CN102533226A - 一种硝酸熔融盐传热蓄热介质及其制备方法与应用 - Google Patents

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彭强
魏小兰
黄晓斐
陆建峰
杨建平
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Abstract

本发明公开了一种硝酸熔融盐传热蓄热介质及其制备方法与应用，该硝酸熔融盐传热蓄热介质是由5～40％的硝酸钾、5～25％的硝酸钠和10～70％的硝酸钙制备得到。本发明制备的硝酸熔融盐传热蓄热介质熔点可低至120℃，且上限使用温度高达550℃，工作温度范围广，能在180～550℃温度范围内正常工作，热稳定性好；本发明的熔融盐传热蓄热介质还克服了二元硝酸熔盐体系熔点高的缺点，又解决了三元硝酸盐体系和中国专利200110027954.1中由于NaNO2易高温氧化分解所带来的不稳定问题；最后，本发明的熔融盐传热蓄热介质很好地解决了中国专利00111406.9和美国专利US007588694B1中由于LiNO3的存在所引起的腐蚀性和成本增加的问题。

Description

一种硝酸熔融盐传热蓄热介质及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于工业蓄能和太阳能高温热利用领域，具体涉及一种传热蓄热介质，特别涉及一种硝酸熔融盐传热蓄热介质及其制备方法与应用。
背景技术
蓄能技术在工业节能和可再生能源利用方面有着广泛的应用。但是我国大规模工业领域能源利用效率低，且可再生能源存在间歇性和不能连续供能的缺点，因此必须开发低成本传热蓄热材料和发展高效蓄热技术，以有效地解决可再生能源的储存与输运问题。
在工业蓄能和太阳能高温热利用技术中，目前使用的传热蓄热介质主要包括空气、水/蒸汽、水合盐、石蜡类、脂肪酸类和熔融盐类等。其中，熔融盐作为传热介质可以达到较高的温度，同时具有蓄热功能，还可以克服由于云遮带来的蒸汽参数不稳定等问题，因此是目前应用较多、较为成熟的传热蓄热介质。
实际使用时对熔融盐介质的要求较高，必须满足各种热力学、化学和经济性条件。其中，热力学条件要求：尽可能低的熔点，以降低保温能耗，使熔融盐不易凝结；尽可能高的沸点，使熔融盐具有宽的使用温度范围，以提高发电系统的热机效率；导热性能好，以防止熔融盐在蓄热时因为局部过热而发生分解，并使其在供热发电时能有效提供热量；比热容大，使熔融盐在相同传热量下用量较少；粘度低，使熔融盐流动性好，以减少泵输送功率。化学条件要求：热稳定性好，使熔融盐能够反复使用，长期稳定工作；腐蚀性小，使熔融盐与容器、管路材料相容性好；无毒以及不易燃易爆，系统安全可靠。经济性条件要求：熔融盐组分便宜易得、价格低廉。相对而言，碱金属硝酸盐体系基本能满足上述要求。
目前，在工业蓄能和太阳能高温热利用领域，用于传热蓄热介质的硝酸熔盐体系主要包括二元硝酸盐体系(40％KNO3-60％NaNO3，工作温度范围为280℃～565℃)和三元硝酸盐体系(KNO3-NaNO3-NaNO2，工作温度范围为200℃～538℃)。在这两种熔融盐体系中，二元硝酸盐体系熔点偏高，在实际应用中需要消耗更多的能量来维持。而三元硝酸盐体系虽然熔点相比较低，但是上限使用温度也较低。
为了解决上述问题，中国专利申请00111406.9公开了一种LiNO3-KNO3-NaNO3-NaNO2体系，其工作温度范围为250℃～550℃，这个体系的上限工作温度比三元硝酸盐体系高，达到550℃，但其下限工作温度也被提高，而且由于LiNO3的加入使得其腐蚀性增大，成本增高。
中国专利申请200110027954.1公开了一种硝酸盐体系，这个体系与三元硝酸熔盐的熔点相同，上限工作温度达到550℃，但体系中NaNO2易发生高温氧化分解，对环境气氛要求很高。
此外，美国专利US007588694B1公开了一种LiNO3-KNO3-NaNO3-Ca(NO3)2体系，其熔点低于100℃，上限使用温度高于500℃，这个体系比三元硝酸熔盐体系的熔点低，但是含有LiNO3也增加了熔盐的腐蚀性和成本。
申请号为200810027638.9和200910037348.7专利还提供了一种碳酸熔盐体系，但这两个体系的熔点在400℃以上，不适合工业蓄能和太阳能高温热利用。
因此，有必要开发一种用于工业蓄能和太阳能高温热利用领域的传热蓄热介质。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种硝酸熔融盐传热蓄热介质，该传热蓄热介质热稳定性好、熔点仅为120℃，工作温度范围为180℃～550℃、成本低、制作工艺简单，可应用于工业蓄能和太阳能高温热利用领域。
本发明的另一目的在于提供上述硝酸熔融盐传热蓄热介质的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述硝酸熔融盐传热蓄热介质的用途。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种硝酸熔融盐传热蓄热介质，由以下质量百分比的成分制备得到：
硝酸钾：5～40％
硝酸钠：5～25％
硝酸钙：10～70％；
为了使本发明的硝酸熔融盐传热蓄热介质能有更低的熔点，以更好地降低保温能耗，使熔融盐不易凝结，本发明的硝酸熔融盐传热蓄热介质优选由以下质量百分比的成分制备得到：
硝酸钾：22.8～33.4％
硝酸钠：11.4～20.5％
硝酸钙：49.5～65.3％。
上述的硝酸熔融盐传热蓄热介质的制备方法，包括以下步骤：
将硝酸钾、硝酸钠、硝酸钙混合并搅拌均匀，静态加热至固体全部熔融，然后保温10～30分钟，再自然冷却至20-30℃，即得到硝酸熔融盐传热蓄热介质。
所述的硝酸熔融盐传热蓄热介质可应用于工业熔炉、金属淬火和太阳能热发电，特别应用于石油化工和太阳能高温超临界发电。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明制备的硝酸熔融盐传热蓄热介质熔点可低至120℃，且上限使用温度高达550℃，工作温度范围广，能在180～550℃温度范围内正常工作，热稳定性好。
(2)本发明制备的熔融盐传热蓄热介质既克服了二元硝酸熔盐体系熔点高的缺点，又解决了三元硝酸盐体系和中国专利200110027954.1中由于NaNO2易高温氧化分解所带来的不稳定问题。
(3)本发明制备的熔融盐传热蓄热介质很好地解决了中国专利00111406.9和美国专利US007588694B1中由于LiNO3的存在所引起的腐蚀性和成本增加的问题。
附图说明
图1是实施例1制备的硝酸熔融盐的差示扫描(DSC)曲线图。
图2是实施例2制备的硝酸熔融盐的DSC曲线图。
图3是实施例3制备的硝酸熔融盐的DSC曲线图。
图4是实施例1制备的硝酸熔融盐的热重分析曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种硝酸熔融盐传热蓄热介质的制备方法，包括以下步骤：
将33.4％的硝酸钾、11.44％的硝酸钠、55.16％的硝酸钙混合并搅拌均匀，静态加热(不需要搅拌)到固体全部熔融，然后保温10分钟，再自然冷却至20℃，得到硝酸熔融盐传热蓄热介质；所述的百分比为各组分占硝酸熔融盐传热蓄热介质原料总质量的百分比。
对本实施例制备得到的硝酸熔融盐传热蓄热介质进行熔点测试。测试采用通用的差示扫描仪(DSC)进行。测试得到的DSC曲线如图1所示。测试结果显示，熔融盐的熔点为118.12℃。
实施例2
一种硝酸熔融盐传热蓄热介质的制备方法，包括以下步骤：
将29.97％的硝酸钾、20.53％的硝酸钠、49.5％的硝酸钙混合并搅拌均匀，静态加热到固体全部熔融，然后保温20分钟，再自然冷却至25℃，得到所述熔融盐传热蓄热介质；所述的百分比为各组分占硝酸熔融盐传热蓄热介质原料总质量的百分比。
对本实施例制备得到的硝酸熔融盐传热蓄热介质的熔点进行测试。测试方法同实施例1。结果显示，熔融盐的熔点较实施例1有所提高，由118.12℃变化到173.23℃。
实施例3
一种硝酸熔融盐传热蓄热介质的制备方法，包括以下步骤：
将22.79％的硝酸钾、11.89％的硝酸钠、65.32％的硝酸钙混合并搅拌均匀，静态加热到固体全部熔融，然后保温30分钟，再自然冷却至30℃，得到所述熔融盐传热蓄热介质；所述的百分比为各组分占硝酸熔融盐传热蓄热介质原料总质量的百分比。
对本实施例制备得到的硝酸熔融盐传热蓄热介质的熔点进行测试。测试方法同实施例1。测试结果显示，熔融盐的熔点为130.78℃，较实施例2都有所降低。
对实施例1制备的熔融盐介质的热稳定性能进行测试：首先将熔融盐样品分别装在不同的刚玉坩埚中，放入温控炉进行加热，从常温开始进行实验，每隔一段时间取出实验坩埚用分析天平进行称重。如果在某一温度段内，试样的重量不再减少，则提高温控炉的温度。然后再每隔一段时间取出实验坩埚用分析天平进行称重，直到另一个稳态之后再继续升温。如此循环，一直到550℃。
将所得的数据进行处理，绘制出熔盐升温过程中的重量-温度-时间变化曲线，如图4所示。测试结果显示，当温度低于550℃时，熔融盐样品的质量损失变化较小；当温度高于550℃后，其质量损失变化较大。在550℃时，测得熔融盐样品的质量损失为3％左右。故此熔融盐样品可以在550℃下稳定运行。
其他两个实施例的熔融盐介质的重量-温度-时间变化曲线与实施例1的相似，表明本发明的硝酸熔融盐传热蓄热介质可以在550℃下稳定运行。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种硝酸熔融盐传热蓄热介质，其特征在于：是由以下质量百分比的成分制备得到：
硝酸钾：5～40％
硝酸钠：5～25％
硝酸钙：10～70％。
2.根据权利要求1所述的硝酸熔融盐传热蓄热介质，其特征在于：所述的硝酸熔融盐传热蓄热介质是由以下质量百分比的成分制备得到：
硝酸钾：22.8～33.4％
硝酸钠：11.4～20.5％
硝酸钙：49.5～65.3％。
3.权利要求1或2所述的硝酸熔融盐传热蓄热介质的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
将硝酸钾、硝酸钠、硝酸钙混合并搅拌均匀，静态加热至固体全部熔融，然后保温10～30分钟，再自然冷却至20-30℃，即得到硝酸熔融盐传热蓄热介质。
4.权利要求1或2所述的硝酸熔融盐传热蓄热介质在工业熔炉、金属淬火或太阳能热发电中的应用。
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