基于離子液體的煙氣余熱回收存儲系統(tǒng)研究

王軍御，劉漢濤，梁驍聰

(中北大學(xué)能源動力工程學(xué)院，山西 太原 030051)

節(jié)能減排是當(dāng)今社會的趨勢，在這個過程中面臨著一個重大挑戰(zhàn)便是尋求新的方式去儲存和生產(chǎn)能源。離子液體是一種很有潛力的材料，它可以作為導(dǎo)熱或儲熱的流體。一般由有機陽離子和有機或無機陰離子構(gòu)成的在室溫或室溫附近(-30.0～50.0 ℃)溫度下呈液態(tài)的離子化合物稱為離子液體[1]。與傳統(tǒng)的導(dǎo)熱或儲熱流體相比，離子液體的主要優(yōu)點在于液態(tài)范圍較寬、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性較好、具有不可燃性、極其低的蒸汽壓、極強的可調(diào)節(jié)性[2]。離子液體被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)、催化、有機合成等領(lǐng)域[3]。諸多研究都通過改變離子液體的陰陽離子結(jié)構(gòu)[4]或比例[5]，來提高其自身的儲熱密度，少有文獻結(jié)合工程實例來探究離子液體的儲熱效果。

在我國，燃煤鍋爐在發(fā)電過程中的鍋爐熱效率比較差，造成的能源浪費不容小覷。燃煤鍋爐的熱損失主要包括鍋爐自身熱傳導(dǎo)損失、煤炭不完全燃燒熱損失、灰渣物理熱損失、散熱熱損失和排煙熱損失，其中排煙熱損失所占的比重最大[6]，約80%。鍋爐的排煙溫度是影響排煙熱損失的主要因素，研究表明,排煙溫度每降低10 ℃，發(fā)電煤耗減少2 g/(kW·h)左右，排煙熱損失減少0.6%～1.0%[7]。目前絕大部分鍋爐排煙溫度在115.0～130.0 ℃，普遍存在排煙溫度高的問題，如果將這部分熱量加以存儲利用，可有效減少資源浪費[8]。

為了探究離子液體對于煙氣余熱的吸收和存儲能力，在實驗室條件下設(shè)計、搭建了一套基于離子液體的煙氣熱量回收儲存系統(tǒng)，通過對比3種咪唑基離子液體的溫度參數(shù)及表征結(jié)果，評估離子液體作為傳熱流體的實際應(yīng)用能力。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

離子液體均從蘭州雨陸精細化工有限公司購買，無需進一步提純，即1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([Omim][BF4])、1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽([Omim][PF6])、1-辛基-3-甲基咪唑雙(三氟甲烷磺酰)亞胺鹽([Omim][NTf2])，其初始物性參數(shù)見表1。

表1 離子液體初始物性參數(shù)表

實驗儀器包括五通道質(zhì)子流量控制器(GSL-5Z-LCD，合肥科晶材料技術(shù)有限公司)、蠕動泵(YZ1515X，南京潤澤流體控制設(shè)備有限公司)等。

1.2 實驗系統(tǒng)與運行工程

實驗系統(tǒng)由氣體通路和離子液體循環(huán)通路組成，實驗裝置如圖1所示。

1—配氣箱;2—氣體預(yù)熱器;3—換熱器;4—電子溫度計;5—蠕動泵;6—儲存器;7—氮氣氣瓶;8—氧氣氣瓶;9—二氧化碳氣瓶

氣體通路從氮氣氣瓶7、氧氣氣瓶8和二氧化碳氣瓶9出發(fā)，經(jīng)過配氣箱1混合后，通入氣體預(yù)熱器2中升溫，最后進入換熱器3中與離子液體進行熱量交換。電子溫度計4測得混合氣體在換熱器的出口溫度。

圖1虛線框中為離子液體的循環(huán)通路。蠕動泵5從儲存器6中將離子液體抽出到換熱器3中，離子液體吸收熱量后從換熱器3回到儲存器6中。實驗過程中離子液體吸收的熱量在儲存器6中傳導(dǎo)給水。電子溫度計4測得離子液體在換熱器3的進出口溫度。

系統(tǒng)運行過程中，模擬煙氣的混合氣體組分參照實際燃煤電廠煙氣，見表2。模擬煙氣的預(yù)熱溫度分別設(shè)置為110.0,115.0,120.0,125.0,130.0 ℃。

表2 模擬煙氣混合氣體組分

通過蠕動泵控制離子液體的流速為20 mL/min，換熱器可以容納的離子液體容積為340 mL，離子液體循環(huán)一次的時間為17 min，實驗過程中在17,85,170,255,340 min時分別取樣。

1.3 測試方法與表征方法

實驗過程中在不同工況下，當(dāng)系統(tǒng)達到平衡時，記錄電子溫度計的示數(shù)。通過計算可得3種離子液體對于模擬煙氣熱量的吸收率。用熱重分析和紅外光譜對樣品進行了表征，探究離子液體在實驗室條件下的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 換熱率

根據(jù)模擬煙氣在換熱器出口的溫度數(shù)據(jù)(見表3～表5)，可得模擬煙氣失去的熱量Q1：

Q1=(T1-T2)c1tvρ1

(1)

式中：T1為氣體進口溫度，℃;T2為氣體出口溫度，℃;c1為氣體比熱容，kJ/(kg·K)；t為循環(huán)一次所需時間，min;v為氣體流速，mL/min;ρ1為氣體密度，kg/m3。

表3 [Omim][NTf2]的溫度參數(shù) 單位：℃

表4 [Omim][BF4]的溫度參數(shù) 單位：℃

表5 [Omim][PF6]的溫度參數(shù) 單位：℃

同樣根據(jù)離子液體在換熱器進出口的溫度數(shù)據(jù)，可得離子液體吸收的熱量Q2：

Q2=(T4-T3)c2Vρ2

(2)

式中：T3為液體進口溫度，℃;T4為液體出口溫度，℃;c2為液體比熱容，kJ/(kg·K);V為液體體積，mL;ρ2為液體密度，kg/m3。

由式(1)、(2)可得在同等實驗條件下不同離子液體的換熱率η，以此評估離子液體的換熱能力。

(3)

本文研究了模擬煙氣溫度對換熱率的影響。如圖2所示，隨著模擬煙氣的進口溫度升高，3種離子液體的換熱率均升高。在110.0～112.5 ℃，[Omim][PF6]的換熱率最高；在112.5～117.5 ℃，[Omim][BF4]的換熱率最高；在117.5～130.0 ℃，[Omim][NTf2]的換熱率最高。當(dāng)模擬煙氣溫度為130 ℃時，3種離子液體的換熱率均達到最大值，分別為41.9%、33.4%和24.1%。

圖2 3種離子液體的換熱率

在燃煤電廠中，通過添加低溫省煤器[9]或者運用煙氣余熱濃縮蒸發(fā)工藝[10]，煙氣的最低出口溫度在50.0 ℃左右。本實驗中模擬煙氣的出口溫度均在20.0 ℃以下，優(yōu)于上述工藝。在實際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體工況來選擇離子液體，以得到更好的換熱率。

2.2 穩(wěn)定性

離子液體的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性可通過紅外光譜和熱重分析的結(jié)果來探究。

2.2.1熱穩(wěn)定性

從樣品中選取不同工況下循環(huán)20次后的離子液體，將所取樣品以10.0 ℃/min的升溫速率從25.0 ℃加熱到600.0 ℃，通入80 mL/min的氮氣作為保護氣進行熱重分析。

如圖3～圖5所示，[Omim][NTf2]的熱分解溫度保持在350.3～367.8 ℃，[Omim][BF4]的熱分解溫度保持在389.1～402.2 ℃，[Omim][PF6] 的熱分解溫度保持在407.2～414.7 ℃。分析可知，3種離子液體的熱穩(wěn)定性順序為[Omim][PF6]>[Omim][BF4]>[Omim][NTf2]，熱分解溫度都遠大于130.0 ℃。熱分解溫度之間的差異是由于離子液體本身陰離子不同導(dǎo)致的，陰離子親水性增加，熱分解溫度就會降低。由熱重分析結(jié)果可以看出，在系統(tǒng)運行過程中3種離子液體都具有較好的熱穩(wěn)定性。

圖3 [Omim][NTf2]樣品的熱重曲線

2.2.2化學(xué)穩(wěn)定性

不同的離子液體由于其組成和結(jié)構(gòu)的獨特性，

圖4 [Omim][BF4]樣品的熱重曲線

圖5 [Omim][PF6]樣品的熱重曲線

導(dǎo)致其具有獨特的紅外光譜圖。本文將實驗獲取的全部樣品都進行了紅外光譜表征。圖6～圖8展示了不同工況下循環(huán)20次后離子液體的紅外光譜圖。

圖6 [Omim][NTf2]樣品的紅外光譜圖

圖7 [Omim][BF4]樣品的紅外光譜圖

離子液體的結(jié)構(gòu)式見表6。通過對比3種離子液體的紅外光譜圖和結(jié)構(gòu)式，可以看出樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)和官能團都沒有改變，沒有發(fā)生熱分解，表明3種離子液體均具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性。

圖8 [Omim][PF6]樣品的紅外光譜圖

表6 離子液體結(jié)構(gòu)式

3 結(jié)束語

依據(jù)燃煤電廠的實際情況，本文設(shè)計了一套基于離子液體的煙氣余熱回收存儲系統(tǒng)。在實驗室條件下，3種離子液體在系統(tǒng)中循環(huán)了20次，實驗結(jié)果表明，離子液體有效地吸收了煙氣的熱量，將模擬煙氣的出口溫度下降至18.0 ℃左右，其中[Omim][NTf2]在模擬煙氣溫度為130.0 ℃時換熱率最高，為41.9%。

用熱重分析和紅外光譜對樣品進行了表征。熱重分析結(jié)果顯示，3種離子液體的熱分解溫度均在350 ℃以上，遠大于最高設(shè)計工況130 ℃，說明離子液體具有較好的熱穩(wěn)定性。在循環(huán)過程中，樣品的紅外光譜圖并未發(fā)生改變，說明離子液體具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性。本文的研究為離子液體在燃煤電廠煙氣余熱利用提供了實驗依據(jù)。