴熱(10)或相互獨立控制且並聯的太陽能集熱系統(9)和移動式電伴熱(10)；
[0020]所述太陽能集熱系統(9)與所述熔鹽罐之間的熱載體管道(20)設為相互獨立控制的兩根，其中一根上設置有高溫儲存罐(I);所述高溫儲存罐(I)與所述帶夾層的熔鹽罐
(2)之間設有熱載體泵(16);
[0021]所述帶夾層的熔鹽罐(2)與所述氣流粉碎乾燥器(3)之間的熔鹽管道上設置有熔鹽泵(14)；
[0022]所述帶夾層的熔鹽罐(2)的夾層內腔底部與所述熱交換器(4)之間通過一段熱載體管道(20-2)相連通。
[0023]所述熱交換器(4)與所述熱源裝置之間通過一段熱載體管道(20-3)相連通，所述熱載體管道(20-3)上設置有低溫儲存罐(18)，所述低溫儲存罐(18)兩端的熱載體管道(20-3 )上設置有熱載體泵(16 )。
[0024]所述帶夾層的熔鹽罐(2 )還包括攪拌裝置(11)和進料口( 12 );
[0025]所述輸出裝置依次包括料倉(6)、包裝裝置(7)和/或存儲裝置(8)；
[0026]步驟如下:
[0027]將按比例組成的碳酸熔鹽體系的原料加入到所述帶夾層的熔鹽罐(2)中，啟動熱源裝置加熱到熔融狀態後按比例加入所述水玻璃，繼續加熱並攪拌至熔鹽體系均勻為止；
[0028]將加熱均勻的複合熔鹽抽至氣流粉碎乾燥器(3 )中，進行氣流粉碎和乾燥，再經過造粒和冷卻後得到水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質，最後通過輸出裝置輸出。
[0029]所述用於製備所述水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質的方法中採用的熔鹽製備設備也屬於本發明的保護範圍。
[0030]本發明製備的水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質既有碳酸熔鹽的傳熱性能，又降低了體系熔點，使用溫度範圍更寬。所得混合體系的熱穩定性好，同時降低了成本和腐蝕性。
[0031]本發明還提供了用於規模化製備本發明的熔鹽的製備工藝，其步驟依賴於一套本發明提出的設備，該套工藝和設備的創新點及優點如下:
[0032]工藝如下:
[0033]1.將熔鹽體系的不同組分按照一定的順序依次加入熔鹽罐，在一定的溫度和壓力條件下，加熱到熔鹽罐內的熔鹽粘度可機械攪拌時，開動機械攪拌一段時間至體系均勻。由熱源裝置提供加熱所需的能量，熱源裝置可選擇移動式電伴熱或太陽能集熱。如果是在用料現場，比如太陽能光熱電站，可直接使用聚集的太陽能，環保節能。
[0034]2.開啟高溫熔鹽泵，打開出料口，把熔鹽罐內均勻的熔鹽體系從氣流粉碎乾燥器上方注入，同時熱空氣自氣流粉碎乾燥器的底部鼓入乾燥器，二者是逆向的方式。目的:使液相的熔鹽混合體系在經過氣流粉碎乾燥器後直接形成乾燥均勻的粉末狀，一方面便於包裝出售。另外一方面是使用時性能均一穩定。自氣流乾燥器得到的粉末狀熔鹽經冷卻裝置降至室溫後放入料倉，包裝，儲存。
[0035]3.在熱源裝置是太陽能集熱系統的情況下，可以將熔鹽罐夾層中的熱載體(高溫導熱油或熔鹽或過熱水蒸氣)疏導至熱交換器中用於加熱所需的熱空氣，充分利用了熔鹽罐用過之後的熱載體的餘熱。整體上提高了該工藝的熱能利用率。
[0036]優點1:
[0037]本發明的熱源裝置提供了以下三種方案:
[0038]方案一、本發明採用聚集的太陽能提供的熱量作為熱源，節能環保。可採用四種方式提供熱源:槽式、塔式、碟式、線性菲涅爾式太陽能光熱發電方式的鏡場聚集太陽能。從成本和技術成熟度的角度優選槽式和塔式。
[0039]方式一:選用光熱發電的槽式鏡場作為聚集太陽能的方式，通過集熱管中的高溫熱載體直接加熱熔鹽罐。目前常見的高溫熱載體是高溫熔鹽、導熱油、過熱水蒸氣，在槽式鏡場中優選導熱油。
[0040]方式二:選用光熱發電的塔式鏡場作為聚集太陽能的方式，通過吸熱器中的高溫熱載體直接加熱熔鹽罐。目前常見的高溫熱載體是高溫熔鹽、導熱油、過熱水蒸氣，在塔式鏡場中優選熔鹽。
[0041]方案二、也可採用移動式電伴熱提供熱源，移動式電伴熱不同於傳統式的纏繞電伴熱帶，維修更加的方便簡單。
[0042]方案三、太陽能集熱系統和移動式電伴熱獨立控制且並聯地使用，二者可形成互補作用，比如太陽能輻射不充足時，可用電伴熱進行補充。
[0043]優點2:
[0044]進入氣流粉碎乾燥器的熱空氣的熱量來自於熔鹽罐夾層中的熱載體的餘熱，最大效率的利用熱量。
[0045]優點3:
[0046]熔鹽罐的溫度、壓力可控。[0047]優點4:
[0048]最終產品顆粒細小均勻。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0049]圖1本發明工藝所用的熔鹽製備設備的結構示意圖；
[0050]其中1-高溫儲存罐，2-熔鹽罐，3-氣流粉碎乾燥器，4 一熱交換器，5-1-造粒裝置，5-2-冷卻裝置，6-料倉，7-包裝裝置，8-存儲裝置，9-太陽能集熱系統，10-移動式電伴熱，11-攪拌裝置，12-進料口，13-夾層內腔，14-熔鹽泵，15-鼓風機，16-熱載體泵，18-低溫儲存罐，19-熱載體泵，20-熱載體管道。
【具體實施方式】
[0051]下面結合具體實施例對本發明進行詳細描述。
[0052]實施例1、本發明水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質的製備方法
[0053]所用的材料:鈉水玻璃、鉀水玻璃，均購自佛山市南海區大浙中發水玻璃廠；
[0054]碳酸鉀和碳酸鈉，工業純級，一般化學用品公司可以購買到。
[0055]一、製備 方法:
[0056]本發明水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質的製備方法有兩種選擇:
[0057]方法1、本發明水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質的製備步驟如下:
[0058]按各成分的質量百分比含量將碳酸鉀和碳酸鈉組成碳酸熔鹽體系，加熱攪拌均勻放入真空加熱爐中加熱除氣除水，使其成熔融狀態，加熱溫度為所述碳酸熔鹽體系熔點以上50-100°C左右。將水玻璃按一定比例加入熔融的碳酸熔鹽體系中，磁力攪拌該熔融混合物0.5-lh，保溫超聲0.5-2h。將上述高溫熔融鹽緩慢自然冷卻，即製得均勻穩定的水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質。
[0059]方法I1、規模化生產優選採用以下工藝及配套的熔鹽製備裝置:
[0060]熔鹽製備設備:所述設備包括熱源裝置、帶夾層內腔(13)的熔鹽罐(2)、氣流粉碎乾燥器(3)、造粒裝置(5-1)、冷卻裝置(5-2)和輸出裝置；
[0061]使用中，將按比例組成的碳酸熔鹽體系的原料加入到所述帶夾層的熔鹽罐(2)中，啟動熱源裝置加熱到熔融狀態後按比例加入所述水玻璃，繼續加熱至熔鹽體系均勻為止；
[0062]將加熱均勻的複合熔鹽抽至氣流粉碎乾燥器(3)中，進行氣流粉碎和乾燥，得到水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質，最後通過輸出裝置輸出。
[0063]所述熱源裝置包括熱載體承載腔，所述熱載體承載腔與所述帶夾層的熔鹽罐(2)的夾層內腔(13)之間通過熱載體管道(20-1)連通；
[0064]所述夾層內腔(13 )、氣流粉碎乾燥器(3 )、造粒裝置(5-1)、冷卻裝置(5-2 )和輸出裝置之間通過熔鹽管道向連通，所述熔鹽管道由所述夾層內腔(13)的下端伸出並進入氣流粉碎乾燥器(3)的上端；所述氣流粉碎乾燥器(3)的下端與熱交換器(4)相連；熔鹽罐內均勻的熔鹽體系從入氣流粉碎乾燥器上方注入，同時熱空氣自氣流粉碎乾燥器的底部鼓入乾燥器，二者是逆向的方式。目的:使液相的熔鹽混合體系在經過氣流粉碎乾燥器後直接形成乾燥均勻的粉末狀，一方面便於包裝出售。另外一方面是使用時性能均一穩定；
[0065]所述熱源裝置指太陽能集熱系統(9)、移動式電伴熱(10)或相互獨立控制且並聯的太陽能集熱系統(9)和移動式電伴熱(10);該設備中熱源裝置可以是單獨的所述太陽能集熱系統9或單獨的移動式電伴熱(10)，也可以是相互獨立控制且並聯的太陽能集熱系統
(9)和移動式電伴熱(10)。
[0066]所述太陽能集熱系統(9)與所述熔鹽罐之間的熱載體管道(20-1)設為相互獨立控制的兩根，其中一根上設置有高溫儲存罐(1)。所述太陽能集熱系統(9)與所述高溫儲存罐(1)之間設有閥門，用於控制太陽能集熱系統(9)中的熱載體向高溫儲存罐(1)中流動；當關閉該閥門時，可以使用太陽能集熱系統(9)或是移動式電伴熱(10)直接加熱熱載體進而加熱熔鹽罐(2)的方式來製備高溫熔鹽；當能源充足或熔鹽罐不需要加熱時，可打開太陽能集熱系統與高溫儲存罐(1)之間的閥門，經過太陽能集熱系統加熱的熱載體便可通過管道流向高溫儲存罐進而儲存起來，當需要加熱製備熔鹽時，可以通過熱載體泵(19)抽進夾層內腔(13)進而加熱熔鹽罐(2)來製備高溫熔鹽。
[0067]所述熔鹽罐(2)與所述氣流粉碎乾燥器(3)之間的熔鹽管道上設置有高溫熔鹽泵(14)。用於將加熱後的熔鹽抽至氣流粉碎乾燥器中。
[0068]所述夾層內腔(13)底部與所述熱交換器(4)之間通過一段熱載體管道(20-2)相連通。該段熱載體管道(20-2)用於將夾層內腔(13)中的熱載體引導至熱交換器(4)中用於加熱該設備中所需的熱空氣，從而實現夾層內腔(13)內的熱載體的餘熱再利用，節能環保。
[0069]所述熱交換器(4)與所述熱源裝置之間通過一段熱載體管道(20-3)相連通，所述熱載體管道(20-3)上設置有低溫儲存罐(18)。在熱交換器中被用盡熱量的熱載體冷卻後通過所述熱載體管道(20-3 )上的熱載體泵(16 )抽送至低溫儲存罐中，通過熱載體泵(17)送回到熱源裝置中循環使用。
[0070]所述熔鹽罐(2 )還包括攪拌裝置(11)和進料口( 12 )。
[0071 ] 所述輸出裝置依次包括料倉(6 )、包裝裝置(7 )和/或存儲裝置(8 )。
[0072]每一段所述熱載體管道上都至少設置有一個熱載體泵(16)。
[0073]上述設備中的各段管道上均設置有充足的閥門用於控制管道中的物質的流動和流向。熱源裝置與帶夾層的熔鹽罐之間的熱載體管道上的閥門通過控制熱載體的輸送量和速度從而控制加熱溫度，所述熔鹽罐自身帶有壓力控制裝置。
[0074]根據以上製備步驟及以下表1的配比製備得到一系列水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質。表1為本發明不同編號的水玻璃複合碳酸熔鹽的配方，以及未添加水玻璃作為對照的碳酸熔鹽(對照XI)。
[0075]表1.水玻璃複合碳酸熔鹽配方
【權利要求】
1.一種水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質,其特徵在於:它是由碳酸熔鹽體系與水玻璃複合製成；所述碳酸熔鹽體系主要由碳酸鉀和碳酸鈉組成。
2.根據權利要求1所述的水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質，其特徵在於:所述傳熱蓄熱介質由下述質量百分比含量的物質製成:碳酸鉀5% -40%、碳酸鈉20% -80%和水玻璃 1%-40%。
3.根據權利要求2所述的水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質，其特徵在於: 所述水玻璃的模數為1.5-3.0。
4.根據權利要求3所述的水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質，其特徵在於: 所述水玻璃為鈉水玻璃和/或鉀水玻璃。
5.權利要求1-4中任一所述的水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質在工業蓄能和太陽能光電發熱中應用。
6.用於製備權利要求1-4中任一所述水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質的方法，其特徵在於採用以下熔鹽製備設備:所述設備包括熱源裝置、帶夾層的熔鹽罐(2)、氣流粉碎乾燥器(3 )、造粒裝置(5-1)、冷卻裝置(5-2 )和輸出裝置； 所述熱源裝置包括熱載體承載腔，所述熱載體承載腔與所述夾層內腔(13)之間通過熱載體管道(20-1)連通； 所述熔鹽罐(2)、氣流粉碎乾燥器(3)、造粒裝置(5-1)、冷卻裝置(5-2)和輸出裝置之間通過熔鹽管道向連通，所述熔鹽管道由所述夾層內腔(13)的下部伸出並進入氣流粉碎乾燥器(3)的上端；所述氣流粉碎乾燥器(3)的下端與熱交換器(4)相連； 所述熱源裝置指太陽能集熱系統(9)、移動式電伴熱(10)或相互獨立控制且並聯的太陽能集熱系統(9)和移動式電伴熱(10)； 所述太陽能集熱系統(9)與所述熔鹽罐之間的熱載體管道(20)設為相互獨立控制的兩根，其中一根上設置有高溫儲存罐(I);所述高溫儲存罐(I)與所述帶夾層的熔鹽罐(2)之間設有熱載體泵(16); 所述帶夾層的熔鹽罐(2)與所述氣流粉碎乾燥器(3)之間的熔鹽管道上設置有熔鹽泵(14)； 所述帶夾層的熔鹽罐(2 )的夾層內腔底部與所述熱交換器(4 )之間通過一段熱載體管道(20-2)相連通； 所述熱交換器(4)與所述熱源裝置之間通過一段熱載體管道(20-3)相連通，所述熱載體管道(20-3 )上設置有低溫儲存罐(18 )，所述低溫儲存罐(18 )兩端的熱載體管道(20-3 )上設置有熱載體泵(16); 所述帶夾層的熔鹽罐(2 )還包括攪拌裝置(11)和進料口( 12 ); 所述輸出裝置依次包括料倉(6 )、包裝裝置(7 )和/或存儲裝置(8 ); 步驟如下: 將按比例組成的碳酸熔鹽體系的原料加入到所述帶夾層的熔鹽罐(2)中，啟動熱源裝置加熱到熔融狀態後按比例加入所述水玻璃，繼續加熱並攪拌至熔鹽體系均勻為止； 將加熱均勻的複合熔鹽抽至氣流粉碎乾燥器(3 )中，進行氣流粉碎和乾燥，再經過造粒和冷卻後得到水玻璃複合碳酸熔鹽傳熱蓄熱介質，最後通過輸出裝置輸出。
7.權利要求6所述方法中採用的熔鹽製備設備。
【文檔編號】C09K5/12GK103911126SQ201310733403
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年12月26日 優先權日:2013年12月26日
【發明者】曾智勇 申請人:深圳市愛能森科技有限公司