摘 要：高溫熔鹽儲(chǔ)罐中儲(chǔ)熱介質(zhì)溫度約600 ℃，要求每天溫降不超過1 ℃，為滿足保溫要求，儲(chǔ)罐基礎(chǔ)常以陶粒作為保溫材料。通過對(duì)不同級(jí)配下5種典型陶粒的化學(xué)成分、材料特性和高溫?zé)峁?shù)等進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到了陶粒的物理力學(xué)性能、相變溫度、熱膨脹系數(shù)和不同溫度（20～600 ℃）下的導(dǎo)熱系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，揭示了陶粒的導(dǎo)熱特性和變形機(jī)理。

關(guān)鍵詞：太陽能熱發(fā)電站；熱膨脹系數(shù)；導(dǎo)熱系數(shù)；熔鹽儲(chǔ)罐基礎(chǔ)；陶粒；相變溫度

中圖分類號(hào)：TK512+.4；TU55+1.1；TU541 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

太陽能熱發(fā)電由于配置有強(qiáng)大的儲(chǔ)熱系統(tǒng)，能有效把太陽能儲(chǔ)存起來，克服了太陽能的時(shí)空不連續(xù)性、不穩(wěn)定性，保障了電力的穩(wěn)定輸出。目前太陽能光熱電站儲(chǔ)熱的方式較多，主要采用以熔鹽為儲(chǔ)熱介質(zhì)的雙罐儲(chǔ)熱方式，即一個(gè)高溫儲(chǔ)熱罐和一個(gè)低溫儲(chǔ)熱罐。儲(chǔ)熱時(shí)，熔鹽泵將冷鹽從低溫儲(chǔ)熱罐輸送至吸熱裝置，熔鹽吸收熱量后升溫，隨后加熱后的高溫熔鹽被送往高溫熔鹽罐進(jìn)行存儲(chǔ)；放熱時(shí)，熔鹽泵將高溫熔鹽從高溫儲(chǔ)熱罐中引入熔鹽蒸汽發(fā)生器，完成熔鹽與水的熱交換，完成熱交換的熔鹽冷卻后進(jìn)入冷罐進(jìn)行儲(chǔ)存。

在太陽能熱發(fā)電站中，為延長電站的發(fā)電時(shí)間或增大發(fā)電容量，儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)熔鹽的需求量非常大，一般可達(dá)上萬t，同時(shí)為提高汽輪機(jī)的發(fā)電效率，熔鹽的溫度通常被加至約600 ℃。根據(jù)發(fā)電容量、熔鹽量及散熱量等要求，儲(chǔ)熱介質(zhì)每天溫降不超過1 ℃。因此，儲(chǔ)熱罐基礎(chǔ)不僅要有較高的承載能力，還要有較好的保溫性能。目前國內(nèi)外關(guān)于儲(chǔ)熱罐的研究多是以儲(chǔ)熱罐自身受力［1］及儲(chǔ)熱罐充鹽策略［2］等研究為主，而對(duì)儲(chǔ)熱罐基礎(chǔ)的受力及保溫性能的研究較少。

陶粒具有質(zhì)輕、多孔、表面強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，作為儲(chǔ)熱罐基礎(chǔ)的保溫材料具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用價(jià)值。目前中國陶粒種類較多，性能各異，多作為建筑材料常常被用于陶?；炷恋?，作為高溫隔熱材料的應(yīng)用較少，關(guān)于陶粒在高溫作用下性能參數(shù)的相關(guān)研究幾乎沒有。而陶粒在不同溫度下的熱工參數(shù)對(duì)儲(chǔ)熱罐基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

1 試驗(yàn)概述與方案

陶粒的性能不僅與陶粒種類有關(guān)，還與陶粒產(chǎn)地關(guān)系較大，經(jīng)過前期調(diào)研比較最終確定如圖1 所示的摩洛哥粘土陶粒、陜西黏土陶粒、寧夏頁巖陶粒、廣東黏土陶粒和甘肅粉煤灰陶粒（以下簡稱為摩洛哥陶粒、陜西陶粒、寧夏陶粒、廣東陶粒和甘肅陶粒）作為典型試樣進(jìn)行試驗(yàn)研究。

為能優(yōu)配到強(qiáng)度高且導(dǎo)熱系數(shù)低的陶粒，試驗(yàn)還設(shè)計(jì)混合陶粒試樣。如圖2 所示，所設(shè)計(jì)的混合陶粒為級(jí)配較好的廣東陶粒（HT-1）；破碎后的廣東陶粒加原狀廣東陶粒（HT-2）；廣東陶粒與寧夏陶粒的混合陶粒（HT-3）。

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

為滿足儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需求，需測試陶粒的強(qiáng)度參數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)及熱膨脹系數(shù)等。為研究陶粒的傳熱及變形機(jī)理，需對(duì)陶粒的化學(xué)成分及級(jí)配等進(jìn)行測試分析。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 化學(xué)成分及物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)

陶粒的化學(xué)成分及含量采用Thermo Fisher IRIS IntrepidⅡXSP 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀進(jìn)行測試。陶粒的級(jí)配、密度、孔隙率及筒壓強(qiáng)度等參考《輕集料及其試驗(yàn)方法，第2 部分：輕集料試驗(yàn)方法》（GB/T 17431.2—2010）［3］中有關(guān)規(guī)定進(jìn)行測試。

1.2.2 剪切強(qiáng)度試驗(yàn)

如圖3 所示，陶粒的剪切強(qiáng)度采用應(yīng)變控制式直剪儀測試，其中每種陶粒取4 份試樣，分別在100、200、300 和400 kPa垂直壓強(qiáng)下以0.01 mm/min 的速度進(jìn)行剪切，試樣每產(chǎn)生0.4 mm 記數(shù)1 次，計(jì)數(shù)不少于30 次，最后將所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)庫侖定律確定陶粒的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：內(nèi)摩擦角φ 和黏聚力c。

1.2.3 熱膨脹系數(shù)試驗(yàn)

如圖4 所示，陶粒熱膨脹系數(shù)采用熱膨脹儀（德國 DIL402 PC）進(jìn)行測試。

測量采用頂桿式間接法，即將陶粒試樣制成長度20～30mm 的試件，然后將試件放入試驗(yàn)支架，以4 ℃/min 的速度將試件從室溫升至600 ℃，最終根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)計(jì)算試件的平均線膨脹系數(shù)。

1.2.4 導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)

導(dǎo)熱系數(shù)采用高溫導(dǎo)熱系數(shù)測試儀進(jìn)行測試，如圖5 所示。試驗(yàn)測試參考《Standard test method for steady-statethermal transmission properties by means of the heat flow meterapparatus》（ASTM C518—04）［4］、《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定（熱流計(jì)法）》（GB/T 10295—2008）［5］、《耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)方法（水流量平板法）》（YB/T 4130—2005）［6］及《耐火纖維制品實(shí)驗(yàn)方法》（GB/T 17911—2018）［7］等標(biāo)準(zhǔn)。

導(dǎo)熱系數(shù)測試試件的安裝過程為：首先，將熱面的熱電偶置于爐底中心，然后，將待測陶粒放入爐中并鋪平，測量爐中陶粒厚度，最后，將冷面的熱電偶置于陶粒上表面中心，為阻止冷板（護(hù)熱板與量熱板）溫度過高，需在陶粒上層鋪設(shè)耐火棉。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分及級(jí)配

陶粒的化學(xué)成分及含量如表1 所示，測試結(jié)果表明，陶粒的主要成分均為SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O 等，其中SiO2 占48.10%～59.70%，Al2O3 占19.00%～21.20%，F(xiàn)e2O3 和K2O 占13%～21%，其他為微量元素。

陶粒試樣的篩分結(jié)果如表2 所示，結(jié)果表明：所測試的摩洛哥陶粒粒徑分布均勻，甘肅陶粒及陜西陶粒粒徑主要分布在10 mm 以上，廣東陶粒粒徑較小。

2.2 物理力學(xué)參數(shù)

各陶粒的堆積密度、表觀密度、孔隙率及筒壓強(qiáng)度見表3，結(jié)果表明陶粒的堆積密度由小到大依次為：摩洛哥陶粒、廣東陶粒、甘肅陶粒、陜西陶粒、寧夏陶粒；陶粒的孔隙率對(duì)陶粒的密度和強(qiáng)度等級(jí)影響較大。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，陶粒間有一定的黏聚力，說明在直剪過程中部分陶粒發(fā)生剪切破壞，從而表現(xiàn)出一定的黏聚力。這主要是因?yàn)樘樟５恼麄€(gè)剪切過程為：首先在小位移變形內(nèi)發(fā)生滑動(dòng)摩擦，隨著相對(duì)位移的逐漸增大陶粒間的相互作用由滑動(dòng)摩擦力變?yōu)闄C(jī)械咬合力，此時(shí)剪應(yīng)力迅速增大發(fā)生剪切破壞，隨后剪應(yīng)力在一定范圍內(nèi)往復(fù)變化。

圖6 為各陶粒初始級(jí)配下的壓力-位移曲線，結(jié)果表明當(dāng)陶粒級(jí)配較差時(shí)，陶粒間空隙較大，在壓力作用下陶粒間重分布明顯，隨著壓力的逐漸增大陶粒被壓實(shí)，壓力-位移曲線逐漸呈線性變化。

圖7 為級(jí)配較好的混合陶粒的壓力-位移曲線，對(duì)比圖6可知當(dāng)陶粒級(jí)配較好時(shí)，陶粒的壓力-位移曲線波動(dòng)減小，說明在壓力作用下陶粒間的重分布減弱，更易被壓實(shí)。

2.3 線膨脹系數(shù)

圖8 為各陶粒單位伸長量隨溫度的變化曲線，結(jié)果表明：陶粒在約570 ℃時(shí)變形發(fā)生轉(zhuǎn)變，說明此時(shí)陶粒發(fā)生了玻璃態(tài)向高彈態(tài)的轉(zhuǎn)變，即軟化，當(dāng)儲(chǔ)熱罐溫度超過該溫度時(shí)，陶粒變形增加，導(dǎo)致儲(chǔ)熱罐沉降較大，影響工藝管道及儲(chǔ)罐本身結(jié)構(gòu)安全。

圖9 為各陶粒線膨脹系數(shù)隨溫度的變化曲線，結(jié)果表明：陶粒的平均線膨脹系數(shù)隨溫度升高而變大，溫度在0～150 ℃膨脹系數(shù)變化較快，隨后緩慢上升；線膨脹系數(shù)由大到小依次為：陜西陶粒、寧夏陶粒、廣東陶粒、摩洛哥陶粒、甘肅陶粒，其規(guī)律與表1 中陶粒硅含量基本一致，因此可知陶粒的線膨脹系數(shù)與陶粒中硅含量有關(guān)。此外，陶粒的平均線膨脹系數(shù)還與氣孔率有關(guān)，而氣孔率對(duì)平均線膨脹系數(shù)的影響與固相的連續(xù)性相關(guān)，當(dāng)氣孔率較大時(shí)，非連續(xù)的固相膨脹空間大，而膨脹系數(shù)較小。

2.4 導(dǎo)熱系數(shù)

2.4.1 單種陶粒

為研究不同級(jí)配下陶粒的導(dǎo)熱性能，分別選取設(shè)計(jì)級(jí)配和自然級(jí)配下的陜西陶粒和摩洛哥陶粒進(jìn)行測試分析。通過控制陶粒不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)得到級(jí)配良好的設(shè)計(jì)級(jí)配，粒徑分布如表4 所示。自然級(jí)配如圖2 所示，陜西陶粒粒徑集中，級(jí)配較差，摩洛哥陶粒粒徑相對(duì)連續(xù)均勻，級(jí)配較好。

圖10 為陜西陶粒和摩洛哥陶粒在自然級(jí)配與設(shè)計(jì)級(jí)配下陶粒的導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線，結(jié)果表明：1）對(duì)于陜西陶粒，在自然級(jí)配下，當(dāng)溫度低于460 ℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度線性變化，當(dāng)溫度高于460 ℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)迅速增大；在設(shè)計(jì)級(jí)配下導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度線性變化；2）對(duì)于摩洛哥陶粒，在自然級(jí)配和設(shè)計(jì)級(jí)配下陶粒的導(dǎo)熱系數(shù)均與溫度呈線性變化。

圖11 為設(shè)計(jì)級(jí)配下各陶粒的導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線，結(jié)果表明：各陶粒的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高近似線性增大；相同溫度下陶粒的導(dǎo)熱系數(shù)由大到小依次為寧夏陶粒、陜西陶粒，甘肅陶粒、摩洛哥陶粒和廣東陶粒。

這主要是因?yàn)樘樟５膶?dǎo)熱系數(shù)主要由陶粒及陶粒間的傳熱方式所決定的，對(duì)不同級(jí)配下的同種陶粒，如圖10 中自然級(jí)配和設(shè)計(jì)級(jí)配下的陜西陶粒，陶粒本身孔隙相同，陶粒間空隙不同。陶粒在低溫（低于200 ℃）以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行，陶粒孔隙及陶粒間空隙阻礙聲子傳播，導(dǎo)熱系數(shù)較低；隨著溫度的升高，陶粒的傳熱方式變?yōu)闊醾鲗?dǎo)和熱輻射方式，其中熱傳導(dǎo)起主導(dǎo)作用，此階段（約200～500 ℃）導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較為穩(wěn)定；當(dāng)溫度達(dá)約500 ℃以上時(shí)，陶粒的傳熱方式中熱輻射起主要作用，陶粒間空隙內(nèi)的空氣流動(dòng)性較強(qiáng)，傳熱能力變強(qiáng)，導(dǎo)熱系數(shù)迅速增大；對(duì)相同級(jí)配下的不同陶粒，如圖11設(shè)計(jì)級(jí)配下的各陶粒，陶粒本身孔隙不同，陶粒間空隙大致相同，陶粒及陶粒間的傳熱方式以熱傳導(dǎo)為主，孔隙率較小的寧夏陶粒和陜西陶粒導(dǎo)熱系數(shù)較大，孔隙率較大的廣東陶粒和摩洛哥陶粒導(dǎo)熱系數(shù)較小，因此在相同級(jí)配下陶粒的導(dǎo)熱系數(shù)與陶粒內(nèi)部孔隙率成反比。

2.4.2 陶粒與砂混合

圖12 為陶粒與中粗砂混合后的導(dǎo)熱系數(shù)，測試結(jié)果表明在相同級(jí)配陶粒下陶粒中粗砂的導(dǎo)熱系數(shù)約為陶粒自身導(dǎo)熱系數(shù)的1.5 倍，摻砂后陶粒的保溫效果減弱。

2.4.3 混合陶粒

圖13 為3 種混合陶粒的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果表明：當(dāng)溫度低于400 ℃時(shí)，3 種試樣導(dǎo)熱系數(shù)相差不大；當(dāng)溫度高于400 ℃，導(dǎo)熱系數(shù)由大到小依次為：HT-1、HT-3 和HT-2。這主要是由于在高溫下熱輻射起主導(dǎo)作用，加入破碎后的陶粒后陶粒間的空隙降低，高溫下的熱輻射降低，導(dǎo)致高溫下的導(dǎo)熱系數(shù)較小。同級(jí)配下的HT-2 和HT-3 相比，寧夏陶?？紫堵瘦^廣東陶粒孔隙率小，因此HT-3 導(dǎo)熱系數(shù)較HT-2 高。

3 結(jié)論與建議

通過試驗(yàn)研究分析，得出陶粒的性能指標(biāo)，并為高溫儲(chǔ)熱罐基礎(chǔ)中陶粒的設(shè)計(jì)提出以下建議：

1）陶粒主要成分主要為SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O 等，因產(chǎn)地不同，含量略有差異。

2）陶粒的熱膨脹系數(shù)與陶粒中硅含量有關(guān)，導(dǎo)熱系數(shù)與陶粒間的空隙率和陶粒內(nèi)部的孔隙率有關(guān)。

3）在低溫狀態(tài)下，陶粒的導(dǎo)熱方式以熱傳導(dǎo)為主，在高溫狀態(tài)下陶粒的導(dǎo)熱方式以熱輻射為主。

4）陶粒的出廠級(jí)配較差時(shí)影響陶粒的壓實(shí)效果，設(shè)計(jì)中需對(duì)陶粒的級(jí)配提出要求，當(dāng)陶粒強(qiáng)度富裕度較大時(shí)可通過破碎陶粒的方式獲得最優(yōu)級(jí)配，此時(shí)應(yīng)對(duì)破碎率提出要求。

5）在高溫環(huán)境中，陶?？赡馨l(fā)生相變，其相變溫度約為570 ℃，在設(shè)計(jì)中應(yīng)控制儲(chǔ)熱罐運(yùn)行溫度，確保陶粒溫度低于相變溫度。

6）陶粒的熱工性能不僅與陶粒種類有關(guān)，還與陶粒產(chǎn)地關(guān)系較大，熔鹽罐基礎(chǔ)保溫材料宜選擇導(dǎo)熱系數(shù)及熱膨脹性能均較低的陶粒，當(dāng)無可靠數(shù)據(jù)及工程經(jīng)驗(yàn)時(shí)可將廣東黏土陶粒作為優(yōu)選陶粒。

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