中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：前不久，人民網(wǎng)以《炙手可熱的“熔鹽”》為題，介紹了熔鹽的優(yōu)異傳熱儲(chǔ)熱性能，在清潔取暖和太陽(yáng)能熱發(fā)電中的應(yīng)用，引起了廣泛關(guān)注。近日，太陽(yáng)能光熱聯(lián)盟理事單位——中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司從技術(shù)角度對(duì)熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了介紹。
CCTC®01
01 背景
在全球氣候變暖和不可再生能源日漸枯竭的背景下，可再生能源的研究與開(kāi)發(fā)快速發(fā)展。傳統(tǒng)工業(yè)的低能源利用效率，太陽(yáng)能、風(fēng)能的不穩(wěn)定性，均需要配套儲(chǔ)能來(lái)解決能源供給與需求在時(shí)間、空間、強(qiáng)度上的不匹配問(wèn)題。
2021年7月，《國(guó)家發(fā)展改革委國(guó)家能源局關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》（發(fā)改能源規(guī)〔2021〕1051號(hào)）將發(fā)展新型儲(chǔ)能作為提升能源電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力、綜合效率和安全保障能力，支撐新型電力系統(tǒng)建設(shè)的重要舉措。意見(jiàn)鼓勵(lì)以需求為向?qū)?，推?dòng)技術(shù)進(jìn)步，探索開(kāi)展儲(chǔ)熱及其他儲(chǔ)能技術(shù)的研究和示范應(yīng)用。
02 基本原理
熔鹽是指熔融態(tài)下的液體鹽，工程中使用的熔鹽通常指無(wú)機(jī)鹽熔融體。熔鹽具有高沸點(diǎn)、低粘度、低蒸汽壓力和高體積熱的特點(diǎn)，是一種優(yōu)良的傳熱儲(chǔ)熱介質(zhì)。熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)即利用熔鹽在升溫和降溫過(guò)程中的溫差實(shí)現(xiàn)熱能存儲(chǔ)。
03 光熱發(fā)電領(lǐng)域
世界上第一個(gè)配置熔融鹽蓄熱儲(chǔ)能技術(shù)的太陽(yáng)能光熱發(fā)電項(xiàng)目是Solar Two實(shí)驗(yàn)電站，它為熔融鹽在光熱發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。2009年3月成功運(yùn)行的西班牙安達(dá)索爾槽式光熱發(fā)電站配置了熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)，成為全球首個(gè)商業(yè)化聚光太陽(yáng)能電站。由中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司負(fù)責(zé)總承包的青海共和50MW光熱電站采用了熔鹽塔式技術(shù)路線，其熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)可在無(wú)太陽(yáng)的情況下，供發(fā)電系統(tǒng)繼續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行6小時(shí)。
圖1 中電建青海共和50MW共和光熱發(fā)電項(xiàng)目
二元鹽Solar Salt（60%硝酸鈉+40%硝酸鉀）是目前多數(shù)光熱電站選用的傳儲(chǔ)熱工質(zhì)，其熔點(diǎn)為220℃，最高工作溫度可達(dá)600℃。光熱電站一般采用冷/熱熔鹽雙儲(chǔ)罐存放熔鹽，冷熔鹽貯罐內(nèi)的熔融鹽經(jīng)熔鹽泵輸送到太陽(yáng)能集熱器內(nèi)，吸收熱能升溫后進(jìn)入熱熔鹽儲(chǔ)罐中，隨后高溫熔融鹽流進(jìn)熔鹽蒸汽發(fā)生器，產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪機(jī)運(yùn)行發(fā)電，而熔鹽溫度降低后流回冷熔鹽儲(chǔ)罐。光熱發(fā)電站實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，日照強(qiáng)度會(huì)不斷變化，傳儲(chǔ)熱系統(tǒng)需要依據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)管道內(nèi)熔鹽的溫度、壓力及時(shí)調(diào)整熔鹽流速，以保障系統(tǒng)穩(wěn)定工作，電站出力總體平穩(wěn)。
圖2 光熱發(fā)電熔鹽蓄熱儲(chǔ)能循環(huán)系統(tǒng)的工藝流程
CCTC®04
04 供暖領(lǐng)域
谷電蓄熱供熱技術(shù)是近年來(lái)新興的供熱技術(shù)之一，利用夜間低谷電加熱儲(chǔ)能介質(zhì)，將夜間富余的低谷電力轉(zhuǎn)換為熱能進(jìn)行儲(chǔ)存，待用熱時(shí)進(jìn)行供熱，有效解決了能量供求時(shí)間上不匹配的問(wèn)題，轉(zhuǎn)移了富余的低谷電力，提高了能源綜合利用效率，帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)可實(shí)現(xiàn)谷電蓄熱，熔鹽儲(chǔ)能供暖系統(tǒng)原理如下圖。在夜間谷電時(shí)段，熔鹽泵將低溫熔鹽儲(chǔ)罐內(nèi)冷熔鹽輸送至熔鹽加熱器，利用谷電加熱，并在高溫儲(chǔ)罐中存儲(chǔ)，在日間用熱時(shí)段，高溫熔鹽被熔鹽泵抽出，流入熔鹽-水換熱器。市政用水在換熱器中與高溫熔鹽換熱成為熱水，為住宅小區(qū)供給熱能或熱水。系統(tǒng)內(nèi)熔鹽降溫后流回低溫熔鹽儲(chǔ)罐。
圖3 熔鹽儲(chǔ)能供暖系統(tǒng)原理
熔鹽蓄熱供暖系統(tǒng)與水蓄熱、固體蓄熱、箱變蓄熱對(duì)比，綜合占地面積、系統(tǒng)安全、使用壽命、儲(chǔ)能密度等因素考慮，占有明顯優(yōu)勢(shì)，詳見(jiàn)表1。
表1 不同蓄熱供暖技術(shù)對(duì)比表
CCTC®05
05 余熱回收領(lǐng)域
我國(guó)鋼鐵行業(yè)能源消耗一直居高不下，總耗能占全國(guó)工業(yè)耗能綜合的15%左右，能源利用率偏低，僅為30%~50%左右[1]。鋼鐵工業(yè)所產(chǎn)生的余熱溫度范圍較大，各個(gè)工序生產(chǎn)過(guò)程中形成的鋼制品、鋼渣廢料、焦炭等都存在大量可回收的熱量。目前廣泛使用的轉(zhuǎn)爐煙氣余熱回收系統(tǒng)，只能將高溫余熱轉(zhuǎn)化為低品位的低壓飽和蒸汽發(fā)電，余熱資源利用不充分。
鋼鐵爐熔鹽余熱回收發(fā)電系統(tǒng)原理如下圖，煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的高溫余熱采用熔鹽作為換熱儲(chǔ)能介質(zhì)，煙氣-熔鹽換熱器由多根并聯(lián)的金屬管束設(shè)置在煙腔內(nèi)，上下端彼此連通。熔鹽在管束中的流動(dòng)方向與煙氣的流動(dòng)方向相反，低溫熔鹽從煙氣出口進(jìn)入管束，與煙氣換熱成為高溫熔鹽，存儲(chǔ)在高溫熔鹽儲(chǔ)罐中。高溫熔鹽通過(guò)熔鹽泵依次經(jīng)過(guò)過(guò)熱器、蒸發(fā)器、預(yù)熱器，與水換熱成為低溫熔鹽，重回到低溫熔鹽儲(chǔ)罐。蒸發(fā)器內(nèi)生成的過(guò)熱蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪器發(fā)電。相比之下，鋼鐵爐熔鹽余熱回收發(fā)電系統(tǒng)可以使高溫余熱轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)熱能，產(chǎn)生穩(wěn)定可持續(xù)的高溫蒸汽，使發(fā)電功率和能源效率得到大幅提升，提高了余熱發(fā)電系統(tǒng)的靈活性。
圖4 鋼鐵爐熔鹽余熱回收發(fā)電系統(tǒng)原理
CCTC®06
06 火電靈活性改造領(lǐng)域
火電靈活性改造的主要目標(biāo)是改善火電機(jī)組的最小出力限制，擴(kuò)大機(jī)組出力調(diào)節(jié)的幅度，減小熱電聯(lián)產(chǎn)組合中發(fā)電對(duì)發(fā)熱的配比，即熱電解耦。目前實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組熱電解耦的技術(shù)路線較多，熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)是其中重要方法之一，其可與火電機(jī)組熱力系統(tǒng)參數(shù)相匹配，顯著改善火電機(jī)組供熱調(diào)峰能力。
熔鹽儲(chǔ)能熱電解耦系統(tǒng)原理如下圖[2]，該系統(tǒng)利用高溫蒸汽加熱熔鹽儲(chǔ)能，并實(shí)現(xiàn)供熱。當(dāng)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷較高，供熱能力過(guò)剩時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為儲(chǔ)熱模式，即低溫熔鹽經(jīng)過(guò)蒸汽換熱器加熱成為高溫熔鹽，通過(guò)熔鹽泵輸送至高溫熔鹽儲(chǔ)罐中存儲(chǔ)。換熱后的高溫蒸汽溫度降低，進(jìn)入供熱聯(lián)箱，供應(yīng)熱能用戶。當(dāng)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷低至供熱參數(shù)無(wú)法保證時(shí)（＜65%），系統(tǒng)將進(jìn)入放熱模式，即高溫熔鹽作為加熱源，依次經(jīng)過(guò)過(guò)熱器、蒸發(fā)器、預(yù)熱器，加熱水產(chǎn)生供熱蒸汽，供應(yīng)熱能用戶。通過(guò)熱電解耦，火電機(jī)組將不受工業(yè)供熱限制，發(fā)電機(jī)組的調(diào)峰能力得到提高，機(jī)組運(yùn)行的靈活性得到了增加。
蒸汽加熱熔鹽儲(chǔ)能的火電機(jī)組調(diào)峰技術(shù)與現(xiàn)有的火電機(jī)組調(diào)峰技術(shù)相比，具有能耗低、機(jī)組運(yùn)行更節(jié)能可靠，改造成本低等優(yōu)點(diǎn)。
圖5 熔鹽儲(chǔ)能熱電解耦系統(tǒng)原理
07 結(jié)語(yǔ)
熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)還亟待更深入的工程研究及更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景挖掘。一批研究者正在探尋熔點(diǎn)更低，工作溫度更高，工業(yè)制取更簡(jiǎn)單，儲(chǔ)能效率更高的多元熔鹽，以滿足不斷發(fā)展的儲(chǔ)能需求[3]。隨著研究不斷深入，熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)在減少環(huán)境污染和提高能源效率等方面將釋放更大的潛力。
（來(lái)源：中國(guó)電建西北院）
