熔鹽儲熱技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

林俊光 仇秋玲 羅海華 趙申軼 張艷梅

1.浙江浙能技術(shù)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(shù)概況

環(huán)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(fā)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(guān)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(shù),不但可以提高新能源發(fā)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(fēng)電的輸出功率,削峰填谷,從而真正實現(xiàn)能源的梯次利用[1]。

儲熱技術(shù)相比于其它儲能技術(shù),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,初投資較低,是實現(xiàn)可再生能源大規(guī)模利用,提高能源利用效率、安全性和經(jīng)濟性的有效途徑。熔鹽作為儲熱介質(zhì),具有使用溫度高、傳熱性能好、比熱容大等優(yōu)點,在太陽能發(fā)電領(lǐng)域已經(jīng)有較為成熟的應(yīng)用[2]。熔鹽儲熱技術(shù)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(fā)電比例,推動霧霾治理的重要技術(shù)手段,在工程實踐中具有廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景。

2 熔鹽儲熱材料

熔鹽是一種熔融態(tài)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(zhì),與其它儲熱介質(zhì)相比,具有以下優(yōu)點:熔化狀態(tài)下的熔鹽離子熔體由陽離子和陰離子組成,導(dǎo)電性能優(yōu)良;穩(wěn)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(zhì)的能力很強;具有低黏度,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。

常見的熔鹽傳熱儲熱介質(zhì)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(dǎo)熱系數(shù)低。相較而言,硝酸鹽由于具有熱穩(wěn)定性高、腐蝕性相對較低等優(yōu)點,最為適合用作熔鹽儲熱介質(zhì)。硝酸熔鹽在傳熱儲熱的應(yīng)用中較為常見,由硝酸鉀、硝酸鈉組成的混合熔鹽已成功應(yīng)用在太陽能熱發(fā)電站的商業(yè)案例中[5]。美國Solar Two系統(tǒng)[6]采用了Solar Salt二元混合鹽作為儲熱和傳熱介質(zhì),這是目前最成熟的熔鹽儲熱系統(tǒng),奠定了熔鹽在太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)。

硝酸鹽作為儲熱介質(zhì),在熱發(fā)電系統(tǒng)中可以大幅提升系統(tǒng)發(fā)電效率。Kearney等[7]運用硝酸熔鹽儲熱發(fā)電,使蒸汽輪機的發(fā)電效率提高了40%。硝酸熔鹽儲熱介質(zhì)雖然有很多優(yōu)點,但是在使用中仍然有一些技術(shù)問題需要突破,如導(dǎo)熱系數(shù)低、熔點高等[8]。研究人員發(fā)現(xiàn),向熔鹽體系中添加石墨,可以提高導(dǎo)熱系數(shù)。如添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～30%的石墨,儲熱介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)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(fā)現(xiàn)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(zhì)使用溫度范圍,提高穩(wěn)定性和材料結(jié)構(gòu)性能等方面,國內(nèi)外企業(yè)與科研機構(gòu)仍在開展大量研究。

3 熔鹽儲熱技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)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(fā)電站配置了熔鹽儲熱系統(tǒng),成為全球首個商業(yè)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(zhì)。由此可以看出,熔鹽儲熱技術(shù)是商業(yè)化聚光太陽能電站儲熱系統(tǒng)的首選。目前,光熱發(fā)電已經(jīng)開始由美國和西班牙兩大傳統(tǒng)市場轉(zhuǎn)向澳大利亞、中國、智利、印度和中東北非地區(qū)等新興市場。2020年,新興市場光熱發(fā)電裝機容量將達到3 824 MW。

國外熔鹽儲熱技術(shù)產(chǎn)業(yè)化推廣比較成熟的是美國光環(huán)技術(shù)公司。2014年,該公司向電網(wǎng)級能源存儲領(lǐng)域推進熔鹽儲熱技術(shù)的應(yīng)用,建設(shè)了1 MW示范級能源存儲系統(tǒng),為大規(guī)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(wǎng)。

目前,我國正在大力提倡發(fā)展風(fēng)力、光伏等新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè),減少污染嚴(yán)重的火力發(fā)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(shù)的研發(fā)和產(chǎn)品推廣,于2019年建設(shè)了國內(nèi)首個低熔點熔鹽冷熱電三聯(lián)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(shù)除應(yīng)用于太陽能發(fā)電領(lǐng)域之外,在中高溫領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。與其它方式相比,熔鹽儲熱供熱具有安全可靠、節(jié)能環(huán)保、控溫精確等優(yōu)勢。

4 供暖領(lǐng)域應(yīng)用

清潔供暖技術(shù)是當(dāng)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(jīng)濟性的關(guān)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(shù),就是利用谷電加熱熔鹽存儲熱能,可實現(xiàn)大規(guī)模供暖。

熔鹽儲熱供暖系統(tǒng)一般采用雙罐熔鹽儲熱技術(shù)[12],原理如圖1所示。在夜間谷電時段,熔鹽儲熱供暖系統(tǒng)低溫熔鹽儲罐內(nèi)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(qū)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(tǒng)在白天供熱時,不需要消耗額外的電力。應(yīng)用這一系統(tǒng),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(tǒng),市政管網(wǎng)供水端和居民用戶使用的末端設(shè)備及管道仍可保留使用,可降低燃煤鍋爐的改造成本,實現(xiàn)電網(wǎng)移峰填谷的目的。

圖1 熔鹽儲熱供暖系統(tǒng)原理

熔鹽儲熱供暖系統(tǒng)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(yīng)用案例。姚俊彬等[13]設(shè)計了一種單罐熔鹽儲熱供暖系統(tǒng),應(yīng)用于遼寧阜新政府大樓的煤改電供暖項目,運行結(jié)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(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,設(shè)備少,運行可靠安全,真正實現(xiàn)了綠色供暖。另一方面,可以用棄風(fēng)、棄光電加熱熔鹽儲熱進行供暖,有效解決風(fēng)光電的消納問題。將間斷的棄風(fēng)、棄光電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的熱源,提高了電能利用效率,增大了風(fēng)光電場的收益,同時提高了熔鹽儲能供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟性,減少了對環(huán)境的污染。

5 余熱回收領(lǐng)域應(yīng)用

我國鋼鐵行業(yè)能源消耗一直居高不下,總能耗占全國工業(yè)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(yè)所產(chǎn)生的余熱溫度范圍較大,各個工序生產(chǎn)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(fā)電、熱水鍋爐回水加熱等,為鋼鐵企業(yè)帶來額外的經(jīng)濟收益。目前,廣泛采用轉(zhuǎn)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?zé)崮苻D(zhuǎn)化為低品位的低壓飽和蒸汽進行發(fā)電,導(dǎo)致余熱資源得不到充分利用。煉鋼爐熔鹽余熱回收發(fā)電系統(tǒng)可以將高溫余熱資源與熔鹽換熱,轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定可持續(xù)的高溫蒸汽,使發(fā)電功率和能源利用效率得到大幅提升,改善余熱發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性,同時提高余熱發(fā)電系統(tǒng)的靈活性。煉鋼爐熔鹽余熱回收發(fā)電系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 煉鋼爐熔鹽余熱回收發(fā)電系統(tǒng)原理

煉鋼過程中產(chǎn)生的高溫余熱采用熔鹽作為換熱儲熱介質(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[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(jīng)過過熱器、蒸發(fā)器、預(yù)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(qū)動汽輪機發(fā)電。整個循環(huán)系統(tǒng)可以使高溫余熱保持高品質(zhì)熱能,避免壓力換熱設(shè)備的使用,有效降低企業(yè)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(lǐng)域應(yīng)用

火電機組靈活性改造的主要目標(biāo)是改善火電機組最小出力限制,擴大機組出力調(diào)節(jié)的幅度,減小熱電聯(lián)產(chǎn)組合中發(fā)電對發(fā)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(xiàn)發(fā)電機組熱電解耦的技術(shù)路線很多,熔鹽儲熱技術(shù)是其中的一種重要方法,可以與火電機組熱力系統(tǒng)的參數(shù)相匹配,顯著改善火電機組供熱調(diào)峰能力[17]。

熔鹽儲熱的火電機組熱電解耦系統(tǒng)利用高溫蒸汽加熱熔鹽儲熱,并實現(xiàn)供熱。發(fā)電機組負(fù)荷較高,供熱能力盈余時,系統(tǒng)轉(zhuǎn)為儲熱,即低溫熔鹽經(jīng)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(lián)箱,供應(yīng)熱能用戶。發(fā)電機組負(fù)荷低至供熱參數(shù)無法保證時,一般負(fù)荷率低于65%,系統(tǒng)將轉(zhuǎn)為放熱,即高溫熔鹽作為加熱源,依次經(jīng)過過熱器、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。通過熱電解耦,發(fā)電機組負(fù)荷將不受工業(yè)供熱限制,可以提高發(fā)電機組的調(diào)峰能力。熔鹽儲熱熱電解耦系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 熔鹽儲熱熱電解耦系統(tǒng)原理

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

7 結(jié)束語

熔鹽儲熱技術(shù)是提高能源利用效率、減少環(huán)境污染的重要技術(shù)。筆者介紹了熔鹽儲熱介質(zhì)所具有的應(yīng)用范圍廣、蒸汽壓力低、熱容量大等優(yōu)點。熔鹽儲熱介質(zhì)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(shù)的應(yīng)用,介紹了國內(nèi)外代表性企業(yè)在產(chǎn)業(yè)化推廣方面所做的嘗試。除此之外,還介紹了熔鹽儲熱技術(shù)在供暖、余熱回收、火電靈活性改造三個典型領(lǐng)域的應(yīng)用,進一步說明熔鹽儲熱技術(shù)在工程中有很大的發(fā)展空間和潛力。