中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：3月23日，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)主辦并聯(lián)合500余家機(jī)構(gòu)共同支持的第十五屆儲(chǔ)能大會(huì)暨展覽會(huì)（簡(jiǎn)稱“CIES2025”）在杭州國(guó)際博覽中心召開。
CIES大會(huì)以“綠色、數(shù)智、融合、創(chuàng)新”為主題，針對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)等重點(diǎn)、熱點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題展開充分探討，分享可持續(xù)發(fā)展政策機(jī)制、資本市場(chǎng)、國(guó)際市場(chǎng)、成本疏導(dǎo)、智能化系統(tǒng)集成技術(shù)、供應(yīng)鏈體系、商業(yè)模式、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、示范項(xiàng)目應(yīng)用案例、新產(chǎn)品以及解決方案的普及和規(guī)模化工程應(yīng)用。
在3月24日下午的儲(chǔ)熱與長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能專場(chǎng)中，北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院院長(zhǎng)助理張燦燦作了題為《低熔點(diǎn)熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展》的主旨演講。
以下內(nèi)容根據(jù)大會(huì)發(fā)言整理提煉，僅供參考。
張燦燦
各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家：
大家下午好！我叫張燦燦，來(lái)自于北京工業(yè)大學(xué)。非常榮幸能在這里向大家匯報(bào)一下低熔點(diǎn)熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)方面的研究進(jìn)展。
本次匯報(bào)主要通過(guò)下面三個(gè)方面：
一、熔鹽儲(chǔ)熱的原理及優(yōu)勢(shì)
什么是熔鹽？熔鹽是通過(guò)兩種或兩種以上的無(wú)機(jī)鹽，按照不同的比例進(jìn)行混配，得到可以降低熔點(diǎn)、提高分解溫度。我們一般用的熔鹽是無(wú)機(jī)熔鹽。
大家可以看看右下角，這個(gè)圖片就是在我們實(shí)驗(yàn)室做的，就是熔鹽加熱完之后像流體一樣，具有非常好的流動(dòng)性。熔鹽作為傳熱和儲(chǔ)熱工質(zhì)，相比較其他類型的高溫工質(zhì)來(lái)說(shuō)，它在高溫下是常壓的狀態(tài)，傳熱性能非常穩(wěn)定，相對(duì)來(lái)說(shuō)價(jià)格比較低。它的缺點(diǎn)就是在低于它的初晶點(diǎn)之后會(huì)發(fā)生凝固，這是我們?cè)谌埯}使用過(guò)程當(dāng)中需要注意的。
目前，在我們的光熱電站或者火電靈活性改造中常用的熔鹽主要是以硝酸基熔鹽為主，同時(shí)氯化鹽也具有非常好的應(yīng)用前景，但是它的熔點(diǎn)比較高，腐蝕性較大。
熔鹽儲(chǔ)熱是一種低成本大容量長(zhǎng)壽命的儲(chǔ)能技術(shù)，在源網(wǎng)荷側(cè)都具有非常大的應(yīng)用前景。比如在太陽(yáng)能光熱電站里面，在火電靈活性改造，包括壓縮空氣儲(chǔ)能電站，包括熱泵儲(chǔ)電，包括在用戶側(cè)都有非常大的應(yīng)用前景。
熔鹽儲(chǔ)熱主要有哪些優(yōu)點(diǎn)？第一是儲(chǔ)能密度高；同時(shí)儲(chǔ)能成本低，可以精準(zhǔn)調(diào)控儲(chǔ)釋熱速率。
前面各位專家也講了現(xiàn)在我們國(guó)家隨著大規(guī)模風(fēng)力光伏并網(wǎng)之后，對(duì)于儲(chǔ)能的需求非常迫切。單單依靠抽水蓄能，沒(méi)有辦法滿足國(guó)家對(duì)于長(zhǎng)時(shí)大規(guī)模儲(chǔ)能的需求，所以繼續(xù)發(fā)展低成本大容量新型的儲(chǔ)能技術(shù)。
熱能占了整個(gè)能耗的一半以上，所以,熱能的存儲(chǔ)對(duì)于國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)也是至關(guān)重要的，這也是通過(guò)源網(wǎng)三個(gè)方面進(jìn)行存儲(chǔ)。
二、熔鹽儲(chǔ)熱的應(yīng)用場(chǎng)景
1.太陽(yáng)能光熱發(fā)電
熔鹽儲(chǔ)熱非常大的一個(gè)場(chǎng)景或者最早的應(yīng)用場(chǎng)景就是在太陽(yáng)能光熱電站。它和光伏電站有什么不同？光熱電站是一個(gè)光-熱-電的轉(zhuǎn)換過(guò)程，光伏電站是從光-電。太陽(yáng)能光熱電站里面，像塔式來(lái)說(shuō)，基本上都用熔鹽作為儲(chǔ)熱、傳熱介質(zhì)，它自帶儲(chǔ)能屬性，所以可以提供連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的電源。
2.熔鹽儲(chǔ)熱調(diào)峰電站
熔鹽儲(chǔ)熱可以用在電加熱熔鹽儲(chǔ)熱熱電聯(lián)供調(diào)峰儲(chǔ)能電站里面，這里面可以通過(guò)把棄風(fēng)棄光的電轉(zhuǎn)化為熱，儲(chǔ)存在熔鹽里面，做成調(diào)峰的儲(chǔ)能電站。
3.熔鹽儲(chǔ)熱火電靈活性改造
我們國(guó)家是世界上燃煤電廠最多、發(fā)電量最大的國(guó)家。現(xiàn)在我們國(guó)家燃煤電廠服役時(shí)間平均約為13年左右，如何將熔鹽儲(chǔ)熱和燃煤電廠結(jié)合起來(lái)，對(duì)電廠進(jìn)行靈活性改造？
這是我們總結(jié)的國(guó)家現(xiàn)有的火電機(jī)組和熔鹽耦合的儲(chǔ)熱現(xiàn)有示范項(xiàng)目（規(guī)劃和在建的），目前有很多項(xiàng)目正在規(guī)劃中。國(guó)家能源集團(tuán)是我們國(guó)家電廠火電機(jī)組最多的一個(gè)集團(tuán)，據(jù)國(guó)家能源內(nèi)部的統(tǒng)計(jì)，大概一半的燃煤電廠有意開展熔鹽儲(chǔ)熱項(xiàng)目。
火電廠熔鹽改造目前主要有這幾個(gè)思路：1.抽主蒸汽加熱，2.再熱蒸汽抽汽，3.電加熱熔鹽。
我們也對(duì)各種方案進(jìn)行了分析，比如再熱蒸汽+電加熱，包括我們提出來(lái)的再熱蒸汽、抽氣與熔鹽儲(chǔ)熱的方案結(jié)合。同時(shí)，我們對(duì)不同的性能進(jìn)行優(yōu)化，得到系統(tǒng)往返效率。
4.谷電或棄風(fēng)棄光電加熱熔鹽儲(chǔ)能供熱
我們可以用谷電或者是棄風(fēng)棄光電去加熱熔鹽，把熱量?jī)?chǔ)存在熔鹽里面進(jìn)行供暖。
5.太陽(yáng)能/余熱加熱熔鹽蓄熱供能系統(tǒng)，這個(gè)在我們西北地區(qū)具有非常大的應(yīng)用前景。
三、低熔點(diǎn)熔鹽傳熱蓄熱技術(shù)研發(fā)進(jìn)展
北京工業(yè)大學(xué)建立了國(guó)內(nèi)比較完整的熔鹽的熱物性綜合測(cè)試系統(tǒng)，從熔鹽材料制備、物性測(cè)試，到大規(guī)模長(zhǎng)周期的實(shí)驗(yàn)。
我們的研究主要通過(guò)以下三個(gè)方面：第一個(gè)是熔鹽材料的制備與熱物性的測(cè)試。在此基礎(chǔ)上，我們對(duì)它的整個(gè)流動(dòng)換熱性能、機(jī)理包括換熱器設(shè)備的研發(fā)，同時(shí)我們進(jìn)行了示范應(yīng)用的研究。
我們對(duì)于熔鹽性能的提高主要通過(guò)以下兩個(gè)方面。因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在用的是熔鹽的顯熱，它的儲(chǔ)熱量Q=cmΔt。如果想提高它的儲(chǔ)熱密度，第一個(gè)就是增加它的Cp，就是增加它的比熱；第二，增加它的ΔT，ΔT相當(dāng)于它最低運(yùn)行溫度和最高運(yùn)行溫度的溫差。
現(xiàn)有的這些熔鹽，可以看出，比如太陽(yáng)鹽，在光熱電站里面經(jīng)常用，它的熔點(diǎn)是220度，最低運(yùn)行溫度290度，最高運(yùn)行溫度大概在565度左右。HITEC鹽是142度，分解溫度535度，但是目前的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，基本上都沒(méi)有超過(guò)450度，最低應(yīng)用大概是180-190。碳酸鹽成本比較高，氯化鹽腐蝕性比較強(qiáng)，所以我們現(xiàn)在要研究低成本、低熔點(diǎn)、寬溫域，同時(shí)是低腐蝕性的混合熔鹽材料。
我們?cè)趺囱芯窟@個(gè)？第一、通過(guò)理論分析，結(jié)合相圖理論和分子動(dòng)力學(xué)模擬得到潛在的不同的熔鹽比例配方，再進(jìn)行優(yōu)化研究。在此基礎(chǔ)上，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得到了一系列低熔點(diǎn)混合熔鹽材料，黑色的是我們現(xiàn)有的太陽(yáng)鹽和HITEC鹽，紅色部分是我們團(tuán)隊(duì)研發(fā)出來(lái)的、篩選出來(lái)的新型的低熔點(diǎn)熔鹽。
第二、增加它的Cp（比熱）。通過(guò)添加納米離子，通過(guò)熔鹽和納米離子進(jìn)行結(jié)合，提高它的熔鹽比熱。我們有不同的方法去制備，得到了不同工藝的納米離子，發(fā)現(xiàn)高溫熔融法得到熔鹽納米流體的性能比較好，我們也進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究。
同時(shí)，我們對(duì)于結(jié)果進(jìn)行了分析、表征，可以看到納米離子在熔鹽里面的分布非常均勻。而且我們進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的恒溫試驗(yàn)，大概一千個(gè)小時(shí)。
我們發(fā)現(xiàn)添加納米顆粒之后，除了增加它的比熱，同時(shí)我們?cè)谧鰧?shí)現(xiàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)它的對(duì)流換熱性能提高了，相當(dāng)于我可以減少換熱器的換熱面積，相當(dāng)于把換熱器的體積減小，同時(shí)換熱成本也降低。
熔鹽都帶有一定的腐蝕性，怎么得到近似于近服役工況的熔鹽的腐蝕性能？我們通過(guò)自己搭建的熔鹽動(dòng)態(tài)腐蝕測(cè)試裝置，研究了它的不同的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)，包括應(yīng)力的腐蝕。我們是全世界第一個(gè)做了低熔點(diǎn)混合熔鹽納米流體的動(dòng)態(tài)腐蝕實(shí)驗(yàn)，得到了其腐蝕特性規(guī)律。
可以看到，隨著它的流速的增加，它的腐蝕是增強(qiáng)的。但我們又發(fā)現(xiàn)非常有意思的現(xiàn)象，加入納米顆粒之后，熔鹽納米流體的腐蝕性低于純?nèi)埯}。
同時(shí)，我們通過(guò)SEM-EDS分析腐蝕特性機(jī)理，得到不同金屬材質(zhì)在熔鹽里面腐蝕性的變化規(guī)律。
我們建了全國(guó)首個(gè)熔鹽對(duì)流換熱試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)于熔鹽的流動(dòng)換熱性能開展了研究，得到的結(jié)果也被美國(guó)愛(ài)達(dá)荷核能實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可，它的實(shí)驗(yàn)報(bào)告里面大篇幅引用了我們的計(jì)算公式作為他們推薦的計(jì)算公式。
我們對(duì)于熔鹽的不同流動(dòng)換熱方式開展了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，包括自然對(duì)流、強(qiáng)迫對(duì)流、射流沖擊。同時(shí)對(duì)于不同的熔鹽換熱器，包括熔鹽印刷電路板換熱器、繞管式熔鹽換熱器等，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬進(jìn)行相互驗(yàn)證。
我們的低熔點(diǎn)混合熔鹽也進(jìn)行了系列示范應(yīng)用，第一個(gè)抽蒸汽加熱熔鹽儲(chǔ)能項(xiàng)目-華能集團(tuán)北方公司魏家峁電廠熔鹽靈活性改造項(xiàng)目用了進(jìn)260噸的低熔點(diǎn)熔鹽，現(xiàn)在已經(jīng)運(yùn)行了兩年多，最低運(yùn)行溫度165度。
我們的熔鹽也應(yīng)用在鋼鐵行業(yè)的熱處理工藝中。同時(shí)，也用低熔點(diǎn)熔鹽做了低谷電供暖示范工程，在河北井陘、內(nèi)蒙古呼和浩特用我們的低谷電熔鹽進(jìn)行了供熱的示范工程。
我們用低熔點(diǎn)熔鹽結(jié)合槽式系統(tǒng)，做了8000瓦的熔鹽傳熱蓄熱示范工程，這也是我們國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃國(guó)際合作項(xiàng)目，為四川川潤(rùn)集團(tuán)設(shè)計(jì)了電加熱耦合光熱熔鹽儲(chǔ)熱一體化系統(tǒng)。
表里為現(xiàn)有低熔點(diǎn)熔鹽的應(yīng)用業(yè)績(jī)。同時(shí)我們也獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、課題及子課題、內(nèi)蒙古自治區(qū)、青海重大專項(xiàng)等資助。
科研論文的成果方面，我們也發(fā)表了大量的中英文論文，也合作牽頭起草熔鹽的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也被升級(jí)為IEC的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。如果以低熔點(diǎn)熔鹽儲(chǔ)熱作為關(guān)鍵搜索，我們團(tuán)隊(duì)發(fā)表的論文排在世界第一。
同時(shí)，我們和國(guó)電投聯(lián)合組建了國(guó)家能源側(cè)的用戶側(cè)儲(chǔ)能創(chuàng)新研發(fā)中心，和浙江綠儲(chǔ)科技成立的光熱熔鹽研發(fā)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，和中船新能源、內(nèi)蒙古百川光熱都成立了聯(lián)合創(chuàng)新研發(fā)平臺(tái)。
綜上所述，低熔點(diǎn)熔鹽是低成本長(zhǎng)壽命大容量的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)，目前來(lái)說(shuō)在太陽(yáng)能光熱電站、谷電，包括鋼鐵余熱利用等方面都有非常大的市場(chǎng)空間。我們團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一系列的低熔點(diǎn)熔鹽配方，提高了它的儲(chǔ)熱密度，降低了熔點(diǎn)，提高了儲(chǔ)能密度。
同時(shí)我們研發(fā)的熔鹽進(jìn)行了一系列的示范應(yīng)用，包括在我們的火電廠應(yīng)用改造低谷電加熱熔鹽蓄熱供暖示范工程，包括太陽(yáng)能發(fā)電示范工程等等得到了應(yīng)用。
在此非常感謝國(guó)家科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京市、青海省和內(nèi)蒙古自治區(qū)等對(duì)我們團(tuán)隊(duì)的大力支持。
謝謝大家，歡迎批評(píng)指正。
