鉀石鹽太陽(yáng)池集熱和儲(chǔ)熱性能研究

陳得清，趙啟文，湯毅慧

(青海大學(xué)化工學(xué)院，青海 西寧 810016)

鹽梯度太陽(yáng)池(Salt Gradient Solar Pond，SGSP)是一種溶液密度沿垂直方向上低下高、呈梯度分布的鹽水池，具有吸收和儲(chǔ)存太陽(yáng)能的功能。鹽梯度太陽(yáng)池能長(zhǎng)時(shí)期、跨季度蓄熱[1-2]，具有潛在的應(yīng)用前景。中國(guó)鉀資源短缺，僅占世界鉀資源儲(chǔ)量的2%左右，資源條件制約了中國(guó)鉀鹽產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3]。柴達(dá)木盆地是中國(guó)重要的鉀肥生產(chǎn)基地，每年生產(chǎn)氯化鉀時(shí)排放上千萬(wàn)噸含鉀2%～7%的尾礦[4]，對(duì)這部分低品位鉀資源的有效利用，是我國(guó)鉀資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)的重要手段之一。利用加水分解尾礦得到含鉀溶液，通過(guò)鹽田灘曬制取鉀石鹽和光鹵石，其中光鹵石再次用水分解得到鉀石鹽，然后以鉀石鹽為原料，采用熱溶結(jié)晶法生產(chǎn)氯化鉀，該工藝在實(shí)際應(yīng)用中存在能耗高，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重等問(wèn)題[5-8]。王士平等[9]提出將太陽(yáng)池與熱溶結(jié)晶法耦合，利用柴達(dá)木盆地豐富的太陽(yáng)能和鹽湖資源以鉀石鹽太陽(yáng)池聚集太陽(yáng)能，用于熱溶結(jié)晶法制取氯化鉀過(guò)程所需的熱能[10]。楊先等[11]，吳丹等[12]研究了海水、制鹽廢鹵、氯化鈉、碳酸鈉、氯化鎂等不同工作介質(zhì)，以及底部添加多孔介質(zhì)的太陽(yáng)池、不同結(jié)構(gòu)形式的太陽(yáng)池、以及太陽(yáng)池在發(fā)電、制鹽、供暖等方面應(yīng)用[13-14]，但對(duì)鉀石鹽太陽(yáng)池集熱和儲(chǔ)熱性能缺少系統(tǒng)的研究。為此本文通過(guò)試驗(yàn)考察不同光照時(shí)間、下對(duì)流層厚度、鹽梯度層厚度對(duì)鉀石鹽太陽(yáng)池下對(duì)流層溫度、集熱量、儲(chǔ)熱量和熱效率影響，以期為鉀石鹽太陽(yáng)池設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行、維護(hù)提供理論參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料、試劑及儀器

(1)原料。采自青海鹽湖工業(yè)股份公司鉀肥生產(chǎn)排放的尾鹽制得的光鹵石礦試樣，經(jīng)加水分解除鎂制得鉀石鹽，然后配制不同濃度的鉀石鹽溶液灌注太陽(yáng)池。經(jīng)檢測(cè)分解制得的鉀石鹽主要組成見(jiàn)表1。

表1鉀石鹽主要組成

(2)試劑。酚酞指示劑，5%鉻酸鉀指示劑，鉻黑T指示劑，鈣指示劑、0.2 mol/L EDTA溶液，400 g/L NaOH溶液，pH為10的NH3-NH4Cl緩沖溶液，0.1 mol/L硝酸銀溶液，15 g/L四苯硼鈉溶液及1.5 g/L四苯硼鈉溶液。

(3)儀器。自制取樣器，HID-100W-6 000K氙燈，JJ-1精密增力電動(dòng)攪拌器，SHB-III循環(huán)水式多用真空泵，BSA124 S-CW電子天平，NDJ - 8S旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)，DRE-II快速導(dǎo)熱儀，LH - Y28鹽度計(jì)，ORION AQ4 500濁度儀，Survey 100太陽(yáng)能輻照度測(cè)試儀，F(xiàn)iveEasy Plus型pH計(jì)，MB23水分分析儀及溫度傳感器。

1.2 檢測(cè)方法

Ca2+、Mg2+采用EDTA滴定法測(cè)定；Cl-采用銀量法測(cè)定；K+采用四苯硼鈉重量法測(cè)定；Na+采用差減法計(jì)算；水分采用水分分析儀測(cè)定；采用手持式鹽度計(jì)測(cè)定鹽度；采用濁度儀測(cè)定濁度；采用pH計(jì)測(cè)定pH；采用重量法測(cè)定密度；采用快速導(dǎo)熱儀測(cè)定導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容；采用太陽(yáng)能輻照度測(cè)試儀測(cè)定輻射強(qiáng)度。

1.3 試驗(yàn)裝置

采用內(nèi)徑為45 cm、高為46 cm的保溫桶，搭建一個(gè)模擬太陽(yáng)池。太陽(yáng)池的底部用泡沫板保溫，太陽(yáng)池內(nèi)壁及底部粘貼黑色耐腐蝕塑料薄膜，太陽(yáng)池中間放置一個(gè)取樣器，取樣器上沿高度方向每間隔5 cm固定一個(gè)溫度傳感器和取樣管。不同條件下構(gòu)建太陽(yáng)池時(shí)，先用濃度28°Bé的鉀石鹽溶液直接灌注太陽(yáng)池底部的下對(duì)流層(Lower Convective Zone，LCZ)；然后用濃度20°Bé的鉀石鹽溶液水平灌注鹽梯度層(Non-Convective Zone，NCZ)，采用水平布液器加蠕動(dòng)泵緩慢灌注；最后用清水水平灌注上對(duì)流層(Upper Convective Zone，UCZ)。灌注完成后靜置12 h，抽取各層溶液檢測(cè)密度，若形成明顯的密度梯度則表明構(gòu)建成功，可以進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)方法

太陽(yáng)池正常運(yùn)行情況下，重點(diǎn)考查光照時(shí)間8、12、24 h，下對(duì)流層厚度12、17、22 cm及鹽梯度層厚度9、14、19 cm對(duì)鉀石鹽太陽(yáng)池集熱和儲(chǔ)熱性能的影響。

1.5 數(shù)據(jù)采集與計(jì)算方法

每隔一定時(shí)間，通過(guò)溫度傳感器采集太陽(yáng)池內(nèi)不同深度溶液的溫度，通過(guò)取樣器抽取不同深度溶液，檢測(cè)其密度及離子組成，采用太陽(yáng)能輻照度測(cè)試儀測(cè)定輻射強(qiáng)度。

集熱量Qc的計(jì)算[15]公式：

Qc=CLmL(Tt+Δt-Tt)

(1)

式中：CL為L(zhǎng)CZ溶液比熱容(J/kg/ ℃)；mL為L(zhǎng)CZ溶液總質(zhì)量(kg)；Tt和Tt+Δt分別為L(zhǎng)CZ溶液在t時(shí)間點(diǎn)和間隔Δt時(shí)間后太陽(yáng)池溫度( ℃)。

儲(chǔ)熱量Qs的計(jì)算公式：

Qs=CLmL(Tt-T0)

(2)

式中：T0為L(zhǎng)CZ溶液的初始溫度( ℃)；Tt為t時(shí)刻的溫度( ℃)。

太陽(yáng)池?zé)嵝师牵?/p>

(3)

式中：It和It+Δt分別為t時(shí)刻和間隔時(shí)間Δt后的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度(W/m2)；As為太陽(yáng)池的表面積(m2)；Δt為照射開(kāi)始至照射結(jié)束的時(shí)間間隔(h)。

圖1 太陽(yáng)池密度分布Fig.1 Density distribution of solar pond

2 結(jié)果與分析

2.1 鉀石鹽太陽(yáng)池構(gòu)建結(jié)果

在上對(duì)流層厚度40 mm、鹽梯度層厚度190 mm及下對(duì)流層厚度220 mm條件下構(gòu)建的鉀石鹽太陽(yáng)池，靜置12 h后，測(cè)得的密度分布見(jiàn)圖1，由圖1可知，太陽(yáng)池內(nèi)溶液密度顯著呈三層分布，表明分三層水平灌注構(gòu)建太陽(yáng)池的方法可行。后續(xù)試驗(yàn)中均按此方法成功構(gòu)建了不同條件的太陽(yáng)池。

灌注太陽(yáng)池各層溶液的主要參數(shù)見(jiàn)表2，濁度均在5 NTU以下，各層濃度也滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，溶液符合灌注要求。

表2太陽(yáng)池三層溶液主要參數(shù)

2.2 光照時(shí)間對(duì)太陽(yáng)池性能的影響

每天不同光照時(shí)間下運(yùn)行鉀石鹽太陽(yáng)池時(shí)，下對(duì)流層溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖2所示。隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，下對(duì)流層溫度逐步升高，每天光照時(shí)間越長(zhǎng)達(dá)到穩(wěn)定需要的時(shí)間越短，穩(wěn)定時(shí)溫度越高。如每天光照8 h的太陽(yáng)池，LCZ溫度6 d后趨于穩(wěn)定，最高溫度為35.7 ℃；每天光照12 h的太陽(yáng)池5 d后趨于穩(wěn)定，最高溫度為44.5 ℃；24 h連續(xù)光照的太陽(yáng)池4 d后趨于穩(wěn)定，最高溫度達(dá)到55.7 ℃；每天的熱效率、集熱量及儲(chǔ)熱量隨時(shí)間的變化關(guān)系分別如圖3、圖4及圖5所示。隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)熱效率、集熱量先快速上升然后下降，儲(chǔ)熱量呈現(xiàn)先快后慢的上升趨勢(shì)，每天光照時(shí)間越長(zhǎng)，熱效率、集熱量、儲(chǔ)熱量上升或下降的速度越快。太陽(yáng)池運(yùn)行初期，照射8 h集熱量為933.68 kJ/h，照射12 h集熱量為1 137.39 kJ/h，照射24 h集熱量為1 595.74 kJ/h，但隨著下對(duì)流層溫度升高，每天的集熱量會(huì)降低，而且與環(huán)境溫差越大，下降速度會(huì)越快，直到穩(wěn)定時(shí)每天的集熱量降到最小。

圖2 不同光照時(shí)間下對(duì)流層溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.2 Variation of temperature of LCZ under the different illumination time

圖3 不同光照時(shí)間下對(duì)流層熱效率隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.3 Variation of thermal efficiency of LCZ under the different illumination time

圖4 不同光照時(shí)間下對(duì)流層每天集熱量隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.4 Variation of daily heat collection of LCZ under the different illumination time

圖5 不同光照時(shí)間下對(duì)流層儲(chǔ)熱量隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.5 Variation of heat storage of LCZ under the different illumination time

2.3 下對(duì)流層厚度對(duì)太陽(yáng)池性能的影響

不同LCZ層厚度下運(yùn)行鉀石鹽太陽(yáng)池時(shí)，下對(duì)流層溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖6，隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)下對(duì)流層溫度逐步升高，LCZ層厚度為17 cm時(shí)，太陽(yáng)池達(dá)到的最高溫度為38.1 ℃；LCZ層厚度為12 cm時(shí)，太陽(yáng)池達(dá)到的最高溫度為35.8 ℃；LCZ層厚度為22 cm時(shí)，太陽(yáng)池達(dá)到的最高溫度為35.7 ℃。每天的熱效率隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖7、集熱量隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖8，儲(chǔ)熱量隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖9。隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)熱效率、每天的集熱量先快速上升后下降，儲(chǔ)熱量呈現(xiàn)先快后慢的上升趨勢(shì)。由圖可以看出，下對(duì)流層厚度越厚升溫越慢，厚度越薄升溫越快。每天集熱量、熱效率隨太陽(yáng)池運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)先快速上升后緩慢下降，下對(duì)流層厚度越厚變化趨勢(shì)越慢，儲(chǔ)熱量先快后慢逐漸增大并趨于穩(wěn)定，下對(duì)流層厚度越厚穩(wěn)定時(shí)儲(chǔ)熱量越大，運(yùn)行40 h，下對(duì)流層厚度為22 cm的太陽(yáng)池平均儲(chǔ)熱量是17 cm的1.13倍，是12 cm的1.75倍。因此LCZ層的厚度越厚越有利于太陽(yáng)池的儲(chǔ)熱性能。

圖6 不同LCZ層厚度下對(duì)流層溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.6 Variation of temperature of LCZ under the different LCZ thickness

圖7 不同LCZ層厚度下對(duì)流層熱效率隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.7 Variation of thermal efficiency of LCZ under the different LCZ thickness

圖8 不同LCZ層厚度下對(duì)流層每天集熱量隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.8 Variation of daily heat collection of LCZ under the different LCZ thickness

圖9 不同LCZ層厚度下對(duì)流層儲(chǔ)熱量隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.9 Variation of heat storage of LCZ under the different LCZ thickness

2.4 鹽梯度層厚度對(duì)太陽(yáng)池性能的影響

采用不同鹽梯度層厚度構(gòu)建并運(yùn)行太陽(yáng)池時(shí)，下對(duì)流層溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖10，每天熱效率隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖11、集熱量隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖12、儲(chǔ)熱量隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖13。隨鹽梯度層厚度增加太陽(yáng)光穿過(guò)鹽梯度層時(shí)的損失增加，到達(dá)下對(duì)流層的太陽(yáng)輻射量減少，不利于集熱，但隨鹽梯度層厚度增加其隔熱保溫效果增加，可以減少夜間的熱損失，有利于儲(chǔ)熱，因此鹽梯度層不宜太厚也不宜太薄、不同條件有不同的最優(yōu)厚度。由圖10至圖13可以看出，試驗(yàn)中NCZ層的厚度14 cm時(shí)最優(yōu)，儲(chǔ)熱量達(dá)到3 140.55 kJ，而厚度分別為9、19 cm時(shí)可達(dá)到的最高儲(chǔ)熱量分別為3 021.72、2 665.23 kJ。綜上所述，可以確定出上對(duì)流層，非對(duì)流層和下對(duì)流層合適的占比分別為10%，35%和55%。

圖11 不同NCZ層厚度下對(duì)流層熱效率隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.11 Variation of thermal efficiency of LCZ under the different NCZ thickness

圖12 不同NCZ層厚度下對(duì)流層每天集熱量隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.12 Variation of daily heat collection of LCZ under the different NCZ thickness

圖13 不同NCZ層厚度下對(duì)流層儲(chǔ)熱量隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.13 Variation of heat storage of LCZ under the different NCZ thickness

3 討論與結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)得出,太陽(yáng)池運(yùn)行中每天的光照時(shí)間越長(zhǎng)，下對(duì)流層溫度升高越快，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越短，最終溫度越高，因此太陽(yáng)池適于建在光照時(shí)間長(zhǎng)的地區(qū)，24 h連續(xù)光照的太陽(yáng)池4 d后趨于穩(wěn)定，最高溫度為55.7 ℃，與文獻(xiàn)[10]中下對(duì)流層達(dá)到的最高溫度為43 ℃相比，下對(duì)流層溫度顯著提高。不同條件下構(gòu)建的太陽(yáng)池運(yùn)行中熱效率、儲(chǔ)熱量和每天集熱量的變化規(guī)律相同，隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)熱效率和每天的集熱量先快速上升后下降，最終降到一個(gè)最小值，儲(chǔ)熱量先快速增大后緩慢增大，最終趨于穩(wěn)定，與張敏等[16]對(duì)太陽(yáng)池性能優(yōu)化研究中所得出的熱效率、儲(chǔ)熱量和每天集熱量的變化趨勢(shì)相一致。從熱效率和每天集熱量分析、太陽(yáng)池運(yùn)行時(shí)間不是越長(zhǎng)越好，下對(duì)流層溫度也不是越高越好，應(yīng)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用要求和環(huán)境條件，合理選擇提熱量、提熱溫度、提熱方式和提熱時(shí)間。

下對(duì)流層厚度越厚升溫越慢，但達(dá)到穩(wěn)定時(shí)溫度越高，儲(chǔ)熱量越大，實(shí)際應(yīng)用中如果要求溫度不高，一次提取的熱量不多，宜減小下對(duì)流層厚度，如果要求溫度較高，儲(chǔ)熱量較大，應(yīng)增加

下對(duì)流層厚度。鹽梯度層不宜太厚也不宜太薄、按集熱量、儲(chǔ)熱量和熱效率的要求合理選擇，不同條件下有不同的最優(yōu)厚度，與鹽梯度層層數(shù)對(duì)太陽(yáng)池儲(chǔ)熱影響的研究結(jié)論相似[17]，試驗(yàn)中NCZ層的厚度14 cm時(shí)最優(yōu)，其對(duì)應(yīng)的下對(duì)流層溫度、儲(chǔ)熱量、熱效率和每天的集熱量均在三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)中最大，由此可得出上對(duì)流層，鹽梯度層和下對(duì)流層合適的占比分別為10%、35%和55%。