基于离子液体的烟气余热回收存储系统研究

王军御，刘汉涛，梁骁聪

(中北大学能源动力工程学院，山西 太原 030051)

节能减排是当今社会的趋势，在这个过程中面临着一个重大挑战便是寻求新的方式去储存和生产能源。离子液体是一种很有潜力的材料，它可以作为导热或储热的流体。一般由有机阳离子和有机或无机阴离子构成的在室温或室温附近(-30.0～50.0 ℃)温度下呈液态的离子化合物称为离子液体[1]。与传统的导热或储热流体相比，离子液体的主要优点在于液态范围较宽、热稳定性和化学稳定性较好、具有不可燃性、极其低的蒸汽压、极强的可调节性[2]。离子液体被广泛应用于电化学、催化、有机合成等领域[3]。诸多研究都通过改变离子液体的阴阳离子结构[4]或比例[5]，来提高其自身的储热密度，少有文献结合工程实例来探究离子液体的储热效果。

在我国，燃煤锅炉在发电过程中的锅炉热效率比较差，造成的能源浪费不容小觑。燃煤锅炉的热损失主要包括锅炉自身热传导损失、煤炭不完全燃烧热损失、灰渣物理热损失、散热热损失和排烟热损失，其中排烟热损失所占的比重最大[6]，约80%。锅炉的排烟温度是影响排烟热损失的主要因素，研究表明,排烟温度每降低10 ℃，发电煤耗减少2 g/(kW·h)左右，排烟热损失减少0.6%～1.0%[7]。目前绝大部分锅炉排烟温度在115.0～130.0 ℃，普遍存在排烟温度高的问题，如果将这部分热量加以存储利用，可有效减少资源浪费[8]。

为了探究离子液体对于烟气余热的吸收和存储能力，在实验室条件下设计、搭建了一套基于离子液体的烟气热量回收储存系统，通过对比3种咪唑基离子液体的温度参数及表征结果，评估离子液体作为传热流体的实际应用能力。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

离子液体均从兰州雨陆精细化工有限公司购买，无需进一步提纯，即1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([Omim][BF4])、1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([Omim][PF6])、1-辛基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐([Omim][NTf2])，其初始物性参数见表1。

表1 离子液体初始物性参数表

实验仪器包括五通道质子流量控制器(GSL-5Z-LCD，合肥科晶材料技术有限公司)、蠕动泵(YZ1515X，南京润泽流体控制设备有限公司)等。

1.2 实验系统与运行工程

实验系统由气体通路和离子液体循环通路组成，实验装置如图1所示。

1—配气箱;2—气体预热器;3—换热器;4—电子温度计;5—蠕动泵;6—储存器;7—氮气气瓶;8—氧气气瓶;9—二氧化碳气瓶

气体通路从氮气气瓶7、氧气气瓶8和二氧化碳气瓶9出发，经过配气箱1混合后，通入气体预热器2中升温，最后进入换热器3中与离子液体进行热量交换。电子温度计4测得混合气体在换热器的出口温度。

图1虚线框中为离子液体的循环通路。蠕动泵5从储存器6中将离子液体抽出到换热器3中，离子液体吸收热量后从换热器3回到储存器6中。实验过程中离子液体吸收的热量在储存器6中传导给水。电子温度计4测得离子液体在换热器3的进出口温度。

系统运行过程中，模拟烟气的混合气体组分参照实际燃煤电厂烟气，见表2。模拟烟气的预热温度分别设置为110.0,115.0,120.0,125.0,130.0 ℃。

表2 模拟烟气混合气体组分

通过蠕动泵控制离子液体的流速为20 mL/min，换热器可以容纳的离子液体容积为340 mL，离子液体循环一次的时间为17 min，实验过程中在17,85,170,255,340 min时分别取样。

1.3 测试方法与表征方法

实验过程中在不同工况下，当系统达到平衡时，记录电子温度计的示数。通过计算可得3种离子液体对于模拟烟气热量的吸收率。用热重分析和红外光谱对样品进行了表征，探究离子液体在实验室条件下的热稳定性及化学稳定性。

2 结果与讨论

2.1 换热率

根据模拟烟气在换热器出口的温度数据(见表3～表5)，可得模拟烟气失去的热量Q1：

Q1=(T1-T2)c1tvρ1

(1)

式中：T1为气体进口温度，℃;T2为气体出口温度，℃;c1为气体比热容，kJ/(kg·K)；t为循环一次所需时间，min;v为气体流速，mL/min;ρ1为气体密度，kg/m3。

表3 [Omim][NTf2]的温度参数 单位：℃

表4 [Omim][BF4]的温度参数 单位：℃

表5 [Omim][PF6]的温度参数 单位：℃

同样根据离子液体在换热器进出口的温度数据，可得离子液体吸收的热量Q2：

Q2=(T4-T3)c2Vρ2

(2)

式中：T3为液体进口温度，℃;T4为液体出口温度，℃;c2为液体比热容，kJ/(kg·K);V为液体体积，mL;ρ2为液体密度，kg/m3。

由式(1)、(2)可得在同等实验条件下不同离子液体的换热率η，以此评估离子液体的换热能力。

(3)

本文研究了模拟烟气温度对换热率的影响。如图2所示，随着模拟烟气的进口温度升高，3种离子液体的换热率均升高。在110.0～112.5 ℃，[Omim][PF6]的换热率最高；在112.5～117.5 ℃，[Omim][BF4]的换热率最高；在117.5～130.0 ℃，[Omim][NTf2]的换热率最高。当模拟烟气温度为130 ℃时，3种离子液体的换热率均达到最大值，分别为41.9%、33.4%和24.1%。

图2 3种离子液体的换热率

在燃煤电厂中，通过添加低温省煤器[9]或者运用烟气余热浓缩蒸发工艺[10]，烟气的最低出口温度在50.0 ℃左右。本实验中模拟烟气的出口温度均在20.0 ℃以下，优于上述工艺。在实际应用中，应当根据具体工况来选择离子液体，以得到更好的换热率。

2.2 稳定性

离子液体的热稳定性和化学稳定性可通过红外光谱和热重分析的结果来探究。

2.2.1热稳定性

从样品中选取不同工况下循环20次后的离子液体，将所取样品以10.0 ℃/min的升温速率从25.0 ℃加热到600.0 ℃，通入80 mL/min的氮气作为保护气进行热重分析。

如图3～图5所示，[Omim][NTf2]的热分解温度保持在350.3～367.8 ℃，[Omim][BF4]的热分解温度保持在389.1～402.2 ℃，[Omim][PF6] 的热分解温度保持在407.2～414.7 ℃。分析可知，3种离子液体的热稳定性顺序为[Omim][PF6]>[Omim][BF4]>[Omim][NTf2]，热分解温度都远大于130.0 ℃。热分解温度之间的差异是由于离子液体本身阴离子不同导致的，阴离子亲水性增加，热分解温度就会降低。由热重分析结果可以看出，在系统运行过程中3种离子液体都具有较好的热稳定性。

图3 [Omim][NTf2]样品的热重曲线

2.2.2化学稳定性

不同的离子液体由于其组成和结构的独特性，

图4 [Omim][BF4]样品的热重曲线

图5 [Omim][PF6]样品的热重曲线

导致其具有独特的红外光谱图。本文将实验获取的全部样品都进行了红外光谱表征。图6～图8展示了不同工况下循环20次后离子液体的红外光谱图。

图6 [Omim][NTf2]样品的红外光谱图

图7 [Omim][BF4]样品的红外光谱图

离子液体的结构式见表6。通过对比3种离子液体的红外光谱图和结构式，可以看出样品的化学结构和官能团都没有改变，没有发生热分解，表明3种离子液体均具有较好的化学稳定性。

图8 [Omim][PF6]样品的红外光谱图

表6 离子液体结构式

3 结束语

依据燃煤电厂的实际情况，本文设计了一套基于离子液体的烟气余热回收存储系统。在实验室条件下，3种离子液体在系统中循环了20次，实验结果表明，离子液体有效地吸收了烟气的热量，将模拟烟气的出口温度下降至18.0 ℃左右，其中[Omim][NTf2]在模拟烟气温度为130.0 ℃时换热率最高，为41.9%。

用热重分析和红外光谱对样品进行了表征。热重分析结果显示，3种离子液体的热分解温度均在350 ℃以上，远大于最高设计工况130 ℃，说明离子液体具有较好的热稳定性。在循环过程中，样品的红外光谱图并未发生改变，说明离子液体具有较好的化学稳定性。本文的研究为离子液体在燃煤电厂烟气余热利用提供了实验依据。