鎂基氯化物熔鹽儲熱材料高溫熱穩定性的基礎研究

《鎂基氯化物熔鹽儲熱材料高溫熱穩定性的基礎研究》是依託華南理工大學，由魏小蘭擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：鎂基氯化物熔鹽儲熱材料高溫熱穩定性的基礎研究
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：魏小蘭
• 依託單位：華南理工大學

項目摘要

本項目以鹽湖鉀肥生產MgCl2尾礦高值資源化，促進其在工業節能和可再生能源規模化利用等能源技術中的套用為目標，針對氯化物熔鹽材料高溫穩定性問題，結合化學、熱科學和材料科學發展趨勢，擬開展複雜氯化物熔鹽體系熱力學模型建立和液-氣相圖計算、臨沸溫域氯化物熔鹽材料結構演化與相變、礦鹽中雜質離子對熔鹽材料高溫熱穩定性影響3個方面的研究。.基於氯化物熔鹽配位特性，建立過剩自由能熱力學模型，採用等化學勢法計算熔鹽體系液-氣相圖，預報熔鹽材料沸點；測量臨沸溫域熔鹽材料各組元偏徑向分布函式隨溫度變化，獲得熔鹽材料微結構演化和突變規律，探悉熔鹽液-氣相變微觀本質；實驗研究礦鹽中雜質離子對熔鹽材料熱穩定性影響，確定熔鹽材料中雜質離子的最大允許限量。為提高熔鹽材料熱穩定性提供理論支持，為尾礦棄鹽高值資源化利用提供創新成果。

結題摘要

本項目以鹽湖鉀肥生產MgCl2尾礦高值資源化，促進其在工業節能和可再生能源規模化利用等能源技術中的套用為研究背景和套用目標，針對氯化物熔鹽的高溫儲熱穩定性問題，主要研究：複雜氯化物熔鹽體系熱力學模型建立和液-氣相圖計算、臨沸溫域氯化物熔鹽材料結構演化與相變、礦鹽中雜質離子對熔鹽材料高溫熱穩定性影響。 研究了溫度對氯化物偏徑向分布、配位數和鍵角分布函式的影響。發現：氯化鋰/鈉/鉀熔化為液體時，M—Cl間距和陽離子配位數明顯減小、配位數分布均一差，鍵角分布寬化，預示熔體屬離子締合式。臨沸溫域，小締合體占比明顯增大。因此，小締合體逸出是氯化鋰/鈉/鉀液-氣相變的本質。氯化鎂熔化直至臨沸溫域，Mg—Cl間距基本不變、配位數為4和鍵角110o，預示MgCl2熔體屬[MgCl4]四面體配位式。由此揭示了鎂基氯化物熔鹽儲熱過程出現NaCl蒸發而鎂離子未見減少現象的本質。 基於微結構特徵，採用引入電荷參數的當量分數替代摩爾分數建立熱力學模型，計算出與實驗相圖良好吻合的計算相圖。基於氯化鎂結構特徵，採用似化學理論計算了三元鎂基熔鹽體系相圖，得出溫度十分接近的兩個轉熔點和一個低共熔點，三點組成範圍較寬溫差15oC以內。由此，可從熱力學角度闡明鎂基氯化物熔鹽儲熱過程即使組成發生變化仍能維持熔點於可接受範圍的機理。 研究雜質對熔鹽儲熱穩定性影響時發現，儲熱過程因MgCl2接觸空氣水解生成的MgO雜質，可同時提高熔鹽儲熱密度和傳熱性能。加入納米MgO可使熔鹽比熱提高~36%，熱擴散係數提高~18%。含有MgO的熔鹽比其基鹽的腐蝕性明顯降低。納米MgO複合熔鹽儲熱1000h後，雖然質量損失~25%，但其比熱基本保持不變，顯示良好的儲熱穩定性。長期儲熱時流體中納米顆粒始終均勻分散未沉降，表現出良好的顆粒分散穩定性。上述研究結果，揭示了鎂基氯化物熔鹽高溫熱穩定性和結構演變對蓄熱過程熱性能調控的作用規律，構築了鎂基氯化物熔鹽傳熱蓄熱體系的設計理論基礎