熔盐储罐泄漏特性和熔盐热稳定性与腐蚀性实验研究

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清洁能源的大规模应用对于CO2的减排十分关键,在人类实现“碳中和”的进程中起着重大作用。储能储热可以有效解决新能源利用过程中产生的“弃风弃光”问题,而熔盐储热具有的高温大容量优势使其成为储热领域中前景极佳的技术选择。大型熔盐储热系统的储罐泄漏问题不仅严重威胁安全运行,还大大掣肘了熔盐储热的推广,小型移动式熔盐蓄热器的储热介质热稳定性和腐蚀性也是决定其运行效率和使用寿命的关键性影响因素。基于上述工程背景,本文通过实验重点研究了熔盐的泄漏特性,设计了一种拦截阻隔熔盐泄漏的方法并验证了其可行性。另外,还开展了熔盐热稳定性及金属耐蚀性的相关实验研究。首先,对作为地基填料的沙砾、碎石和膨胀黏土的热性能进行了研究,实验的温度数据表明,膨胀黏土能够更好地满足地基的保温需求,地基中过多的沙砾或者碎石则会加剧储罐通过地基的热损失。Solar Salt在地基填料中的泄漏特征参数表明,熔盐的泄漏深度随着工作温度的升高而增大,且在沙砾中的泄漏深度要远低于在膨胀黏土中的泄漏深度。此外,熔盐在等比例实际储罐复合多层地基填料中泄漏后全部凝固于膨胀黏土层。接着,提出使用金属网对熔盐在地基填料中泄漏污染的范围进行控制,并通过实验系统地研究了一系列因素对其阻隔效果的影响,结果发现金属网对熔盐在地基中的泄漏能够起到明显的阻隔作用。当金属网孔径较小或者金属网布置位置距离罐底较远时,熔盐泄漏的截流比增大、扩散率减小,金属网对熔盐泄漏阻隔作用较强,尤其是金属网孔径为0.15 mm、布置深度为325 mm时,可以对熔盐泄漏形成完全阻隔。金属网的阻隔作用随着工作温度的升高而减弱,同时地基的稳态温度在泄漏后较泄漏前增加。另一方面,当熔盐泄漏质量增大时,金属网的阻隔效果也相应减弱。然后,针对二元硝酸盐(69 wt.%NaNO3-31 wt.%KNO3)的1000次长周期熔化/凝固循环过程,通过熔点和熔化潜热的变化研究了其热物理性质的稳定性。同时,通过Q235、20G、ND和304不锈钢试片失重,表面外观和微区形貌成分的表征,研究了熔盐对金属的腐蚀性。实验验证了熔盐在220-250℃温度下的热稳定性,其可以作为移动式熔盐蓄热器的储热介质,四种金属试片的平均腐蚀速率均不高于9.9 mg/(cm~2·yr),与熔盐的相容性较好。最后,对二元硝酸盐开展了1000 h长时间的高温恒温静态热稳定性与腐蚀性实验研究,发现熔盐在450℃高温环境中的热物理性质较稳定,但是与低温情况相比劣化程度较深。四种金属在450℃恒温的熔盐环境中腐蚀1000 h的平均腐蚀速率排序为ND>20G>Q235>304不锈钢,仅有304不锈钢能够满足耐蚀性要求,这是因为其表面生成致密的(Fe,Mg)(Cr,Fe)2O4保护层抑制了进一步腐蚀。
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