钾石盐太阳池集热和储热性能研究

陈得清，赵启文，汤毅慧

(青海大学化工学院，青海 西宁 810016)

盐梯度太阳池(Salt Gradient Solar Pond，SGSP)是一种溶液密度沿垂直方向上低下高、呈梯度分布的盐水池，具有吸收和储存太阳能的功能。盐梯度太阳池能长时期、跨季度蓄热[1-2]，具有潜在的应用前景。中国钾资源短缺，仅占世界钾资源储量的2%左右，资源条件制约了中国钾盐产业的可持续发展[3]。柴达木盆地是中国重要的钾肥生产基地，每年生产氯化钾时排放上千万吨含钾2%～7%的尾矿[4]，对这部分低品位钾资源的有效利用，是我国钾资源可持续开发的重要手段之一。利用加水分解尾矿得到含钾溶液，通过盐田滩晒制取钾石盐和光卤石，其中光卤石再次用水分解得到钾石盐，然后以钾石盐为原料，采用热溶结晶法生产氯化钾，该工艺在实际应用中存在能耗高，设备腐蚀严重等问题[5-8]。王士平等[9]提出将太阳池与热溶结晶法耦合，利用柴达木盆地丰富的太阳能和盐湖资源以钾石盐太阳池聚集太阳能，用于热溶结晶法制取氯化钾过程所需的热能[10]。杨先等[11]，吴丹等[12]研究了海水、制盐废卤、氯化钠、碳酸钠、氯化镁等不同工作介质，以及底部添加多孔介质的太阳池、不同结构形式的太阳池、以及太阳池在发电、制盐、供暖等方面应用[13-14]，但对钾石盐太阳池集热和储热性能缺少系统的研究。为此本文通过试验考察不同光照时间、下对流层厚度、盐梯度层厚度对钾石盐太阳池下对流层温度、集热量、储热量和热效率影响，以期为钾石盐太阳池设计、建造、运行、维护提供理论参考依据。

1 试验部分

1.1 原料、试剂及仪器

(1)原料。采自青海盐湖工业股份公司钾肥生产排放的尾盐制得的光卤石矿试样，经加水分解除镁制得钾石盐，然后配制不同浓度的钾石盐溶液灌注太阳池。经检测分解制得的钾石盐主要组成见表1。

表1钾石盐主要组成

(2)试剂。酚酞指示剂，5%铬酸钾指示剂，铬黑T指示剂，钙指示剂、0.2 mol/L EDTA溶液，400 g/L NaOH溶液，pH为10的NH3-NH4Cl缓冲溶液，0.1 mol/L硝酸银溶液，15 g/L四苯硼钠溶液及1.5 g/L四苯硼钠溶液。

(3)仪器。自制取样器，HID-100W-6 000K氙灯，JJ-1精密增力电动搅拌器，SHB-III循环水式多用真空泵，BSA124 S-CW电子天平，NDJ - 8S旋转式黏度计，DRE-II快速导热仪，LH - Y28盐度计，ORION AQ4 500浊度仪，Survey 100太阳能辐照度测试仪，FiveEasy Plus型pH计，MB23水分分析仪及温度传感器。

1.2 检测方法

Ca2+、Mg2+采用EDTA滴定法测定；Cl-采用银量法测定；K+采用四苯硼钠重量法测定；Na+采用差减法计算；水分采用水分分析仪测定；采用手持式盐度计测定盐度；采用浊度仪测定浊度；采用pH计测定pH；采用重量法测定密度；采用快速导热仪测定导热系数和比热容；采用太阳能辐照度测试仪测定辐射强度。

1.3 试验装置

采用内径为45 cm、高为46 cm的保温桶，搭建一个模拟太阳池。太阳池的底部用泡沫板保温，太阳池内壁及底部粘贴黑色耐腐蚀塑料薄膜，太阳池中间放置一个取样器，取样器上沿高度方向每间隔5 cm固定一个温度传感器和取样管。不同条件下构建太阳池时，先用浓度28°Bé的钾石盐溶液直接灌注太阳池底部的下对流层(Lower Convective Zone，LCZ)；然后用浓度20°Bé的钾石盐溶液水平灌注盐梯度层(Non-Convective Zone，NCZ)，采用水平布液器加蠕动泵缓慢灌注；最后用清水水平灌注上对流层(Upper Convective Zone，UCZ)。灌注完成后静置12 h，抽取各层溶液检测密度，若形成明显的密度梯度则表明构建成功，可以进行后续试验。

1.4 试验方法

太阳池正常运行情况下，重点考查光照时间8、12、24 h，下对流层厚度12、17、22 cm及盐梯度层厚度9、14、19 cm对钾石盐太阳池集热和储热性能的影响。

1.5 数据采集与计算方法

每隔一定时间，通过温度传感器采集太阳池内不同深度溶液的温度，通过取样器抽取不同深度溶液，检测其密度及离子组成，采用太阳能辐照度测试仪测定辐射强度。

集热量Qc的计算[15]公式：

Qc=CLmL(Tt+Δt-Tt)

(1)

式中：CL为LCZ溶液比热容(J/kg/ ℃)；mL为LCZ溶液总质量(kg)；Tt和Tt+Δt分别为LCZ溶液在t时间点和间隔Δt时间后太阳池温度( ℃)。

储热量Qs的计算公式：

Qs=CLmL(Tt-T0)

(2)

式中：T0为LCZ溶液的初始温度( ℃)；Tt为t时刻的温度( ℃)。

太阳池热效率η：

(3)

式中：It和It+Δt分别为t时刻和间隔时间Δt后的太阳辐射强度(W/m2)；As为太阳池的表面积(m2)；Δt为照射开始至照射结束的时间间隔(h)。

图1 太阳池密度分布Fig.1 Density distribution of solar pond

2 结果与分析

2.1 钾石盐太阳池构建结果

在上对流层厚度40 mm、盐梯度层厚度190 mm及下对流层厚度220 mm条件下构建的钾石盐太阳池，静置12 h后，测得的密度分布见图1，由图1可知，太阳池内溶液密度显著呈三层分布，表明分三层水平灌注构建太阳池的方法可行。后续试验中均按此方法成功构建了不同条件的太阳池。

灌注太阳池各层溶液的主要参数见表2，浊度均在5 NTU以下，各层浓度也满足设计目标，溶液符合灌注要求。

表2太阳池三层溶液主要参数

2.2 光照时间对太阳池性能的影响

每天不同光照时间下运行钾石盐太阳池时，下对流层温度随时间的变化关系如图2所示。随运行时间延长，下对流层温度逐步升高，每天光照时间越长达到稳定需要的时间越短，稳定时温度越高。如每天光照8 h的太阳池，LCZ温度6 d后趋于稳定，最高温度为35.7 ℃；每天光照12 h的太阳池5 d后趋于稳定，最高温度为44.5 ℃；24 h连续光照的太阳池4 d后趋于稳定，最高温度达到55.7 ℃；每天的热效率、集热量及储热量随时间的变化关系分别如图3、图4及图5所示。随运行时间延长热效率、集热量先快速上升然后下降，储热量呈现先快后慢的上升趋势，每天光照时间越长，热效率、集热量、储热量上升或下降的速度越快。太阳池运行初期，照射8 h集热量为933.68 kJ/h，照射12 h集热量为1 137.39 kJ/h，照射24 h集热量为1 595.74 kJ/h，但随着下对流层温度升高，每天的集热量会降低，而且与环境温差越大，下降速度会越快，直到稳定时每天的集热量降到最小。

图2 不同光照时间下对流层温度随时间的变化关系Fig.2 Variation of temperature of LCZ under the different illumination time

图3 不同光照时间下对流层热效率随时间的变化关系Fig.3 Variation of thermal efficiency of LCZ under the different illumination time

图4 不同光照时间下对流层每天集热量随时间的变化关系Fig.4 Variation of daily heat collection of LCZ under the different illumination time

图5 不同光照时间下对流层储热量随时间的变化关系Fig.5 Variation of heat storage of LCZ under the different illumination time

2.3 下对流层厚度对太阳池性能的影响

不同LCZ层厚度下运行钾石盐太阳池时，下对流层温度随时间的变化关系如图6，随运行时间延长下对流层温度逐步升高，LCZ层厚度为17 cm时，太阳池达到的最高温度为38.1 ℃；LCZ层厚度为12 cm时，太阳池达到的最高温度为35.8 ℃；LCZ层厚度为22 cm时，太阳池达到的最高温度为35.7 ℃。每天的热效率随时间的变化关系如图7、集热量随时间的变化关系如图8，储热量随时间的变化关系如图9。随运行时间延长热效率、每天的集热量先快速上升后下降，储热量呈现先快后慢的上升趋势。由图可以看出，下对流层厚度越厚升温越慢，厚度越薄升温越快。每天集热量、热效率随太阳池运行时间延长先快速上升后缓慢下降，下对流层厚度越厚变化趋势越慢，储热量先快后慢逐渐增大并趋于稳定，下对流层厚度越厚稳定时储热量越大，运行40 h，下对流层厚度为22 cm的太阳池平均储热量是17 cm的1.13倍，是12 cm的1.75倍。因此LCZ层的厚度越厚越有利于太阳池的储热性能。

图6 不同LCZ层厚度下对流层温度随时间的变化关系Fig.6 Variation of temperature of LCZ under the different LCZ thickness

图7 不同LCZ层厚度下对流层热效率随时间的变化关系Fig.7 Variation of thermal efficiency of LCZ under the different LCZ thickness

图8 不同LCZ层厚度下对流层每天集热量随时间的变化关系Fig.8 Variation of daily heat collection of LCZ under the different LCZ thickness

图9 不同LCZ层厚度下对流层储热量随时间的变化关系Fig.9 Variation of heat storage of LCZ under the different LCZ thickness

2.4 盐梯度层厚度对太阳池性能的影响

采用不同盐梯度层厚度构建并运行太阳池时，下对流层温度随时间的变化关系如图10，每天热效率随时间的变化关系如图11、集热量随时间的变化关系如图12、储热量随时间的变化关系如图13。随盐梯度层厚度增加太阳光穿过盐梯度层时的损失增加，到达下对流层的太阳辐射量减少，不利于集热，但随盐梯度层厚度增加其隔热保温效果增加，可以减少夜间的热损失，有利于储热，因此盐梯度层不宜太厚也不宜太薄、不同条件有不同的最优厚度。由图10至图13可以看出，试验中NCZ层的厚度14 cm时最优，储热量达到3 140.55 kJ，而厚度分别为9、19 cm时可达到的最高储热量分别为3 021.72、2 665.23 kJ。综上所述，可以确定出上对流层，非对流层和下对流层合适的占比分别为10%，35%和55%。

图11 不同NCZ层厚度下对流层热效率随时间的变化关系Fig.11 Variation of thermal efficiency of LCZ under the different NCZ thickness

图12 不同NCZ层厚度下对流层每天集热量随时间的变化关系Fig.12 Variation of daily heat collection of LCZ under the different NCZ thickness

图13 不同NCZ层厚度下对流层储热量随时间的变化关系Fig.13 Variation of heat storage of LCZ under the different NCZ thickness

3 讨论与结论

本文通过试验得出,太阳池运行中每天的光照时间越长，下对流层温度升高越快，达到稳定的时间越短，最终温度越高，因此太阳池适于建在光照时间长的地区，24 h连续光照的太阳池4 d后趋于稳定，最高温度为55.7 ℃，与文献[10]中下对流层达到的最高温度为43 ℃相比，下对流层温度显著提高。不同条件下构建的太阳池运行中热效率、储热量和每天集热量的变化规律相同，随运行时间延长热效率和每天的集热量先快速上升后下降，最终降到一个最小值，储热量先快速增大后缓慢增大，最终趋于稳定，与张敏等[16]对太阳池性能优化研究中所得出的热效率、储热量和每天集热量的变化趋势相一致。从热效率和每天集热量分析、太阳池运行时间不是越长越好，下对流层温度也不是越高越好，应结合实际应用要求和环境条件，合理选择提热量、提热温度、提热方式和提热时间。

下对流层厚度越厚升温越慢，但达到稳定时温度越高，储热量越大，实际应用中如果要求温度不高，一次提取的热量不多，宜减小下对流层厚度，如果要求温度较高，储热量较大，应增加

下对流层厚度。盐梯度层不宜太厚也不宜太薄、按集热量、储热量和热效率的要求合理选择，不同条件下有不同的最优厚度，与盐梯度层层数对太阳池储热影响的研究结论相似[17]，试验中NCZ层的厚度14 cm时最优，其对应的下对流层温度、储热量、热效率和每天的集热量均在三组试验数据中最大，由此可得出上对流层，盐梯度层和下对流层合适的占比分别为10%、35%和55%。