CN100494307C - 一种太阳能中温蒸汽发电用储热材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种太阳能中温蒸汽发电用储热材料的制备方法，其包括选材、配料和制备步骤，其特征是以玄武岩、钢渣或铜渣为骨料，添加硅微粉、矿渣粉、铝酸盐水泥和纳米尺度凹凸棒微粉为原料，将这些原料经干混均匀后，加4～6%的水，再混合均匀，然后置于钢模模具中，24小时后脱模，在20～25℃温度下置于水中养护72小时，最后在100～120℃温度下烘烤24小时，即得到所述太阳能中温蒸汽发电用储热材料。本发明从选材着手，对材料的组成及制备工艺进行优化设计，从而能够低成本地生产出一种新型太阳能发电用储热材料，该材料的包括储热、放热效率等在内的综合性能得到大幅度提高，同时解决了工业废渣的环境污染。

Description

一种太阳能中温蒸汽发电用储热材料的制备方法
技术领域
本发明涉及储热材料的制备，特别是涉及一种太阳能中温蒸汽发电用储热材料的制备方法。
背景技术
储热方案设计是太阳能蒸汽发电中的重要技术，储热材料的性能及成本是决定大型太阳能电厂的建设费用及运行成本的主要因素之一。用于太阳能发电中的储热材料应满足如下要求：储热材料应有高的能量密度；储热材料与热交换液体应有良好的热传导；储热材料应有良好的化学和力学稳定性；储热材料与热交换器及热交换液体之间有良好的化学相容性；在储热及放热循环过程中应完全可逆；低成本。
目前用作太阳能蒸汽发电中的储热材料主要有熔盐(KNO3、NaNO3或两者的混合物)，铁矿石。但熔盐存在着一个非常明显的缺陷是其较强的腐蚀性，对热交换管道及其它附属设施具有非常强的腐蚀行为，由此增加了电厂的运行成本，亦降低了系统安全稳定性能。铁矿石则由于呈松散堆积状态，不利于储热和放热过程，影响系统的效率。混凝土储热材料由于具有性能稳定、成本低、储热能力强等诸多优点，是用于太阳能蒸汽发电的理想候选储热材料之一。文献1(US5567346))报道了日本学者的美国专利，其中以硫酸钠、氯化铵、溴化钠以及硫酸铵为主要原料组成的储热材料。文献2(US5685151)报道了用于太阳能储热材料，主要的成分是氯化钠。文献3(Kadir Tuncbilek，Ahmet Sari，SefaTarhan et al.Lauric and palmitic acids eutectic mixture as latent heat storagematerial for low temperature heating applications Energy，2005，30(5)：677-692)、文献4(Ahmet Sar.Eutectic mixtures of some fatty acids for latent heat storage：Thermal properties and thermal reliability with respect to thermal cycling，EnergyConversion and Management，2006，47(9-10)：1207-1221)和文献5(Atul Sharma，LeeDong Won，D Buddhi and Jun Un Park.Numerical heat transfer studies of the fattyacids for different heat exchanger materials on the performance of a latent heatstorage system Renewable Energy，2005，30(14)：2179-2187)报道了低温度下，在建筑房屋使用的脂肪酸类相变储热材料。文献6(Zhengguo Zhang and Xiaoming Fang.Studyon paraffin/expanded graphite composite phase change thermal energy storagematerial.Energy Conversion and Management，2006，47(3)：303-310)和文献7(V.Shatikian，G.Ziskind and R.Letan.Numerical investigation of a PCM-based heatsink with internal fins.International Journal of Heat and Mass Transfer，2005，48(17)：3689-3706)则报道了以石蜡和膨胀石墨组成的相变储热材料。但以上文献中报道的储热材料，要么是成本太高，要么只能在低温度下使用，而作为太阳能用的储热材料，必须要在低成本的前提下，考虑其使用的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种太阳能中温蒸汽发电用储热材料的制备方法，该方法从选材着手，对材料的组成及制备工艺进行优化设计，从而能够低成本地生产出一种新型太阳能发电用储热材料，该材料的综合性能得到大幅度提高。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括选材、配料和制备步骤，其以玄武岩、以及与钢渣或铜渣为骨料，添加硅微粉、矿渣粉、铝酸盐水泥和纳米尺度凹凸棒微粉为原料，制备太阳能中温蒸汽发电用储热材料。
(1)原料组成及成分范围：原料组成的重量比和粒度为：玄武岩骨料25～50％，粒度10～30mm；钢渣或铜渣骨料20～38％，粒度1～10mm；500目铝酸盐水泥3～10％；500目矿渣粉5～20％；500目硅微粉1～5％；凹凸棒1～5％，粒度100～500nm；外加高效减水剂0.2～1％。
(2)制备：将上述原料经干混均匀后，加4～6％的水，再混合均匀，然后置于钢模模具中，24小时后脱模，在20～25℃温度下置于水中养护72小时，最后在100～120℃温度下烘烤24小时，即得到所述太阳能中温蒸汽发电用储热材料。
本发明的创新之处在于采用微粉技术，同时利用纳米颗粒的增强效应，采用高效减水剂及低掺量铝酸盐水泥作为胶结剂，既大幅降低储热材料中水泥的用量(就降低了原料的生产能耗)和拌和用水量，又大幅提高储热材料在工作温度下(350～600℃)的稳定性及使用寿命；选用钢渣、铜矿渣等热容大、热导率较高、热稳定较好的工业废渣作为集料，既解决了工业废渣的环境污染又使改性混凝土的体积热容及热导率得到明显提高；掺加天然凹凸棒石(Attopulgite)颗粒(我国安徽省有大量资源)，纳米尺度凹凸棒石填充在混凝土中孔隙中提高混凝土的密实度和强度；并由于凹凸棒石具有优异吸热、储热等性能，进一步提高储热材料的储热、放热效率；同时根据传热学原理合理配置钢丝网格并掺入部分石墨使新型混凝土储热材料的导热系数得到明显提高；选用新型高效复合减水剂降低拌和用水量，改善混凝土工作性并提高其密实度和强度。
具体实施方式
本发明涉及新型太阳能发电用储热材料的制备，特别提供了一种以玄武岩、钢渣或铜渣为骨料，添加硅微粉，矿渣粉，铝酸盐水泥，纳米尺度凹凸棒等微粉制备储热材料的方法。该方法制备的储热材料的工作温度可在600-900℃。
实施例1
原料组成的重量比和粒度为；玄武岩骨料38％，粒度10～30mm；钢渣骨料32％，粒度1～10mm；500目铝酸盐水泥8％；500目矿渣粉15％；500目硅微粉5％；凹凸棒2％，粒度100～500nm；外加高效减水剂0.3％。
本例和以下实施例中的矿渣粉可选用工业废矿渣，将其烘干磨细到500目后，添加到材料中。不仅改善了混合材料的流动性，同时对制备材料的后期强度有较大的贡献。
原料经干混均匀后，加6％的水，混合均匀后置于钢模模具中，24小时后脱模，在20-25℃温度下水中养护72小时后，在100-120℃温度下烘烤24小时。储热材料的密度为2.98g/cm3，在INSTRON-1195万能力学实验机上测得，材料的抗压强度≥50MPa，抗折强度≥8MPa，综合热分析仪上测得体积热容145kWh/m3，导热仪测得热导率1.75W/mK，耐火度1000℃。
实施例2
原料组成的重量比和粒度为：玄武岩骨料35％，粒度10～30mm；铜渣骨料35％，粒度1～10mm；500目铝酸盐水泥6％；500目矿渣粉17％；500目硅微粉4％；凹凸棒3％，粒度100～500nm；外加高效减水剂0.3％。
原料经配料干混均匀后，加5.5％的水，混合均匀后置于钢模模具中，24小时后脱模，在20-25℃温度下水中养护72小时后，在100-120℃温度下烘烤24小时。储热材料的密度为2.96g/cm3，在INSTRON-1195万能力学实验机上测得，材料的抗压强度≥60MPa，抗折强度σb≥12MPa，体积热容148kWh/m3，热导率1.77W/mK，耐火度1000℃。
实施例3
原料组成的重量比和粒度为：玄武岩骨料25％，粒度10～30mm；钢渣骨料38％，粒度1～10mm；500目铝酸盐水泥10％；500目矿渣粉20％；500目硅微粉5％；凹凸棒2％，粒度100～500nm；高效减水剂0.3％。
原料经干混均匀后，加6％的水，混合均匀后置于钢模模具中，24小时后脱模，在20-25℃温度下水中养护72小时后，在100-120℃温度下烘烤24小时。储热材料的密度为2.98g/cm3，在INSTRON-1195万能力学实验机上测得，材料的抗压强度≥50MPa，抗折强度≥8MPa，综合热分析仪上测得体积热容145kWh/m3，导热仪测得热导率1.75W/mK，耐火度1000℃。
实施例4
原料组成的重量比和粒度为：玄武岩骨料50％，粒度10～30mm；铜渣骨料20％，粒度1～10mm；500目铝酸盐水泥10％；500目矿渣粉11.7％；500目硅微粉3％；凹凸棒5％，粒度100～500nm；高效减水剂0.3％。
原料经配料干混均匀后，加5.5％的水，混合均匀后置于钢模模具中，24小时后脱模，在20-25℃温度下水中养护72小时后，在100-120℃温度下烘烤24小时。储热材料的密度为2.96g/cm3，在INSTRON-1195万能力学实验机上测得，材料的抗压强度≥60MPa，抗折强度σb≥12MPa，体积热容148kWh/m3，热导率1.77W/mK，耐火度1000℃。
实施例5
原料组成的重量比和粒度为：玄武岩骨料38％，粒度10～30mm；铜渣骨料38％，粒度1～10mm；500目铝酸盐水泥8.7％；500目矿渣粉5％；500目硅微粉5％；凹凸棒5％，粒度100～500nm；高效减水剂0.3％。
原料经配料干混均匀后，加5.5％的水，混合均匀后置于钢模模具中，24小时后脱模，在20-25℃温度下水中养护72小时后，在100-120℃温度下烘烤24小时。储热材料的密度为2.96g/cm3，在INSTRON-1195万能力学实验机上测得，材料的抗压强度≥60MPa，抗折强度σb≥12MPa，体积热容148kWh/m3，热导率1.77W/mK，耐火度1000℃。
实施例6
原料组成的重量比和粒度为：玄武岩骨料40％，粒度10～30mm；钢渣骨料30％，粒度1～10mm；500目铝酸盐水泥3％；500目矿渣粉20％；500目硅微粉1％；凹凸棒5％，粒度100～500nm；高效减水剂1％。
原料经干混均匀后，加6％的水，混合均匀后置于钢模模具中，24小时后脱模，在20-25℃温度下水中养护72小时后，在100-120℃温度下烘烤24小时。储热材料的密度为2.98g/cm3，在INSTRON-1195万能力学实验机上测得，材料的抗压强度≥50MPa，抗折强度≥8MPa，综合热分析仪上测得体积热容145kWh/m3，导热仪测得热导率1.75W/mK，耐火度1000℃。

Claims (5)

1.一种太阳能中温蒸汽发电用储热材料的制备方法，包括选材、配料和制备步骤，其特征是以玄武岩、以及与钢渣或铜渣为骨料，添加硅微粉、矿渣粉、铝酸盐水泥和纳米尺度凹凸棒微粉为原料，制备太阳能中温蒸汽发电用储热材料，
(1)原料组成及成分范围：
原料组成的重量比和粒度为：玄武岩骨料25～50％，粒度10～30mm；钢渣或铜渣骨料20～38％，粒度1～10mm；500目铝酸盐水泥3～10％；500目矿渣粉5～20％；500目硅微粉1～5％；凹凸棒1～5％，粒度100～500nm；外加高效减水剂0.2～1％，
(2)制备：
将上述原料经干混均匀后，加4～6％的水，再混合均匀，然后置于钢模模具中，24小时后脱模，在20～25℃温度下置于水中养护72小时，最后在100～120℃温度下烘烤24小时，即得到所述太阳能中温蒸汽发电用储热材料。
2.根据权利要求1所述的太阳能中温蒸汽发电用储热材料的制备方法，其特征在于原料组成的重量比为：玄武岩骨料38％，钢渣骨料32％，铝酸盐水泥8％，矿渣粉15％，硅微粉5％，凹凸棒2％，外加高效减水剂0.3％。
3.根据权利要求1所述的太阳能中温蒸汽发电用储热材料的制备方法，其特征在于原料组成的重量比为：玄武岩骨料35％，铜渣骨料35％，铝酸盐水泥6％，矿渣粉17％，硅微粉4％，凹凸棒3％，外加高效减水剂0.3％。
4.根据权利要求1或2或3所述的太阳能中温蒸汽发电用储热材料的制备方法，其特征在于：矿渣粉选用工业废矿渣，将其烘干磨细到500目后，添加到材料中。
5.根据权利要求1所述的太阳能中温蒸汽发电用储热材料的制备方法，其特征在于所述的太阳能中温蒸汽发电用储热材料，其技术参数为：密度2.96g/cm3，抗压强度≥50MPa，抗折强度≥8MPa，体积热容145kWh/m3，热导率1.75W/mK，耐火度1000℃。
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