熔鹽儲熱技術的應用現狀

林俊光 仇秋玲 羅海華 趙申軼 張艷梅

1.浙江浙能技術研究院有限公司 杭州 311100 2.上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 熔鹽儲熱技術概況

環境污染和能源安全問題促使新能源、可再生能源的研究與開發進入新的階段,尋求提高能源利用率的先進方法成為全球共同關注的問題。新能源的消納具有十分積極的意義,通過儲能技術,不但可以提高新能源發電的消納能力,使出力曲線更加平滑,而且可以提升能源的綜合利用效率,平滑光電、風電的輸出功率,削峰填谷,從而真正實現能源的梯次利用[1]。

儲熱技術相比于其它儲能技術,系統結構簡單,初投資較低,是實現可再生能源大規模利用,提高能源利用效率、安全性和經濟性的有效途徑。熔鹽作為儲熱介質,具有使用溫度高、傳熱性能好、比熱容大等優點,在太陽能發電領域已經有較為成熟的應用[2]。熔鹽儲熱技術分為潛熱和顯熱兩種方式[3],儲熱方式靈活,是提高清潔能源發電比例,推動霧霾治理的重要技術手段,在工程實踐中具有廣泛的應用和發展前景。

2 熔鹽儲熱材料

熔鹽是一種熔融態液體鹽,工程中使用的熔鹽通常指無機鹽的熔融體。熔鹽是比較理想的儲熱介質,與其它儲熱介質相比,具有以下優點:熔化狀態下的熔鹽離子熔體由陽離子和陰離子組成,導電性能優良;穩定使用溫度在300～1 000 ℃之間,具有廣闊的使用溫度范圍;蒸汽壓力低,熱容量大,溶解雜質的能力很強;具有低黏度,化學性質穩定。

常見的熔鹽傳熱儲熱介質有碳酸鹽、氯化物、氟化物、硝酸鹽等[4]。碳酸鹽熔點高,易分解。氯化物腐蝕性強。氟化物相變體積變化大,導熱系數低。相較而言,硝酸鹽由于具有熱穩定性高、腐蝕性相對較低等優點,最為適合用作熔鹽儲熱介質。硝酸熔鹽在傳熱儲熱的應用中較為常見,由硝酸鉀、硝酸鈉組成的混合熔鹽已成功應用在太陽能熱發電站的商業案例中[5]。美國Solar Two系統[6]采用了Solar Salt二元混合鹽作為儲熱和傳熱介質,這是目前最成熟的熔鹽儲熱系統,奠定了熔鹽在太陽能熱發電領域應用的基礎。

硝酸鹽作為儲熱介質,在熱發電系統中可以大幅提升系統發電效率。Kearney等[7]運用硝酸熔鹽儲熱發電,使蒸汽輪機的發電效率提高了40%。硝酸熔鹽儲熱介質雖然有很多優點,但是在使用中仍然有一些技術問題需要突破,如導熱系數低、熔點高等[8]。研究人員發現,向熔鹽體系中添加石墨,可以提高導熱系數。如添加質量分數為5%～30%的石墨,儲熱介質的導熱系數從3 W/(m·K)提高到25 W/(m·K)[9-10]。Fernandez等[11]將硝酸鋰和硝酸鈣分別加入硝酸鉀-硝酸鈉二元熔鹽體系中,發現添加兩種硝酸單鹽可以使二元熔鹽的熔點大幅降低。除此之外,圍繞擴大硝酸熔鹽儲熱介質使用溫度范圍,提高穩定性和材料結構性能等方面,國內外企業與科研機構仍在開展大量研究。

3 熔鹽儲熱技術應用現狀

截至目前,美國和西班牙等的多個聚光太陽能電站都采用了熔鹽儲熱。2009年3月成功運行的西班牙安達索爾槽式光熱發電站配置了熔鹽儲熱系統,成為全球首個商業化聚光太陽能電站。2010年,意大利阿基米德4.9 MW槽式聚光太陽能電站也使用了熔鹽作為傳熱和儲熱介質。由此可以看出,熔鹽儲熱技術是商業化聚光太陽能電站儲熱系統的首選。目前,光熱發電已經開始由美國和西班牙兩大傳統市場轉向澳大利亞、中國、智利、印度和中東北非地區等新興市場。2020年,新興市場光熱發電裝機容量將達到3 824 MW。

國外熔鹽儲熱技術產業化推廣比較成熟的是美國光環技術公司。2014年,該公司向電網級能源存儲領域推進熔鹽儲熱技術的應用,建設了1 MW示范級能源存儲系統,為大規模能源存儲提供更廉價和切實可行的解決方案,從而使更多的可再生能源接入電網。

目前,我國正在大力提倡發展風力、光伏等新能源發電產業,減少污染嚴重的火力發電。百吉瑞新能源有限公司近幾年來一直致力于熔鹽儲能技術的研發和產品推廣,于2019年建設了國內首個低熔點熔鹽冷熱電三聯供示范項目,不僅能源利用率高,而且運行安全可靠,沒有任何污染排放,為能源綜合利用開辟了一條嶄新的道路。

熔鹽儲熱技術除應用于太陽能發電領域之外,在中高溫領域也有廣泛的應用。與其它方式相比,熔鹽儲熱供熱具有安全可靠、節能環保、控溫精確等優勢。

4 供暖領域應用

清潔供暖技術是當前治理空氣污染的有效途徑之一。其中,電供暖已成大趨勢。決定電供暖經濟性的關鍵是充分利用廉價的谷電制熱。熔鹽儲熱作為一種高效儲熱技術,就是利用谷電加熱熔鹽存儲熱能,可實現大規模供暖。

熔鹽儲熱供暖系統一般采用雙罐熔鹽儲熱技術[12],原理如圖1所示。在夜間谷電時段,熔鹽儲熱供暖系統低溫熔鹽儲罐內的熔鹽約180 ℃,通過熔鹽泵輸送至熔鹽加熱器,被谷電加熱,成為高溫熔鹽,約500 ℃,進入高溫熔鹽儲罐中存儲。在白天用熱時段,高溫熔鹽被熔鹽泵抽出,離開高溫熔鹽儲罐,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,為住宅小區供暖或提供熱水。熔鹽降為低溫,流入低溫熔鹽儲罐。熔鹽儲熱供暖系統在白天供熱時,不需要消耗額外的電力。應用這一系統,只需要將鍋爐房中的燃煤鍋爐替換為熔鹽儲熱-加熱-換熱系統,市政管網供水端和居民用戶使用的末端設備及管道仍可保留使用,可降低燃煤鍋爐的改造成本,實現電網移峰填谷的目的。

圖1 熔鹽儲熱供暖系統原理

熔鹽儲熱供暖系統與電采暖相比,通過使用夜間谷電,使運行費用大幅降低,在北方已有很多應用案例。姚俊彬等[13]設計了一種單罐熔鹽儲熱供暖系統,應用于遼寧阜新政府大樓的煤改電供暖項目,運行結果顯示,滿足用戶冬季供暖水79.9 ℃、回水63.6 ℃的用熱需求。整個系統結構簡單,設備少,運行可靠安全,真正實現了綠色供暖。另一方面,可以用棄風、棄光電加熱熔鹽儲熱進行供暖,有效解決風光電的消納問題。將間斷的棄風、棄光電轉換為穩定的熱源,提高了電能利用效率,增大了風光電場的收益,同時提高了熔鹽儲能供暖系統的經濟性,減少了對環境的污染。

5 余熱回收領域應用

我國鋼鐵行業能源消耗一直居高不下,總能耗占全國工業能耗總和的15%左右,能源利用率則很低,僅為30%～50%[14]。鋼鐵工業所產生的余熱溫度范圍較大,各個工序生產過程中形成的鋼制品、鋼渣廢料、焦炭等都存在大量可回收的熱量,回收這些余熱可用于居民供暖、熱電廠發電、熱水鍋爐回水加熱等,為鋼鐵企業帶來額外的經濟收益。目前,廣泛采用轉爐煙道汽化余熱鍋爐來回收波動性較大的間歇性高溫余熱,將高溫熱能轉化為低品位的低壓飽和蒸汽進行發電,導致余熱資源得不到充分利用。煉鋼爐熔鹽余熱回收發電系統可以將高溫余熱資源與熔鹽換熱,轉化為穩定可持續的高溫蒸汽,使發電功率和能源利用效率得到大幅提升,改善余熱發電系統的經濟性,同時提高余熱發電系統的靈活性。煉鋼爐熔鹽余熱回收發電系統原理如圖2所示。

圖2 煉鋼爐熔鹽余熱回收發電系統原理

煉鋼過程中產生的高溫余熱采用熔鹽作為換熱儲熱介質,煙氣-熔鹽換熱器由多根并聯的金屬管束設置在煙腔內,上下端彼此連通[15]。熔鹽在管束中的流動方向與煙氣的流動方向相反,低溫熔鹽從煙氣出口進入管束,與煙氣換熱成為高溫熔鹽,存儲在高溫熔鹽儲罐中。高溫熔鹽通過熔鹽泵依次經過過熱器、蒸發器、預熱器,與水換熱成為低溫熔鹽,進入低溫熔鹽儲罐。加熱后的水成為過熱蒸汽,驅動汽輪機發電。整個循環系統可以使高溫余熱保持高品質熱能,避免壓力換熱設備的使用,有效降低企業的用能成本,大幅提高鋼鐵廠高溫余熱的回收利用效率。

6 火電靈活性改造領域應用

火電機組靈活性改造的主要目標是改善火電機組最小出力限制,擴大機組出力調節的幅度,減小熱電聯產組合中發電對發熱的配比,即熱電解耦。這樣做,不僅可以提高機組的對外供熱能力,而且能夠提高燃煤供熱機組的靈活性[16]。目前可實現發電機組熱電解耦的技術路線很多,熔鹽儲熱技術是其中的一種重要方法,可以與火電機組熱力系統的參數相匹配,顯著改善火電機組供熱調峰能力[17]。

熔鹽儲熱的火電機組熱電解耦系統利用高溫蒸汽加熱熔鹽儲熱,并實現供熱。發電機組負荷較高,供熱能力盈余時,系統轉為儲熱,即低溫熔鹽經過蒸汽換熱器加熱成為高溫熔鹽,通過熔鹽泵輸送,存儲在高溫熔鹽罐中。換熱后的高溫蒸汽溫度降低,進入供熱聯箱,供應熱能用戶。發電機組負荷低至供熱參數無法保證時,一般負荷率低于65%,系統將轉為放熱,即高溫熔鹽作為加熱源,依次經過過熱器、蒸發器、預熱器,加熱水產生供熱蒸汽,供應熱能用戶。通過熱電解耦,發電機組負荷將不受工業供熱限制,可以提高發電機組的調峰能力。熔鹽儲熱熱電解耦系統原理如圖3所示。

圖3 熔鹽儲熱熱電解耦系統原理

蒸汽加熱熔鹽儲熱的火電機組調峰技術與現有的火電機組調峰技術相比,具有降低能耗、機組運行更節能可靠、改造成本低等優點。通過熔鹽儲熱放熱,不僅解除了供熱蒸汽參數的限制,實現了純凝亞臨界機組的完全熱電解耦,而且拓寬了機組負荷調峰范圍,提高了機組運行靈活性。

7 結束語

熔鹽儲熱技術是提高能源利用效率、減少環境污染的重要技術。筆者介紹了熔鹽儲熱介質所具有的應用范圍廣、蒸汽壓力低、熱容量大等優點。熔鹽儲熱介質中,硝酸鹽最為常見,已在多個光熱電站中使用。對于熔鹽儲熱技術的應用,介紹了國內外代表性企業在產業化推廣方面所做的嘗試。除此之外,還介紹了熔鹽儲熱技術在供暖、余熱回收、火電靈活性改造三個典型領域的應用,進一步說明熔鹽儲熱技術在工程中有很大的發展空間和潛力。