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摘 要 未妥善處理的市政污泥會導(dǎo)致部分的生態(tài)環(huán)境受到不可逆的影響，通過焚燒處理可有效緩解所帶來的危害。但污泥焚燒爐渣中又存在難以固定的重金屬。為有效解決重金屬的固定問題，同時制備低成本、環(huán)境友好的復(fù)合相變儲熱材料，提出以市政污泥焚燒爐渣作為骨架材料，硝酸鉀為相變儲熱材料，采用冷壓-燒結(jié)法制備5種不同質(zhì)量比的污泥焚燒爐渣/硝酸鉀復(fù)合相變儲熱材料，并對其宏觀形貌、微觀形貌、抗壓性能、熱穩(wěn)定性、化學(xué)相容性、傳熱儲熱性能、經(jīng)濟(jì)性及CO2排放量進(jìn)行表征和分析。結(jié)果表明，在100～380 ℃范圍內(nèi)，污泥焚燒爐渣與硝酸鉀的最佳質(zhì)量比為5∶5(樣品SC3)，儲熱密度為322.45 J/g，潛熱為41.75 J/g，最大熱導(dǎo)率為1.04 W/(m?K)；抗壓強(qiáng)度達(dá)到153.78 MPa；兩者間具有良好的化學(xué)相容性，且在樣品SC3中均勻分布；經(jīng)1000次加熱/冷卻循環(huán)后的樣品SC3具有良好的高溫?zé)岱€(wěn)定性；儲熱成本為63.06元/MJ；總CO2排放量為1083.53 kg/t，低于傳統(tǒng)骨架材料基復(fù)合相變儲熱材料的總CO2排放量，有較好的環(huán)境效益，具有較好的可行性。
關(guān)鍵詞 市政污泥；骨架材料；儲熱；熱穩(wěn)定性；化學(xué)相容性
城市中污泥的處理是一個具有挑戰(zhàn)性的問題，污水排放量的增加，致使大量污泥產(chǎn)生，其堆積對周圍的生態(tài)環(huán)境造成不可逆的損害。對污泥進(jìn)行焚燒則是最有效、最徹底的方式，可實(shí)現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化、減量化、無害化處理。但焚燒爐渣中重金屬的有效固定又是另一個難題。為實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)，能源主體占比需要得到轉(zhuǎn)化，非化石能源將增大投入使用量，并同時提高化石能源利用率。然而大規(guī)模電能儲能仍存在存儲成本高，安全性差以及技術(shù)上的欠缺。而儲熱技術(shù)則可安全、大規(guī)模地存儲熱量，能源調(diào)動靈活性強(qiáng)，成為主要的能源儲存形式之一。儲熱技術(shù)包括顯熱、潛熱與熱化學(xué)能儲熱三種方法。其中，顯熱儲熱密度低，熱化學(xué)能儲熱仍不成熟。相比之下，潛熱儲熱具有蓄熱密度大、充放熱溫度恒定、占地面積小的優(yōu)勢，但相變儲熱材料在相變過程易泄漏、導(dǎo)熱性差、易相分離等，限制相變儲熱技術(shù)的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。對此問題，大量學(xué)者提出利用骨架材料封裝相變儲熱材料以達(dá)到填補(bǔ)縫隙防止材料泄漏的效果?？捎米鞴羌懿牧系挠袣溲趸}、硅藻土、氧化鎂、高嶺石、Al2O3、膨脹石墨、碳化硅等。種類豐富的骨架材料為城市固體廢棄物的處理提供了新的技術(shù)思路。Wang等對粉煤灰和K2CO3通過冷壓熱燒結(jié)的方法制備復(fù)合相變儲熱材料，此復(fù)合相變儲熱材料在150次加熱/冷卻循環(huán)后仍保持較好的儲熱性能。王燕等采用鋼渣作為骨架材料，對太陽鹽/鋼渣復(fù)合相變儲熱材料進(jìn)行測試，為工業(yè)廢鋼的回收方式開辟途徑。Yang等制備固碳電石渣-鋼渣/NaNO3復(fù)合相變儲熱材料，結(jié)果證明，此材料不僅有優(yōu)異的儲熱性能，還擁有一定的固碳能力。Xiong等利用蘭炭灰作為骨架材料，證明NaNO3/蘭炭灰復(fù)合相變儲熱材料具有良好的儲熱性能、力學(xué)性能和熱循環(huán)穩(wěn)定性。這些研究探索了部分工業(yè)固廢作為骨架材料的可行性。
為進(jìn)一步探究可作為骨架材料的工業(yè)固廢，本工作采用冷壓燒結(jié)法制備污泥焚燒爐渣/硝酸鉀復(fù)合相變儲熱材料，并對該復(fù)合相變儲熱材料的宏觀形貌、微觀形貌、抗壓性能、熱穩(wěn)定性、化學(xué)相容性、傳熱儲熱性能、經(jīng)濟(jì)性及CO2排放量進(jìn)行表征和分析，驗(yàn)證了污泥焚燒爐渣與硝酸鉀結(jié)合制備復(fù)合相變儲熱材料的可行性。
1 實(shí)驗(yàn)材料及方法
1.1 原材料及處理
實(shí)驗(yàn)所使用的市政污泥來自北京通州污水處理廠。采用的相變材料為硝酸鉀(KNO3)分析純，購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，其純度不低于99%。將初脫水污泥置于溫度為900 ℃的馬弗爐(SX2-5-12 A，蘇州九聯(lián)科技有限公司)中持續(xù)焚燒12 h，并將所得的污泥焚燒爐渣和硝酸鉀分別經(jīng)球磨機(jī)研磨處理30 min后，經(jīng)分篩，得到名義粒徑為0.074 μm的實(shí)驗(yàn)原材料，置于干燥箱(202-3AB型，天津泰斯特儀器有限公司)中于180 ℃下保持干燥。所得的污泥焚燒爐渣，利用X射線熒光光譜儀對其元素及含量以氧化物的形式進(jìn)行表征，如圖1所示，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，達(dá)到37.04%，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.95%，P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.31%。
圖1 污泥焚燒爐渣的XRF表征
1.2 復(fù)合相變儲熱材料的制備
采用冷壓燒結(jié)法制備污泥焚燒爐渣/硝酸鉀復(fù)合相變儲熱材料。在進(jìn)行球磨混合前，借助球磨機(jī)分別將骨架原材料和相變材料研磨至平均粒徑不大于74 μm。然后按照圖2所示的工藝流程進(jìn)行樣品制備，具體操作步驟為：根據(jù)表1所示的預(yù)設(shè)質(zhì)量比，使用分析天平(ME104，梅特勒-托利多公司)稱量污泥焚燒爐渣和硝酸鉀粉末；在行星球磨機(jī)(KE-2 L，啟東市宏宏儀器設(shè)備廠)中，以200 r/min的轉(zhuǎn)速將污泥焚燒爐渣和硝酸鉀粉末球磨30 min，得到混合粉末；將混合粉末放入圓柱形模具，在壓力機(jī)(MSY-50，青島孚潤汽車保修設(shè)備有限公司)上對模具施加54 MPa壓力并保壓3 min，得到圓柱形復(fù)合相變儲熱材料；在空氣氣氛馬弗爐中以2 ℃/min的升溫速率，從室溫加熱至110 ℃，保持60 min以除去樣品中殘留的水分，然后設(shè)置馬弗爐以2 ℃/min的升溫速率從110 ℃升溫至360 ℃，然后保溫2 h，最后關(guān)閉馬弗爐，將復(fù)合相變儲熱材料自然冷卻至室溫，保存在干燥箱中備用。
圖2 復(fù)合相變儲熱材料制備工藝流程
表1 復(fù)合相變儲熱材料樣品配比
2 結(jié)果與討論
2.1 宏觀形貌分析
復(fù)合相變儲熱材料的潛熱與相變材料的含量有關(guān)，因此，在保持復(fù)合相變儲熱材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，硝酸鉀含量越高的復(fù)合相變儲熱材料具備的儲熱性能越優(yōu)異。圖3是5種不同比例的復(fù)合相變儲熱材料的宏觀形貌。
圖3 樣品SC1～SC5的宏觀形貌
可以觀察到樣品SC1、SC2、SC3、SC4和SC5的外貌光滑且無明顯形變。樣品SC4出現(xiàn)了輕微的相變材料泄漏現(xiàn)象，樣品SC5底部出現(xiàn)了一層結(jié)晶物，是由于硝酸鉀泄漏所造成。這種現(xiàn)象是因?yàn)橄跛徕浐枯^高，骨架材料無法完全封裝硝酸鉀，導(dǎo)致硝酸鉀在燒結(jié)過程中泄漏。從儲熱角度來看，初步認(rèn)為污泥焚燒爐渣與硝酸鉀的最佳質(zhì)量比為5∶5，即樣品SC3。
2.2 孔結(jié)構(gòu)特性分析
為了探索硝酸鉀的添加對污泥焚燒爐渣孔結(jié)構(gòu)的影響，在77.3 K的環(huán)境溫度下，對復(fù)合相變儲熱材料的平均孔徑、孔體積和比表面積進(jìn)行了表征。不同比例復(fù)合相變儲熱材料的N2吸附-脫附等溫線和孔徑分布如圖4所示。
圖4 樣品的N2吸附-脫附等溫曲線和孔徑分布圖
由圖4(a)可以看出，復(fù)合相變儲熱材料的N2吸附-脫附等溫線屬于具有H4滯后環(huán)的Ⅲ型等溫線，其孔類型以微孔和中孔為主。由圖4(b)可以看出，不同比例復(fù)合相變儲熱材料的孔徑分布區(qū)間一致，分布在2～50 nm。
污泥焚燒爐渣和復(fù)合相變儲熱材料的比表面積、孔體積和平均孔徑見表2。復(fù)合相變儲熱材料的比表面積、孔體積和平均孔徑均小于污泥焚燒爐渣。樣品SC2的平均孔徑為7.8604 nm，比表面積為0.3148 m2/g，孔體積為0.0025 mL/g，樣品SC3的平均孔徑為4.9222 nm，比表面積為0.4108 m2/g，孔體積為0.0020 mL/g，樣品SC4的平均孔徑為6.7449 nm，比表面積為0.1897 m2/g，孔體積為0.0027 mL/g。相變材料吸附在污泥焚燒爐渣的孔中，減小了復(fù)合相變儲熱材料的孔徑、比表面積和孔體積。
表2 樣品的BET測試結(jié)果
2.3 微觀形貌分析
通過掃描電子顯微鏡對污泥焚燒爐渣、硝酸鉀和樣品SC3的截面結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，如圖5所示。由圖5(a)可觀察出，污泥焚燒爐渣顆粒具有不規(guī)則的形狀，且污泥焚燒爐渣顆粒中存在疏松的孔隙，可為相變材料提供附著位置。由圖5(b)可觀察出，硝酸鉀表面光滑。由圖5(c)、(d)可觀察出，復(fù)合相變儲熱材料結(jié)構(gòu)致密，相變材料被包裹在污泥焚燒爐渣的粒內(nèi)孔和粒間孔中。燒結(jié)過程中，液態(tài)的相變材料在毛細(xì)力和表面張力的共同作用下進(jìn)入污泥焚燒爐渣孔隙，燒結(jié)過程結(jié)束后，兩者形成致密結(jié)構(gòu)。
圖5 樣品的微觀形貌
1000次冷熱循環(huán)前、后樣品SC3的元素分布如圖6所示。元素Al、P、O、Fe、Si和Ca代表污泥焚燒爐渣，元素K和N代表硝酸鉀。顯然，在1000次冷熱循環(huán)前后，元素Al、P、O、Fe、Si、Ca、K和N在樣品SC3中始終均勻分布，表明污泥焚燒爐渣組分和硝酸鉀在1000次冷熱循環(huán)前后分布均勻，樣品SC3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在1000次冷熱循環(huán)前后均相對致密。
圖6 循環(huán)前、后的樣品SC3的元素分布
2.4 化學(xué)相容性分析
相變材料和骨架材料組分之間的化學(xué)兼容性可能會影響復(fù)合相變儲熱材料的熱性能和長期使用。通過XRD和FT-IR分析污泥焚燒爐渣組分與硝酸鉀之間的化學(xué)相容性，如圖7所示。
圖7 污泥焚燒爐渣和硝酸鉀的化學(xué)相容性
從圖7(a)可以看出，硝酸鉀的吸收峰3419 cm-1和1616 cm-1、污泥焚燒爐渣的吸收峰3413 cm-1和1618 cm-1以及樣品SC3的吸收峰3451 cm-1和161 7cm-1是由結(jié)晶水引起的。硝酸鉀和樣品SC3的吸收峰2427 cm-1、1789 cm-1和835 cm-1分別表示OH-的拉伸振動、NO3-的存在和N－O的拉伸振動。污泥焚燒爐渣的吸收峰1384 cm-1和1127 cm-1表示HPO4-。樣品SC3的吸收峰與污泥焚燒爐渣和硝酸鉀的吸收峰一一對應(yīng)，且樣品SC3中未觀察到新的吸收峰出現(xiàn)，表明硝酸鉀和污泥焚燒爐渣組分僅是物理混合，兩者具有良好的化學(xué)兼容性。圖7(b)是1000次冷熱循環(huán)前后樣品SC3的紅外吸收曲線。1000次冷熱循環(huán)后，雖然樣品SC3的吸收峰強(qiáng)度普遍降低，但仍與循環(huán)前樣品SC3中的吸收峰相對應(yīng)，且沒有出現(xiàn)新的吸收峰。這表明樣品SC3具有良好的化學(xué)相容性。
由圖7(c)可以看出，樣品SC3的衍射峰分別對應(yīng)于硝酸鉀衍射峰和污泥焚燒爐渣衍射峰，未出現(xiàn)新的衍射峰。樣品SC3中Fe2O3、Zn2(PO4)OH、Ca3SiO7、Ca8Si5O18、Ca3Al2O6和CaAlSiO4(OH)的含量較低，難以通過XRD檢測到。從圖7(d)中可看出，樣品SC3在1000次冷熱循環(huán)前、后的衍射峰沒有顯著變化，這進(jìn)一步證明污泥焚燒爐渣組分與硝酸鉀具有良好的化學(xué)相容性，樣品SC3具有優(yōu)異的化學(xué)兼容性。
2.5 抗壓性能分析
復(fù)合相變儲熱材料良好的抗壓性能可以保證其能承受一定的外部壓力和重量，減小因外力作用引起的結(jié)構(gòu)破損或變形的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而提升復(fù)合相變儲熱材料的使用壽命及應(yīng)用效果。復(fù)合相變儲熱材料的抗壓強(qiáng)度如圖8所示。
圖8 不同硝酸鉀含量的樣品的抗壓強(qiáng)度
可以看出，復(fù)合相變儲熱材料的抗壓強(qiáng)度與相變材料的含量有關(guān)，當(dāng)硝酸鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時，樣品SC3的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，為153.78 MPa。在樣品SC3(相變材料質(zhì)量含量最佳)中，相變材料在燒結(jié)過程中由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)后流動，促使污泥焚燒爐渣和相變材料的結(jié)合最為緊密。在樣品SC4(相變材料質(zhì)量含量較高)中，相變材料在燒結(jié)過程中泄漏導(dǎo)致復(fù)合相變儲熱材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，抗壓強(qiáng)度降低。在樣品SC1和SC2(相變材料質(zhì)量含量較低)中，相變材料和污泥焚燒爐渣之間的結(jié)合力低于樣品SC3，導(dǎo)致它們的抗壓強(qiáng)度低于樣品SC3。因此，從抗壓性能來看，骨架材料與相變材料的質(zhì)量比(5∶5)也是最優(yōu)的。
根據(jù)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)有研究，Xiong等所制備的NaNO3/蘭炭灰復(fù)合相變儲熱材料抗壓強(qiáng)度為96.98 MPa；王輝祥等所制備的Na2CO3/電石渣復(fù)合相變儲熱材料抗壓強(qiáng)度為22.02 MPa；田曦等所制備的固碳廢舊混凝土/NaNO3復(fù)合相變儲熱材料抗壓強(qiáng)度為121.54 MPa；王曉宇等所制備的黃金尾礦/粉煤灰制備相變儲能材料抗壓強(qiáng)度為33.7 MPa。通過對比，本工作所制備的材料的抗壓強(qiáng)度具有最佳抗壓性能。
2.6 熱循環(huán)穩(wěn)定性分析
儲熱、傳熱性能和高溫?zé)岱€(wěn)定性是復(fù)合相變儲熱材料作為儲熱材料的關(guān)鍵指標(biāo)。復(fù)合相變儲熱材料的儲熱能力由相變材料的顯熱、潛熱和骨架材料的顯熱決定。實(shí)驗(yàn)中，在100～380 ℃范圍內(nèi)，對不同比例的復(fù)合相變儲熱材料的熱性能進(jìn)行了表征。污泥焚燒爐渣、硝酸鉀、樣品SC2、SC3和SC4的比熱容隨溫度變化的曲線如圖9所示。
圖9 KNO3、樣品SC2、SC3和SC4的比熱容曲線
分析看出，樣品SC2、SC3和SC4的潛熱分別為38.99 J/g、41.75 J/g和44.16 J/g。樣品SC2、SC3和SC4的比熱曲線具有兩個峰值。左峰是相變材料固-固相變，而右峰是相變材料固-液相變。硝酸鉀的熔點(diǎn)和潛熱分別為319.0 ℃和108.5 J/g，而樣品SC2、SC3和SC4的熔點(diǎn)分別為328.2 ℃、328.1 ℃和328.0 ℃，均高于硝酸鉀的熔點(diǎn)。因?yàn)樘砑游勰喾贌隣t渣后阻礙了相變材料傳熱，導(dǎo)致熔融過程在較高溫度下發(fā)生。
為檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)所制備復(fù)合相變儲熱材料的熱循環(huán)穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)對最佳比例樣品SC3進(jìn)行了連續(xù)1000次冷熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)，以模擬材料實(shí)際的充放熱過程。熱循環(huán)穩(wěn)定性可通過分析循環(huán)后樣品的熱性能、微觀形貌、抗壓性能來評估,冷熱循環(huán)1000次后的樣品SC3用SC3-1000表示。1000次冷熱循環(huán)前、后樣品SC3的比熱容如圖10所示。
圖10 循環(huán)前、后的樣品SC3比熱容曲線
可以看出，1000次冷熱循環(huán)前后，樣品SC3的比熱容發(fā)生微小的變化。在1000次冷熱循環(huán)過程中，相變材料在高溫下通過復(fù)合相變儲熱材料表面分解揮發(fā)至空氣中，導(dǎo)致樣品SC3-1000的熔點(diǎn)、潛熱降低。1000次冷熱循環(huán)后，樣品SC3的熔點(diǎn)從328.1 ℃下降到327.3 ℃，潛熱從41.75 J/g下降到40.16 J/g。
根據(jù)式(1)可計(jì)算出1000次冷熱循環(huán)前后樣品SC3在100～380 ℃范圍內(nèi)的儲熱密度，并繪制成圖11。
式中，q為儲熱材料的儲熱密度，J/g；cp,1、cp,2為儲熱材料相變前后的比熱容，J/(g?K)；Tl、Th為儲熱材料的計(jì)算下限和上限溫度，K；To、Tt為相變過程的起始溫度和終止溫度，K；?Hm為儲熱材料的相變潛熱，J/g。
圖11 循環(huán)前、后的樣品SC3儲熱密度
可以看出，在100～380 ℃范圍內(nèi)，樣品SC3的儲熱密度從322.45 J/g增加到328.26 J/g，增加了5.81 J/g。1000次冷熱循環(huán)后，樣品SC3的潛熱略微降低，但儲熱密度輕微提升，這是由于1000次冷熱循環(huán)后，樣品SC3比熱容略微變化引起的。
熱導(dǎo)率是評價(jià)復(fù)合相變儲熱材料傳熱性能的關(guān)鍵指標(biāo)。本工作利用激光閃射法(LFA 427，德國耐馳儀器公司)測量樣品的熱擴(kuò)散系數(shù)。測量前，利用模具分別將樣品SC3和污泥焚燒爐渣制成直徑12.7 mm、厚度3.0 mm的薄圓片，然后在100 ℃、240 ℃、350 ℃和380 ℃下分別測試其兩種試樣的熱擴(kuò)散率，然后通過式(2)計(jì)算對應(yīng)的熱導(dǎo)率值。1000次冷熱循環(huán)前、后樣品SC3的熱擴(kuò)散率和熱導(dǎo)率如圖12所示。
式中，λ為儲熱材料的熱導(dǎo)率，W/(m?K)；cp(T)為儲熱材料的比熱容，J/(g?K)；α(T)為儲熱材料的熱擴(kuò)散率，mm2/s；ρ(T)為儲熱材料的密度，g/cm3。
圖12 循環(huán)前、后樣品SC3熱擴(kuò)散率和熱導(dǎo)率
可以看到，樣品SC3的熱擴(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)率隨溫度的升高而降低；樣品SC3在固態(tài)時的熱導(dǎo)率高于液態(tài)時的熱導(dǎo)率。污泥焚燒爐渣的熱導(dǎo)率約為0.327 W/(m?K)，硝酸鉀的熱導(dǎo)率約為0.45 W/(m?K)，而樣品SC3在1000次冷熱循環(huán)前、后的最大熱導(dǎo)率分別為1.04 W/(m?K)和0.95 W/(m?K)，均高于污泥焚燒爐渣和硝酸鉀的熱導(dǎo)率，這是由于硝酸鉀填充在污泥焚燒爐渣的孔隙中，提升了復(fù)合相變儲熱材料的傳熱性能。冷熱循環(huán)前后，樣品SC3在100 ℃、240 ℃、350 ℃和380 ℃下的熱導(dǎo)率均略高于循環(huán)后，表明冷熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)對樣品SC3的導(dǎo)熱性能影響不大。
從1000次冷熱循環(huán)前、后樣品SC3的比熱容、潛熱和熱導(dǎo)率變化來看，樣品SC3具有優(yōu)異的高溫?zé)岱€(wěn)定性。
根據(jù)現(xiàn)有研究，NaNO3/蘭炭灰復(fù)合相變儲熱材料的儲熱密度達(dá)338.24 J/g；固碳廢舊混凝土/NaNO3復(fù)合相變儲熱材料的儲熱密度達(dá)309.30 J/g；固碳電石渣-鋼渣混合材料做骨架材料的復(fù)合相變儲熱材料的儲熱密度達(dá)444.2 J/g；Na2CO3/電石渣復(fù)合相變儲熱材料的儲熱密度達(dá)993.00 J/g。相比之下，本工作所制備的復(fù)合相變儲熱材料有較好的儲熱性能。
2.7 經(jīng)濟(jì)性分析
除了復(fù)合相變儲熱材料的儲熱性能外，經(jīng)濟(jì)成本對其推廣應(yīng)用也有一定的影響。市政污泥屬于城市固體廢棄物，因此其成本為零，據(jù)調(diào)查，硝酸鉀的成本為4424元/t，根據(jù)式(3)計(jì)算得到污泥焚燒爐渣/硝酸鉀復(fù)合相變儲熱材料的原材料成本為2212元/t，根據(jù)式(4)計(jì)算得到污泥焚燒爐渣/硝酸鉀復(fù)合相變儲熱材料的生產(chǎn)成本為2633元/t，根據(jù)式(5)計(jì)算得到污泥焚燒爐渣/硝酸鉀復(fù)合相變儲熱材料的儲熱成本為63.06元/MJ。不同復(fù)合相變儲熱材料的儲熱成本如圖13所示。
式中，P為原材料總成本，元/t；i為各原材料；w為各原材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)；p為各原材料價(jià)格，元/t；Y為復(fù)合相變儲熱材料生產(chǎn)總成本，元/t；x為原材料總成本占生產(chǎn)總成本的百分?jǐn)?shù)，本文取84%；T為復(fù)合相變儲熱材料儲熱成本，元/MJ；q為復(fù)合相變儲熱材料潛熱，MJ/t。
圖13 復(fù)合相變儲熱材料的儲熱成本
兩種以二氧化硅與碳為骨架材料的復(fù)合相變儲熱材料的儲熱成本分別為88.32元/MJ和77.88元/MJ，以污泥焚燒爐渣作骨架材料的復(fù)合相變儲熱材料的儲熱成本要低2～3倍。與聚乙烯/季戊四醇/石墨制備的復(fù)合相變儲熱材料的儲熱成本作對比，污泥焚燒爐渣基復(fù)合相變儲熱材料依舊有一定的價(jià)格優(yōu)越性。因此，與傳統(tǒng)骨架材料基復(fù)合相變儲熱材料相比，污泥焚燒爐渣基復(fù)合相變儲熱材料儲熱成本相對較低，具有良好的商業(yè)應(yīng)用前景。
2.8 CO2排放分析
實(shí)施節(jié)能減排的舉措有助于推動我國的“雙碳”的進(jìn)程。CO2排放總量包括制備工藝階段和原材料生產(chǎn)過程中排放的CO2。污泥焚燒爐渣/硝酸鉀復(fù)合相變儲熱材料的原材料為硝酸鉀和污泥焚燒爐渣，由于污泥焚燒爐渣是固體廢棄物，原材料生產(chǎn)過程中排放的CO2量僅為硝酸鉀生產(chǎn)過程中排放的CO2。根據(jù)《化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 31571—2015)中的數(shù)據(jù)，生產(chǎn)1 t硝酸鉀排放的CO2約為920 kg，根據(jù)式(6)計(jì)算了1 t污泥焚燒爐渣/硝酸鉀復(fù)合相變儲熱材料原材料CO2排放量為460 kg。根據(jù)式(7)計(jì)算了生產(chǎn)1 t污泥焚燒爐渣/硝酸鉀復(fù)合相變儲熱材料在制備工藝階段排放的CO2量為623.53 kg，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見表3。生產(chǎn)1 t污泥焚燒爐渣/硝酸鉀復(fù)合相變儲熱材料排放的CO2總量為1083.53 kg。
式中，cx為原材料生產(chǎn)階段排放的CO2，kg/t；c為各原材料生產(chǎn)階段排放的CO2，kg/t；cy為復(fù)合相變儲熱材料制備過程所排放的CO2，kg/t；k為中國電力的CO2排放系數(shù)，kg/kWh，本文取0.9419 kg/kWh；i為各環(huán)節(jié)；t為各階段需要的時間，h。
表3 復(fù)合相變儲熱材料制備過程CO2排放
假設(shè)采用相同的制備工藝及相變材料制備復(fù)合相變儲熱材料，以污泥焚燒爐渣作為骨架材料制備的復(fù)合相變儲熱材料CO2排放低于以傳統(tǒng)骨架材料制備的復(fù)合相變儲熱材料。不同骨架材料基復(fù)合相變儲熱材料生產(chǎn)過程中排放的CO2如圖14所示，二氧化硅基CO2排放量高達(dá)12386.33 kg/t；碳化硅基CO2排放量為8618.73 kg/t，相比于這兩種傳統(tǒng)骨架材料的CO2排放量，污泥焚燒爐渣基復(fù)合相變儲熱材料的CO2排放量僅為1083.53 kg/t，近乎二者的碳排放量的1/10。與其他復(fù)合相變儲熱材料相比，污泥焚燒爐渣基復(fù)合相變儲熱材料的CO2排放量最低。因此，具有良好的環(huán)境效益。
圖14 復(fù)合相變儲熱材料生產(chǎn)需排放的CO2
3 結(jié) 論
資源化利用污泥焚燒爐渣，降低復(fù)合相變儲熱材料的生產(chǎn)成本。本實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新以污泥焚燒爐渣為骨架材料，硝酸鉀為相變材料，通過冷壓燒結(jié)法制備不同比例的復(fù)合相變儲熱材料。對復(fù)合相變儲熱材料的儲熱性能及其他關(guān)鍵性能進(jìn)行表征分析，并計(jì)算了經(jīng)濟(jì)成本及CO2排放量，主要得出以下結(jié)論：
（1）污泥焚燒爐渣與硝酸鉀的最佳質(zhì)量比為5∶5(樣品SC3)，樣品SC3的儲熱密度為322.45 J/g，潛熱為41.75 J/g，在100～380 ℃范圍內(nèi)的最大熱導(dǎo)率為1.04 W/(m?K)。
（2）樣品SC3具有良好的高溫?zé)岱€(wěn)定性。在100～380 ℃的范圍內(nèi)，1000次加熱/冷卻循環(huán)后的樣品SC3的儲熱密度為328.26 J/g，潛熱為40.16 J/g，最大熱導(dǎo)率為0.95 W/(m?K)。
（3）樣品SC3內(nèi)部結(jié)構(gòu)最為緊密，抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到153.78 MPa。
（4）污泥焚燒爐渣組分與硝酸鉀間具有良好的化學(xué)相容性，且兩者在樣品SC3中分布均勻。
（5）污泥焚燒爐渣/硝酸鉀復(fù)合相變儲熱材料儲熱成本為63.06元/MJ，其總CO2排放量為1083.53 kg/t，低于傳統(tǒng)骨架材料基復(fù)合相變儲熱材料的總CO2排放量，有較好的環(huán)境效益。
