硝酸钙添加量以及钠钾比对熔盐热稳定性的温度依赖性影响

《Journal of Energy Storage》：Temperature-dependent effects of calcium nitrate addition and sodium/potassium ratio on the thermal stability of molten salts

熔盐热稳定性优化研究：添加5%钙硝酸盐和调整NaNO3/KNO3比例可显著提升550-650℃下熔盐的耐热分解性能，过量钙硝酸盐引发CaO沉淀加速分解，不同温度下最佳比例分别为3:1、1.5:1和1:3。

　　在当今全球能源转型的背景下，集中式太阳能发电（CSP）系统正逐步成为可再生能源的重要组成部分。这类系统依赖于高效的热能储存技术，而熔盐作为热能储存介质因其良好的热稳定性、低蒸气压和在高温下的适用性而受到广泛关注。然而，随着第三代CSP技术对高温循环能力提出更高要求，熔盐面临更为严峻的运行环境。因此，如何提升熔盐的分解温度并优化其热稳定性成为当前研究的重点。

本研究聚焦于一种以硝酸钙为第三组分的三元硝酸盐熔盐体系，探讨钙硝酸盐添加量与NaNO?:KNO?比例对熔盐热稳定性的影响。通过在550℃、600℃和650℃条件下进行热冲击和热重损失测试，系统评估了熔盐在不同温度下的性能表现。此外，利用热重分析-质谱联用技术（TG-MS）进一步解析了高钙配方熔盐的分解机制。研究结果表明，在所选范围内，5%的钙硝酸盐添加量是最佳选择。当钙硝酸盐添加量超过5%时，会引发CaO的析出，从而加快熔盐的热分解过程。

NaNO?:KNO?比例对熔盐的热稳定性具有显著影响。实验发现，当该比例为3:1、1.5:1和1:3时，熔盐在550℃、600℃和650℃下分别表现出最佳的热稳定性。这一比例与温度之间的反向关系凸显了KNO?在高温条件下维持熔盐热稳定性中的关键作用。研究结果不仅揭示了熔盐体系在不同组分比例下的热稳定性变化趋势，还为CSP系统中熔盐的设计提供了理论依据和实践指导。

为了进一步理解熔盐体系的热稳定性，本研究还分析了不同组分对熔盐性能的影响。在选择候选材料时，考虑了碱金属和碱土金属的硝酸盐，如Li?、Rb?、Cs?、Mg2?、Ca2?、Sr2?和Ba2?。然而，由于Li?、Rb?和Cs?硝酸盐的合成成本较高，以及Mg2?硝酸盐在脱水过程中存在水解不稳定性，这些材料被排除在研究范围之外。而Sr2?和Ba2?硝酸盐则由于其在熔盐体系中可能引发的相分离现象，也被视为关键限制因素。因此，研究主要集中在Ca2?硝酸盐与其他硝酸盐的混合体系中。

在热冲击测试中，本研究采用严格的温度循环条件，以避免因温度变化过快导致实验设备损坏。测试过程中，温度循环范围设定为300–600℃，升温与降温速率控制在5℃/min以内。这种测试方法能够有效评估熔盐在极端温度变化下的热稳定性表现。通过重复施加高温冲击，研究观察到熔盐在不同组分比例下的热响应特性。实验结果表明，熔盐的热稳定性与其组成比例密切相关，尤其在高温条件下，KNO?的比例对维持熔盐的稳定性具有决定性作用。

此外，本研究还采用扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）和X射线衍射（XRD）等手段对熔盐样品进行了微观结构分析。这些分析方法有助于揭示熔盐在高温下的微观变化过程，从而进一步理解其热稳定性机制。研究发现，随着钙硝酸盐添加量的增加，熔盐的热分解温度逐渐降低，且在高温下出现CaO析出的现象。这表明，钙硝酸盐的添加虽然在一定程度上提升了熔盐的热稳定性，但其含量过高会对熔盐的性能产生负面影响。

另一方面，NaNO?:KNO?比例的调整对熔盐的热稳定性有显著影响。当比例为3:1时，熔盐在550℃下表现出较高的热稳定性；而比例为1.5:1时，熔盐在600℃下的稳定性最佳；当比例为1:3时，熔盐在650℃下的稳定性达到峰值。这一现象表明，随着KNO?比例的增加，熔盐的热稳定性在高温下有所改善。然而，KNO?的添加也对熔盐的热分解温度产生影响，需要在优化热稳定性的同时，合理控制其比例。

本研究的实验结果不仅为熔盐体系的设计提供了依据，也为CSP系统中热能储存技术的优化提供了新的思路。通过系统分析不同组分比例对熔盐热稳定性的影响，研究揭示了熔盐体系在高温下的性能变化规律。这些发现对于提高熔盐的热稳定性、延长其使用寿命以及提升CSP系统的整体效率具有重要意义。

此外，研究还强调了熔盐在高温下的热稳定性对其长期应用的重要性。熔盐的热稳定性不仅影响其在CSP系统中的性能表现，还直接关系到系统的安全性和可靠性。因此，如何在不同温度条件下优化熔盐的热稳定性成为当前研究的核心任务。本研究通过实验验证了钙硝酸盐添加量和NaNO?:KNO?比例对熔盐热稳定性的影响，为未来熔盐体系的开发提供了理论支持。

在实际应用中，熔盐的热稳定性不仅需要通过实验手段进行评估，还需要结合理论模型进行深入分析。本研究通过综合运用多种实验方法，对熔盐体系的热稳定性进行了系统研究。这些研究结果不仅有助于理解熔盐在高温下的分解机制，还为熔盐体系的优化设计提供了重要的参考依据。研究还指出，熔盐的热稳定性与其组成比例密切相关，因此在设计熔盐体系时，需要综合考虑各组分的热性能和稳定性。

研究还表明，熔盐体系的热稳定性不仅受组分比例的影响，还受到其他因素的制约，如合成工艺、储存条件和运行环境。因此，在实际应用中，需要综合考虑这些因素，以确保熔盐体系在高温下的稳定性。此外，研究还强调了熔盐体系在长期运行中的性能变化，指出熔盐的热稳定性可能会随着时间推移而发生变化，因此需要定期进行性能评估和优化。

总的来说，本研究通过系统的实验和分析，揭示了钙硝酸盐添加量和NaNO?:KNO?比例对熔盐热稳定性的影响规律。研究结果不仅为熔盐体系的设计提供了理论依据，还为CSP系统中热能储存技术的优化提供了实践指导。这些发现对于推动可再生能源技术的发展、提高熔盐的热稳定性以及延长其使用寿命具有重要意义。