光热电站三元共熔氯盐热物性及热循环条件下的腐蚀行为研究

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熔融盐作为一种性能优越的传热蓄热材料已经广泛的用于聚焦式太阳能光热电站中,传统的硝酸盐存在高温下不稳定的缺点,研究高温下性能更优越的氯化盐具有重要的工程应用意义。本文以三元共熔的NaCl-KCl-CaCl2为研究对象,采用TG-DSC测试方法对其热物性和热稳定性进行了分析。在实际光热电站中存在热循环导致管道容器在熔盐中腐蚀加剧的现象,本文利用智能调温的箱式炉模拟光热电站的管道热工况,通过腐蚀失重测试、扫描电镜微观结构分析、能谱检测等方法对高温氯盐在不锈钢304中的腐蚀行为进行了研究。得到的主要研究结果如下:(1)制备了15种不同配比的三元共熔NaCl-KCl-CaCl2,发现当有两种组分含量过低时难以形成共熔熔盐或共熔效果不好,熔盐的熔点在531.86℃到562.83℃范围内波动。当氯化钠、氯化钾和氯化钙的比例为2:5:3时,熔盐的相变潜热值为154.3J/g,熔点为531.86℃,600-900℃的平均比热容为2.1J/K·g,具有较好的热物性。(2)该混合氯盐在700℃下具有良好的热稳定性,长时间高温情况下质量损失较小。经历多次吸热放热后,熔盐的熔点和凝固点几乎不变,并在经历了长时间的冷热循环后,熔盐的热流曲线趋于稳定,具有长期储热放热的能力。(3)与等温(700℃)浸没在共熔氯盐中的合金相比,热循环(500-700℃)加速了不锈钢合金的腐蚀速率。通过绘制金属质量损失和时间平方根的关系曲线,腐蚀100小时后,热循环情况下的合金腐蚀速率约为1.8mg/cm2,腐蚀失重呈现抛物线动力学;等温情况下的合金腐蚀速率为0.8mg/cm2,腐蚀失重呈现线性动力学。(4)热循环情况下氯盐腐蚀的合金表面与等温情况相比有更大面积裸露的基体组织,腐蚀层出现了明显的分层,最大腐蚀层厚度达到了 60μm。热循环加快了外部氧化层的脱落,导致氯盐更容易向内部基体渗透。(5)热循环导致合金的抗晶间腐蚀性能降低,晶界处有铬的碳化物析出。热循环和氯盐的共同作用使合金出现沿晶裂纹,晶界出有铬的氧化物生成。氯盐对不锈钢304的腐蚀以晶界腐蚀为主,Cr与Fe元素相比具有优选脱溶性是导致合金不耐氯盐腐蚀的原因。本研究提供的基础理论,对氯化盐在光热电站中的应用以及实际熔盐管道热工况下的失效问题具有广泛的应用价值。
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