镁基氯化物熔盐储热材料高温热稳定性的基础研究

Taking KCl fertilizer production tailings derived from Saline Lake as a resource for reusing them in new application fields of industrial energy saving and the large-scale utilization of renewable energy, we propose to carry out the fundamental research on three key scientific issues on thermal stablity of chloride molten salts materials at high teperature combining with the chemical, thermal and material science as well as their latest development. The proposed research includes: (a) develop a thermodynamic model to calculate chloride molten salts liquid-gas phase diagrams; (b) analysis the micro structure evolvement for illuminating the liquid-gas phase transformation of chloride molten salts; (c) study the effect of impurity in mineral salts on thermal stability of the materials. .Based on the chloride complex characteristics, the thermodynamic model of excess free energy will be established, the liquid-gas phase diagram of chlorides will be calculated and the gasification temperature will be forcasted. The radial distribution function of the components in chloride molten salts will be measured, then the microstructure evolution and the abrupt variety will be comprehended, the microcosmic essence of liquid-gas phase transformation will be revealed. The effect of impurity in molten salts on the thermal stability will be experimentally studied, and the maximum allowable amount of impurity in molten salt materials will be determined. The proposed work will provide theoretical support for increasing stability of molten salts materials, and bring innovate research prodution for the utilizition of the tailings derived from saline lake.

本项目以盐湖钾肥生产MgCl2尾矿高值资源化，促进其在工业节能和可再生能源规模化利用等能源技术中的应用为目标，针对氯化物熔盐材料高温稳定性问题，结合化学、热科学和材料科学发展趋势，拟开展复杂氯化物熔盐体系热力学模型建立和液-气相图计算、临沸温域氯化物熔盐材料结构演化与相变、矿盐中杂质离子对熔盐材料高温热稳定性影响3个方面的研究。.基于氯化物熔盐配位特性，建立过剩自由能热力学模型，采用等化学势法计算熔盐体系液-气相图，预报熔盐材料沸点；测量临沸温域熔盐材料各组元偏径向分布函数随温度变化，获得熔盐材料微结构演化和突变规律，探悉熔盐液-气相变微观本质；实验研究矿盐中杂质离子对熔盐材料热稳定性影响，确定熔盐材料中杂质离子的最大允许限量。为提高熔盐材料热稳定性提供理论支持，为尾矿弃盐高值资源化利用提供创新成果。

本项目以盐湖钾肥生产MgCl2尾矿高值资源化，促进其在工业节能和可再生能源规模化利用等能源技术中的应用为研究背景和应用目标，针对氯化物熔盐的高温储热稳定性问题，主要研究：复杂氯化物熔盐体系热力学模型建立和液-气相图计算、临沸温域氯化物熔盐材料结构演化与相变、矿盐中杂质离子对熔盐材料高温热稳定性影响。.研究了温度对氯化物偏径向分布、配位数和键角分布函数的影响。发现：氯化锂/钠/钾熔化为液体时，M—Cl间距和阳离子配位数明显减小、配位数分布均一差，键角分布宽化，预示熔体属离子缔合式。临沸温域，小缔合体占比明显增大。因此，小缔合体逸出是氯化锂/钠/钾液-气相变的本质。氯化镁熔化直至临沸温域，Mg—Cl间距基本不变、配位数为4和键角110o，预示MgCl2熔体属[MgCl4]四面体配位式。由此揭示了镁基氯化物熔盐储热过程出现NaCl蒸发而镁离子未见减少现象的本质。.基于微结构特征，采用引入电荷参数的当量分数替代摩尔分数建立热力学模型，计算出与实验相图良好吻合的计算相图。基于氯化镁结构特征，采用似化学理论计算了三元镁基熔盐体系相图，得出温度十分接近的两个转熔点和一个低共熔点，三点组成范围较宽温差15oC以内。由此，可从热力学角度阐明镁基氯化物熔盐储热过程即使组成发生变化仍能维持熔点于可接受范围的机理。.研究杂质对熔盐储热稳定性影响时发现，储热过程因MgCl2接触空气水解生成的MgO杂质，可同时提高熔盐储热密度和传热性能。加入纳米MgO可使熔盐比热提高~36%，热扩散系数提高~18%。含有MgO的熔盐比其基盐的腐蚀性明显降低。纳米MgO复合熔盐储热1000h后，虽然质量损失~25%，但其比热基本保持不变，显示良好的储热稳定性。长期储热时流体中纳米颗粒始终均匀分散未沉降，表现出良好的颗粒分散稳定性。上述研究结果，揭示了镁基氯化物熔盐高温热稳定性和结构演变对蓄热过程热性能调控的作用规律，构筑了镁基氯化物熔盐传热蓄热体系的设计理论基础