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钢渣作为太阳能光热发电蓄热材料的研究

王一竹  
【摘要】:太阳能光热发电系统可以使用蓄热材料,提高太阳能光热发电的效率,但传统的熔盐式蓄热设备成本昂贵,占系统造价的15-25%。钢渣是钢铁生产中的副产品,含有大量金属氧化物,导热率较高。开发钢渣作为太阳能光热发电蓄热材料,可以节约太阳能发电成本,实现钢渣资源化利用,提高经济和环境效益。槽式光热发电技术是太阳能光热发电最广泛使用的技术,工作温度为20-400℃。本实验研究中国(c钢渣)和西班牙(s钢渣)的两种电弧炉钢渣,测试钢渣的热稳定性、相组成、微观结构、比热容、导热率、摩擦等性能,探究其作为蓄热材料在槽式光热发电技术中的应用。本文使用热重分析法,测量两种钢渣在100℃-1000℃的热稳定性。使用X射线衍射分析法,检测热重实验前后钢渣相的改变。使用激光闪射法测量室温到500℃,两种钢渣的比热容、热扩散系数和导热率等热物理性能。钢渣作为蓄热材料,由于工作环境冷热交替,存在膨胀导致的基础摩擦。本实验使用高温销盘旋转摩擦机,模拟钢渣在蓄热过程中产生的摩擦。分别在摩擦气氛为真空,温度从室温到400℃和摩擦气氛为空气,温度为800℃进行摩擦实验,评估温度对钢渣样品摩擦学性能的影响。使用电子扫描显微镜观察磨损前后的钢渣接触面,探究钢渣的高温磨损机理。研究发现,c钢渣和s钢渣在1000℃以下保持稳定。热重实验前后,c钢渣和s钢渣的相组成发生变化,热重实验后两种钢渣的微观结构更加稳定。从室温到500℃,两种钢渣的比热容随着温度的升高而增加。温度为500℃时,c钢渣比热容为0.975 J/g·K,s钢渣的比热容0.858 J/g·K。由于钢渣成分复杂,两种钢渣的导热率随着温度的升高呈现出不同的变化规律。温度为500 ℃时,c钢渣的导热率为1.753 W/(m·K),s钢渣的导热率为1.736 W/(m·K)。与太阳能光热发电站中广泛使用或研究的蓄热材料的热性能进行比较,c钢渣和s钢渣具有密度大、导热率高、比热容较高等优点。摩擦气氛为真空,温度为400℃时,c钢渣的摩擦系数为0.54,磨损率为8.44×10-7g/N.m;s钢渣的摩擦系数为0.46,磨损率为55.46×10-7g/N·m。与太阳能光热发电站广泛使用或研究的陶瓷和混凝土等固体蓄热材料的摩擦系数相比,c钢渣和s钢渣的摩擦系数较低,摩擦性能较好。摩擦气氛为空气,温度800℃时,c钢渣的摩擦系数为0.343,s钢渣的摩擦系数为0.312,实验前后两种钢渣的质量无明显变化。与摩擦气氛为真空,温度为400℃时两种钢渣的摩擦系数相比,c钢渣和s钢渣在工作气氛为空气,温度为800℃时的摩擦系数较低,可能是钢渣中的金属元素与空气中氧气反应,生成的氧化膜,降低摩擦。高温摩擦实验后,c钢渣磨和s钢渣的磨损表面可以观察到孔隙、裂痕和碎片,表明这两种钢渣的高温磨损机理是粘着磨损和磨粒磨损。使用ANSYS软件,对销盘接触模型的应力分布进行静态三维有限元分析,销子表面受到最大应力。


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