光熱電站熔鹽傳熱儲熱技術應用

王鵬，羅塵丁，巨星

(1.中國電力工程顧問集團新能源有限公司，北京 100120；2.華北電力大學，北京 102206)

光熱電站熔鹽傳熱儲熱技術應用

王鵬1，羅塵丁1，巨星2

(1.中國電力工程顧問集團新能源有限公司，北京 100120；2.華北電力大學，北京 102206)

綜述了當前國內外熔鹽工質的研發進展，包括熔鹽的熱物性改進需求，熔鹽配制發展過程及趨勢等。分析歸納熔鹽傳熱儲熱技術在光熱發電系統中的應用方式，探討不同集熱形式、不同工質下的儲熱、放熱流程，熔鹽的組分、熱鹽需達到的溫度等，熔鹽工質在不同類型光熱電站系統中具備不同的運行方式。

熔鹽；光熱發電；儲熱；傳熱。

光熱電站的儲熱發電能力使其具備極大的發展潛力，有望兼顧基荷、調峰功能。在光熱發電系統中，熔鹽工質得以廣泛應用：不僅被視作較理想的儲熱工質，還被用作吸熱工質，應用于塔式電站集熱系統，甚至在某些槽式電站集熱系統中，低溫熔鹽正逐步被用來嘗試取代傳統導熱油工質。熔鹽傳熱儲熱技術已成為光熱發電領域的研究熱點。本文基于國內外研究文獻資料，總結概述了當前國內外熔鹽工質的研發進展，分析歸納熔鹽傳熱儲熱技術在光熱發電系統中的應用方式，同時探討了熔鹽儲熱系統容量配置的分析模型。

1 熔鹽種類及特點

熔鹽是無機鹽在高溫下熔化形成的液態鹽，是一種不含水的高溫液體，主要特征是熔化時解離為離子，正負離子靠庫侖力相互作用，可用作高溫下傳熱儲熱介質。常見的熔鹽按陰離子不同可劃分為硝酸鹽、氯化鹽、氟化鹽、碳酸鹽或者混合熔鹽等；按主要組成成分的種類數量可分為二元鹽、三元鹽或者多元鹽等。

光熱電站中，相比導熱油工質，熔鹽具有以下優點：① 液體溫度范圍寬。如二元混合硝酸鹽，其液體溫度范圍為240～565℃，三元混合碳酸鹽其液體溫度范圍450～850℃。②飽和蒸汽壓低。熔鹽具有較低飽和蒸汽壓，特別是混合熔鹽，飽和蒸汽壓更低，接近常壓，保證了高溫下熔鹽設備的安全性。③ 密度大。液態熔鹽的密度一般是水的2倍。④黏度較低。⑤具有化學穩定性。⑥ 價格較低。高溫導熱油價格30000～50000元/t，常用混合熔鹽的價格一般小于10000元/t(中廣核德令哈50 MW光熱項目，40%kNO3∶60%NaNO3二元熔鹽采購單價為3386元/t)。但熔鹽在實際應用中也存在著諸多缺點：熔點較高、導熱性能較差、腐蝕性較突出等。如碳酸鹽液態時黏度大且易分解，氯化鹽對容器的腐蝕性較強，硝酸鹽熔解熱較小、熱導率較低。在長時間雨雪天氣等特殊環境下，熔鹽極易在設備、管道中凝固堵管。

3 熔鹽研發

單一組分的熔鹽熔點較高，熱穩定性較差，無法滿足各領域對高溫傳熱儲熱的要求。不同熔鹽混合后，可形成共晶的混合熔鹽具有較低的熔點和較高的分解溫度，故國內外研究人員常采用同類酸根離子鹽之間混合的方式，將常見的硝酸鹽、碳酸鹽、氯化鹽等按照不同組分、比例混合，以配制滿足熱物性要求的混合熔鹽。但由于配制共晶混合熔鹽尚無統一理論指導，故實際工作主要依據對熔鹽熱物性進行準確測量、推算，建立熱物性數據庫及預測計算方法，最終篩選出性能優良的熔鹽配方。

工業應用中常見的三元熔鹽、二元熔鹽熱物性參數見表1。世界上商業化運行的光熱電站大規模使用二元熔鹽Ⅰ(Solar Salt)。該熔鹽熔點約為220℃，最高使用溫度約為565℃，價格低、穩定性好，在光熱發電早期就已受到重視并用于實驗和示范項目，如1996年建成的美國加州Solar Two塔式電站等。對Solar Salt有關性能，如流動特性、液態溫度范圍、比熱容和腐蝕性等的實驗研究和分析已較為深入。目前，Solar Salt在商業化電站中得到了廣泛應用，如西班牙的Andasol，Arcosol 50和Arenales等光熱電站。Solar Salt的缺點主要是熔點較高，必須采取電伴熱和保溫防止熔鹽在儲熱系統和管道內凝固，使得系統運行和維護成本提高。三元熔鹽，如Hitec(見表1)、HitecXL(48%Ca(N O3)2∶45%KNO3∶7%NaNO3)等，相對于Solar Salt熔點明顯降低至150℃以下，系統運行更為安全并減少了啟動停機過程的能耗和運行維護成本。但低熔點熔鹽價格較高，在溫度過高或與空氣接觸情況下易產生分解、沸騰、氧化等問題，目前還未進入大規模商業化應用階段。使用低熔點熔融鹽的電站包括意大利Eurelios塔式光熱電站，西班牙CESA-1，和法國的THEMIS塔式實驗系統等。

表1 常見混合熔鹽熱物性參數

當前熔鹽配制的發展趨勢是通過加入添加劑，降低熔鹽熔點，提高熔鹽最高使用溫度、比熱容，增大儲能密度，減弱腐蝕性。早在2009年，Sandia National Laboratory的Bradshaw等研究者開發的新型混合硝酸鹽，熔點即降到100℃以下。Raade等開發的新型五元混合硝酸鹽熔點為65℃，最高使用溫度為500℃。國內北京工業大學馬重芳教授、吳玉庭教授等配制的熔點在100℃左右的低溫熔鹽，最高使用溫度超過600℃。Fernandez等開發的新型Ca(NO3)2- NaNO3- kNO3- LiNO3熔鹽降低了對鋼材料的腐蝕性，利用LiNO3提高了熔鹽熱穩定性，利用Ca(NO3)2降低了熔鹽熔點、成本。近年來，Andreu-Cabedo等學者在二元SolarSalt熔鹽中加入納米SiO2顆粒，提高了熔鹽熱穩定性與比熱容。Gimenez等在三元Hitec熔鹽中加入5%Na2CO3，將熔鹽上限使用溫度提高30～50℃，在二元硝酸鹽中加入NaCI，提髙了熔鹽熱穩定性，但腐蝕性也有所增強。國內愛能森公司在熔鹽中加入納米粒子(Nano)x，提高了熔鹽導熱系數與比熱容，增大了熔鹽儲能密度。

3 熔鹽傳熱儲熱系統

3.1 塔式熔鹽傳熱儲熱系統

塔式光熱電站集熱器、儲熱系統都采用熔鹽作為工質，系統流程示意圖見圖1。儲熱時：定日鏡將太陽輻射反射至吸熱器，低溫熔鹽(約290℃)吸熱后存儲于高溫熔鹽儲罐內(約550℃)。冷鹽流量通過變頻低溫鹽泵控制，根據模擬量控制系統指令調節進入熔鹽吸熱器熔鹽流量，將低溫熔鹽加熱至額定溫度高溫熔鹽，送至高溫儲罐保存。放熱時：啟動熱鹽泵，高溫熔鹽從熱罐進入熔鹽蒸汽發生器，對水加熱后進入冷罐。利用變頻泵控制熱鹽流量，以滿足熔鹽蒸汽發生器蒸汽出口參數要求。

圖1 塔式熔鹽傳熱儲熱電站系統流程示意圖

3.2 塔式水傳熱熔鹽儲熱系統

塔式光熱電站集熱器采用水工質，儲熱系統采用熔鹽工質，系統流程示意圖見圖2。與塔式熔鹽傳熱儲熱電站不同之處在于儲熱過程通過熔鹽-蒸汽換熱器進行，冷鹽流量通過變頻低溫鹽泵控制，保證熔鹽-蒸汽換熱器熱側與冷側換熱溫差在所限范圍內波動。

圖2 塔式水傳熱熔鹽儲熱電站系統流程示意圖

3.3 槽式導熱油傳熱熔鹽儲熱系統

槽式光熱電站集熱器采用導熱油工質，儲熱系統采用熔鹽工質，系統流程示意圖如圖3所示。儲熱時：集熱器將太陽輻射反射至真空管加熱導熱油，通過導熱油熔鹽換熱器，低溫熔鹽(約290℃)吸熱后存儲于高溫熔鹽儲罐內(約390℃)。放熱時：啟動熱鹽泵，高溫熔鹽從熱罐進入導熱油熔鹽換熱器，對導熱油加熱后進入冷罐。被加熱的導熱油再進入導熱油蒸汽發生器，加熱產生蒸汽滿足主蒸汽參數要求。

圖3 槽式導熱油傳熱熔鹽儲熱電站系統流程示意圖

3.4 槽式熔鹽傳熱儲熱系統

槽式光熱電站集熱器、儲熱系統都采用低溫熔鹽工質，系統流程示意圖如圖4所示。與塔式熔鹽傳熱儲熱電站不同之處在于：① 鏡場采用拋物線槽式集熱器，而非定日鏡、集熱塔與集熱器組成；② 熔鹽采用低溫熔鹽，而非40%kNO3∶60%NaNO3二元熔鹽；③ 沿用槽式光熱電站熱力參數，低于塔式光熱電站，如高溫熔鹽僅需達到約390℃。

圖4 槽式熔鹽傳熱儲熱電站系統流程示意圖

常見熔鹽傳熱儲熱系統都是雙罐設置，某些學者對單罐熔鹽傳熱儲熱系統進行了研究：在一個儲罐內利用冷熱熔鹽密度差自動分層，熱上冷下，構建斜溫層，系統得以簡化。但儲熱和放熱過程需采用特殊熱分層裝置，以致罐體結構復雜、熱效率較低、儲熱成本偏高，實際應用很少。相較傳統水工質熱力系統設計，熔鹽工質特殊的熱物性使得熔鹽傳熱儲熱系統設計具有諸多新特點。

4 結論

本文介紹了熔鹽工質的分類及特點，總結概述了國內外熔鹽工質的研發現狀及趨勢：基于熔鹽的熱物性改進需求，熔鹽配制從單組分發展到多組分，從同酸根離子鹽發展到添加納米顆粒。同時本文分析歸納了熔鹽傳熱儲熱技術在光熱發電系統中的應用，熔鹽工質在不同類型光熱電站系統中具備不同的運行方式。

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Application of Molten Salts for Heat Transfer and Storage Technique for Molten Salts in Concentrating Solar Power Plant

WANG Peng1, LUO Chen-ding1, JU Xing2
(1.New Energy Resources Co. LTD of China Power Engineering Consulting Group, Beijing 100120, China; 2. North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Research and development of molten salts are summarized in this paper, including the improving requirements for the thermophysical properties of molten salts and the changes of preparation processes. And then the different molten-salt systems for heat transfer and storage are dicussed, especially for the temperature setting and various fow-path studying out. The research shows that there are corresponding distinctive molten-salt systems for kinds of concentrating solar power generation.

molten salt; concentrating solar power generation; thermal storage; heat transfer.

TM615

B

1671-9913(2017)02-0067-05

2016-10-28

王鵬(1974- )，男，吉林長春人，博士，高級工程師，從事新能源設計咨詢。