CN107033852A

CN107033852A - 一种低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体

Info

Publication number: CN107033852A
Application number: CN201710329169.5A
Authority: CN
Inventors: 吴玉庭; 李英; 马重芳
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Hebei jingkuang New Energy Technology Co., Ltd
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2017-08-11
Anticipated expiration: 2037-05-11
Also published as: CN107033852B

Abstract

一种低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体，属于高新技术中物理传热储能技术领域。是由低成本、低熔点二元混合熔盐与纳米粒子复合制成；所述低熔点混合熔盐主要由硝酸钾和硝酸钙组成；所述纳米粒子种类为SiO₂、Al₂O₃、TiO₂、MgO纳米粒子中的一种或几种。本发明制备的新型低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体的为127.4℃，分解温度为574.2℃，新型低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体的比热约为1.73～1.91J/(g·K)，其显热蓄热成本约为23.23元/(kW·h)，其导热系数约为0.664W/(m·K)。相对于低熔点二元混合熔盐，其使用温度范围并未发生较大改变，但其比热有明显提高，提高率约17.8％。

Description

一种低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体

技术领域

本发明涉及一种用于中高温传热蓄热的混合熔盐的配方，属于高新技术中物理传热储能技术领域。

背景技术

能源是人类生存和社会发展的物质基础，是经济发展和繁荣的最重要的因素。在世界能源消费急剧增长而化石资源消耗迅速、环境问题日趋严峻的今天，发展节能与清洁能源技术刻不容缓。

由于规模化可再生能源存在间歇性和不能稳定供应等缺陷，能源的供应和需求之间，往往存在数量上、形态上和空间上的差异，不能满足工业化大规模连续功能的要求。储能作为能源利用的重要环节，对工业节能和可再生能源利用具有特别重要的作用。已有储能技术包括抽水蓄能、压缩空气储能、蓄热、飞轮储能、超导磁储能、铅酸电池储能等，而除前3种物理储能技术的单机容量可以达到或超过100MW规模外，其它储能技术均在10MW甚至1MW规模以下，且这三种物理储能技术具有运行费用低(不超过100$/kWh)、规模大、循环奉命长及已经实现了商业化应用等优点，其中，蓄热是仅次于抽水蓄能得到大规模应用的储能技术，具有很好的发展前景。

工业是我国最大的终端用能消费部门，是当前节能潜力最大的领域。我国的工业窑炉的热效率相当低下，一般为20％～30％，工业各种余热的平均回收利用率远远低于国外先进水平，主要原因之一是间歇式高品质余热没有得到有效利用。工业过程间断性余热由于其产生过程的不连续未被很好的利用，而节能降耗的有效方法之一就是采用高温蓄热技术来存储间歇高温余能并稳定使用，不仅可以有效提高能源使用效率，还使系统和设备的体积大大减小。

核电是目前现实有效、可大规模替代化石能源的优质、高效能源，它不仅温室气体和污染物排放非常小，而且具有成本优势。核电的发展，对于天然铀的需求将持续增加，有预测表明未来十年全球天然铀的供需缺口仍将存在。为了确保核能长期应用，需开发能够代替铀且储量充足的核原料。因此，在确保安全利用核能的同时，也需要积极努力地研究开发新的核能技术，使得反应堆的固有安全性更高，燃料处理更加安全。21世纪初，国际上提出了面向未来的第四代反应堆的开发计划，并成立了第四代国际核能论坛(GIF)，进行合作研究开发第四代核能系统。在第四代反应堆中，以熔盐作为燃料剂和冷却剂的熔盐堆改变了堆芯物理设计的思路，是唯一采用液态燃料的反应堆。

聚光型太阳能热发电(CSP)是最有可能跟风力发电、水力发电一样产生能与化石燃料经济上相竞争的大量电能，被认为是可再生能源发电中最有前途的发电方式，有可能成为将来的主力能源。太阳能热发电结合大规模蓄热成为电网大规模提供灵活电力供应和服务的第一选择。蓄热系统的工作温度直接决定了发电系统的工作效率，因此，降低蓄热系统造价和提高储热材料性能是实现高效、规模化、低成本太阳能热发电技术的关键。而采用适宜的熔融盐作为传热蓄热介质，可以有效提升太阳能热发电系统的性能。它既能作为储热材料，也可以直接作为传热流体，简化了换热环节，实现传热储热一体化。因此，熔融盐技术成为当前探索提高太阳能热发电效率、降低发电成本的一个重要研究方向。

综上所述，电网储能、工业余热利用、核电、以及太阳能热发电等领域均需要高温传热蓄热工质。由于熔融盐具有广泛的使用温度范围、低蒸汽压、低粘度及成本低等优势，且具有较多的传热蓄热实验系统的成功经验，其俨然已成为蓄热系统中高温传热蓄热工质的良好选择。然而，在实际应用时，单一组分熔盐由于熔点高，引起能耗多而不适合单独使用，经常使用的是混合熔盐以达到降低熔点的目的。混合熔盐不受组分和比例的限制，在研究其结构和物性特征时，共晶盐是优先被选用的，而不同共晶混合熔盐的成分和比例具有不同的热物性。此外，熔盐蓄热目前主要基于显热蓄热技术，其显热储能密度与储能材料的比热容、温度变化成正比。储能密度是影响熔盐大规模应用的关键指标，它在减小蓄热体积，提高蓄热性能、降低运行成本等方面发挥着重要作用。因此，对使用温度范围宽、高比热熔的新型混合熔盐的制备和热物性的深入研究具有重大的学术意义和应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提高低熔点混合熔盐的比热，从而提高系统蓄能密度、增强系统蓄热能力和传热效率，降低太阳能热发电及工业蓄热成本。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种新型低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体，其特征在于：它是由低成本、低熔点二元混合熔盐与纳米粒子复合制成；所述低熔点混合熔盐主要由硝酸钾和硝酸钙组成；所述纳米粒子为金属氧化物或非金属氧化物的纳米粒子。

所述低熔点二元混合熔盐，各成分的质量百分比含量分别为：40～50wt％硝酸钙，50-60wt％硝酸钾。

所述纳米粒子种类为SiO₂、Al₂O₃、TiO₂、MgO纳米粒子中的一种或几种，粒径为10～60nm。

所述纳米粒子添加比例为所述低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体总质量的0.25％～2％。

本发明的新型低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体在工业蓄能和太阳能光热发电中应用。

新型低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体的具体制备步骤如下：

按各成分的质量百分比含量制备由硝酸钾和硝酸钙组成的低成本、低熔点二元混合熔盐，加热搅拌均匀放入马弗炉中加热至熔融状态；将纳米粒子按比例加入到熔融的低成本、低熔点二元混合熔盐中，搅拌该熔融混合物50～70min，搅拌均匀后自然冷却，得到均匀稳定新型低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体。

发明的有益效果在于：

1、本发明技术方案制备的新型低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体的熔点较低(熔点范围为：120～130℃)，分解温度较高(分解温度范围：560～600℃)，其应用在太阳能热发电系统中，将大大降低传热蓄热系统的成本，简化系统初始运行程序，不需要特殊的加热设备来防止熔盐的冻堵，增加了整个系统的安全稳定性。

2、本发明技术方案制备的新型低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体，比热、导热系数有明显提高，传热蓄热能力好，可广泛应用于传热蓄热技术领域。

3、本发明技术方案制备的新型低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体，粘度有明显降低，有利于降低太阳能热发电熔盐传热管路系统的阻力和成本。

附图说明

图1SiO₂低熔点熔盐纳米流体的DSC曲线。

(低熔点二元混合熔盐：SiO₂纳米粒子＝99wt％:1wt％)

图2SiO₂低熔点熔盐纳米流体的TG曲线。

图3SiO₂低熔点熔盐纳米流体的比热曲线。

图4SiO₂低熔点熔盐纳米流体的密度曲线。

图5SiO₂低熔点熔盐纳米流体的导热系数曲线。

图6SiO₂低熔点熔盐纳米流体的粘度曲线。

具体实施方式

本发明提供一系列用做传热蓄热系统中低熔点熔盐纳米流体配方，该配方主要是由低成本、低熔点二元混合熔盐与纳米粒子复合制成，其中低成本、低熔点二元混合熔盐主要由硝酸钾和硝酸钙组成；所述低熔点混合熔盐，各成分的质量百分比含量分别为：47wt％硝酸钙，53wt％硝酸钾。所述纳米粒子种类为SiO₂，粒径为10～60nm。所述纳米粒子添加比例为所述新型低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体总质量的0.25％～2％。低熔点混合熔盐的熔点为116.9℃，分解温度为569.7℃，其在液态时比热为1.4～1.6J/(g·K)左右。在低熔点混合熔盐中添加纳米粒子后，其熔点与分解温度变化较小，但比热和导热系数会有较大提高，粘度有所降低。

按各成分的质量百分比含量制备由硝酸钾和硝酸钙组成的低成本、低熔点二元混合熔盐，加热搅拌均匀放入马弗炉中加热至熔融状态。

将纳米粒子按比例加入熔融的新型低成本、低熔点二元混合熔盐中，使用磁力搅拌器搅拌该熔融混合物50～70min，搅拌均匀后自然冷却，得到均匀稳定新型低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体。

实施例1

该种新型低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体由99wt％低熔点二元熔盐及1wt％SiO₂纳米粒子组成，其中该低熔点二元熔盐由53wt％硝酸钾和47wt％硝酸钙组成，SiO₂纳米粒子粒径为20nm。采用DSC(差示扫描量热技术)测试分析新型低成本、低熔点熔盐纳米流体的熔点，通过TG(热重)分析其分解温度，采用DIN51007标准方法分析其比热。结果显示，其熔点为127.4℃，分解温度为574.2℃，该配方低熔点熔盐纳米流体液态时比热约为1.73～1.91J/(g·K)，其显热蓄热成本约为23.23元/(kW·h)，其平均导热系数约为0.664W/(m·K)，其密度在1.834～2.047g/cm³范围内变化，其粘度值在1.43～2.53mPa·s范围内变化。图1为该样品的DSC曲线。图2为该样品的TG曲线。图3为该样品的比热测试结果。图4为该样品的密度曲线。图5为该样品的导热系数曲线。图6该样品的粘度曲线。

与纯低熔点二元混合熔盐相比，该配方低熔点熔盐纳米流体的熔点提高约10℃，分解温度未发生较大变化，具有较宽的使用温度范围。

纯低熔点二元混合熔盐在液态时，比热约为1.4～1.6J/(g·K)，该配方低熔点熔盐纳米流体相对于纯低熔点二元混合熔盐，比热平均提高率为17.8％。

新型熔盐纳米流体的密度随温度升高而降低，在1.834～2.047g/cm³范围内变化。在低熔点二元盐中加入纳米粒子后，其密度明显升高。

新型熔盐纳米流体的导热系数主要在0.5～0.75W/(m·K)范围内波动，且明显高于基盐的导热系数。新型熔盐纳米流体的导热系数提升率在20％以上，可见纳米粒子可显著提高熔盐的导热系数。

新型熔盐纳米流体的粘度值在1.43～2.53mPa·s范围内变化，且随着温度的升高呈降低趋势。

本发明保护范围不限于上述实施例，凡是依据本发明技术原理所做的技术变形均落入本发明的保护范畴。

Claims

1.一种低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体，其特征在于：是由低成本、低熔点二元混合熔盐与纳米粒子复合制成；所述低熔点混合熔盐主要由硝酸钾和硝酸钙组成；所述纳米粒子为金属氧化物或非金属氧化物的纳米粒子。

2.按照权利要求1一种低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体，其特征在于：所述低熔点混合熔盐，各成分的质量百分比含量分别为：40～50wt％硝酸钙，50-60wt％硝酸钾。

3.按照权利要求2一种低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体，其特征在于：47wt％硝酸钙，53wt％硝酸钾。

4.按照权利要求1一种低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体，其特征在于：所述纳米粒子种类为SiO₂、Al₂O₃、TiO₂、MgO纳米粒子中的一种或几种，粒径为10-60nm。

5.按照权利要求1一种低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体，其特征在于：所述纳米粒子添加比例为所述低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体总质量的0.25％-2％。

6.制备权利要求1-5任一项所述的低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体的方法，其特征在于：按各成分的质量百分比含量制备由硝酸钾和硝酸钙组成的低成本、低熔点二元混合熔盐，加热搅拌均匀放入马弗炉中加热至熔融状态；将纳米粒子按比例加入到熔融的低成本、低熔点二元混合熔盐中，搅拌该熔融混合物50～70min，搅拌均匀后自然冷却，得到均匀稳定新型低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体。

7.权利要求1-5任一项所述的低熔点二元硝酸混合熔盐纳米流体的应用，用于工业蓄能和太阳能光热发电。