熔鹽儲熱技術(shù)在供熱領(lǐng)域的應(yīng)用

魏子敬

（新鄉(xiāng)中益發(fā)電有限公司，河南 新鄉(xiāng)453000）

熔鹽被廣泛用于光熱發(fā)電領(lǐng)域，在首批20 個光熱發(fā)電示范項目中，18 個采用熔鹽儲熱發(fā)電；已備案新增92 個光熱發(fā)電站清單中86 個采用熔鹽儲熱發(fā)電。熔鹽儲熱系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生系統(tǒng)經(jīng)過光熱電站實踐技術(shù)成熟、穩(wěn)定、可靠。除了在光熱發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用之外，熔鹽儲熱技術(shù)還開始應(yīng)用于蒸汽加熱儲熱供熱和谷電制熱供熱領(lǐng)域。

1 熔鹽儲熱概況

1.1 熔鹽儲熱技術(shù)簡介

熔鹽有不同于水溶液的諸多性質(zhì)，主要包括：（1）熔鹽為離子熔體，通常由陽離子和陰離子組成，具有良好的導(dǎo)電性能，其導(dǎo)電率比電解質(zhì)溶液高1 個數(shù)量級；（2）具有廣泛的使用溫度范圍，通常的熔鹽使用溫度在300～1000℃，新研發(fā)的低熔點混合熔融鹽使用溫度更是擴大到了60～1000℃；（3）飽和蒸汽壓低，保證了高溫下熔鹽設(shè)備的安全性；（4）熱容量大；（5）對物質(zhì)有較高的溶解能力；（6）低黏度；（7）化學(xué)穩(wěn)定性好；（8）原料易獲得，價格低廉，與常見的高溫傳熱蓄熱介質(zhì)——導(dǎo)熱油和液態(tài)金屬相比，絕大多數(shù)熔鹽的價格低廉，且容易獲得。這些優(yōu)異的特性使熔鹽作為熱介質(zhì)，在儲熱領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

熔鹽儲熱技術(shù)是通過高溫高壓蒸汽加熱熔鹽儲能系統(tǒng)，將高品位蒸汽熱量儲存起來，或利用谷電加熱熔鹽儲能系統(tǒng)，放熱時產(chǎn)生高參數(shù)蒸汽，既可用于發(fā)電，也可用于工業(yè)供汽或民用采暖。

1.2 熔鹽儲熱的作用

1.2.1 參與火電機組靈活性改造

在火電機組“即發(fā)即用”的特性中加入了熔鹽“儲能”的屬性，削弱“鍋爐-汽機”的剛性耦合實現(xiàn)熱電解耦，有利于機組靈活運行和進一步提高深度調(diào)峰能力。

1.2.2 利用谷電加熱熔鹽蓄熱工業(yè)供汽

在夜間利用價格優(yōu)惠的低谷電加熱熔鹽蓄熱，白天用熱時將高溫熔鹽抽出，經(jīng)熔鹽-水換熱器加熱水用于工業(yè)供汽。

1.2.3 利用谷電加熱熔鹽蓄熱集中供暖（“煤改電”）

熔鹽蓄熱集中供暖系統(tǒng)，將集中供暖系統(tǒng)的燃煤鍋爐設(shè)備改造成熔鹽蓄熱電加熱系統(tǒng)，利用晚上低谷電加熱熔鹽儲熱，白天通過鹽-水換熱器將循環(huán)水加熱至供暖溫度進行供暖。

1.2.4 利用棄風(fēng)、棄光電加熱熔鹽蓄熱供暖

風(fēng)力、光伏發(fā)電發(fā)展迅速，裝機容量逐年遞增，消納問題也日益突出，棄風(fēng)、棄光造成了極大的能源浪費和經(jīng)濟損失。用棄風(fēng)、棄光電直接加熱熔鹽進行蓄熱供暖，市場潛力巨大。

1.2.5 工業(yè)余熱利用

工業(yè)生產(chǎn)過程中存在大量的間歇式余熱，如：高溫?zé)煔庥酂?、可燃廢氣余熱、冷凝水、廢水余熱等。這些廢熱可以通過熔鹽蓄熱系統(tǒng)儲存起來，轉(zhuǎn)換為可提供持續(xù)供暖或熱水的穩(wěn)定熱源，達到節(jié)能降耗的目的。

2 熔鹽儲熱發(fā)展的背景

2019 年發(fā)改委辦公廳等四部門印發(fā)《貫徹落實<關(guān)于促進儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見>2019-2020 年儲能行動計劃》。組織首批儲能示范項目；推進儲能項目示范和應(yīng)用，推進儲能與分布式發(fā)電、集中式新能源發(fā)電聯(lián)合應(yīng)用；開展儲能保障電力系統(tǒng)安全示范工程建設(shè)；推動儲能設(shè)施參與電力輔助服務(wù)市場。

2020 年國家能源局發(fā)布《首批科技創(chuàng)新（儲能）試點示范項目正式發(fā)布》。首批儲能示范項目分別采用了電化學(xué)儲能、物理儲能、儲熱等多種技術(shù)類型，并覆蓋了儲能的主要應(yīng)用場景，示范效應(yīng)明顯。其中光熱發(fā)電示范項目的建設(shè)推動國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展、培育系統(tǒng)集成商。

2021 年6 月11 日，河南省發(fā)改委和河南省能監(jiān)辦發(fā)布了《關(guān)于加快推進河南省儲能設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》，儲能相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)將進一步發(fā)展。

冬季北方地區(qū)霧霾天氣頻發(fā)已經(jīng)嚴(yán)重影響到了人民群眾的日常生活和身體健康，大量采暖燃煤是污染的主要原因。實施“煤改電”供暖技術(shù)，推廣谷電采暖方式，是有效改善采暖期空氣質(zhì)量的一個重要途徑。

熔鹽蓄熱集中供暖系統(tǒng)，只需將集中供暖系統(tǒng)的燃煤鍋爐設(shè)備改造成熔鹽蓄熱電加熱系統(tǒng)，利用晚上低谷電加熱熔鹽儲熱，白天通過鹽-水換熱器將循環(huán)水加熱至供暖溫度進行供暖。采用該技術(shù)實現(xiàn)了移峰填谷，提高了電網(wǎng)穩(wěn)定性和電能的使用率。

3 熔鹽儲熱技術(shù)主要應(yīng)用形式

隨著熔鹽利用方式日趨多樣化，熔鹽儲熱主要技術(shù)為火電機組抽汽加熱熔鹽儲熱技術(shù)和谷電加熱熔鹽儲熱技術(shù)，應(yīng)用場景包括火電機組深度調(diào)峰改造、火電機組延壽改造、谷電加熱熔鹽供汽等。

運行模式為熱鹽罐熔鹽泵將高溫熔鹽從熱鹽罐抽出，經(jīng)熔鹽-水換熱器將水加熱后送到用戶供熱，高溫熔鹽經(jīng)熔鹽-水換熱器后溫度降低，降溫后的低溫熔鹽回到冷鹽罐。主要材料和設(shè)備有熔鹽、冷鹽罐、熱鹽罐、熔鹽泵、熔鹽-蒸汽換熱器、熔鹽電熱加熱器、蒸汽-水換熱器。

3.1 火電機組深度調(diào)峰改造

可在火電廠建立大容量蓄熱裝置，抽取主蒸汽和再熱蒸汽加熱熔鹽，將熱量儲存起來，放熱時產(chǎn)生高參數(shù)蒸汽用于工業(yè)供汽或民用采暖，實現(xiàn)熱電解耦、增加火電廠調(diào)峰深度，是火電廠靈活性改造的方式之一，其流程如圖1 所示。

圖1 電廠高溫蒸汽加熱熔鹽供熱流程圖

3.2 火電機組延壽改造

將關(guān)停的燃煤電站的鍋爐舍棄，建設(shè)熔鹽儲能裝置，汽輪機改造為背壓機組，利用谷電加熱熔鹽到500℃以上，在峰段通過背壓機組對外供熱供電。

3.3 谷電加熱熔鹽儲熱技術(shù)

在用戶側(cè)建設(shè)熔鹽儲能裝置，利用低谷電加熱熔鹽儲熱裝置，將熱量儲存在高溫熔鹽罐中，供熱時利用高溫熔鹽加熱水，換熱后的低溫熔鹽進入低溫熔鹽罐中，形成一個熔鹽加熱-升溫-換熱-降溫完整的循環(huán)，實現(xiàn)對小區(qū)清潔供暖或工業(yè)供汽，其流程如圖2 所示。

圖2 谷電加熱熔鹽供熱流程圖

4 熔鹽儲熱技術(shù)特點和存在問題

4.1 熔鹽儲熱技術(shù)特點

（1）儲熱功率大，可以實現(xiàn)百兆瓦級儲能。

（2）儲熱時間長，可以實現(xiàn)單日10h 以上的儲熱能力。

（3）儲熱參數(shù)高，熔鹽儲熱溫度可達480℃或更高，放熱蒸汽參數(shù)可以達到亞臨界參數(shù)。

（4）儲熱速度快，可以滿足負(fù)荷大幅度波動的調(diào)節(jié)需求。

（5）儲熱效率高，接近抽水蓄能綜合效率，能耗低。

（6）使用壽命長，熔鹽儲熱系統(tǒng)使用壽命可達30 年以上。

（7）系統(tǒng)運行靈活，模塊化設(shè)計，儲熱功率模塊和容量模塊相互獨立，儲熱過程和發(fā)熱過程相互獨立，運行靈活，且可根據(jù)需求定制儲熱方案。

（8）運行安全可靠，機組低負(fù)荷出力工況時，鍋爐及其輔機系統(tǒng)運行在較高出力，機組經(jīng)濟性和安全性高。

4.2 熔鹽儲熱技術(shù)存在問題

4.2.1 熔鹽質(zhì)量問題

熔鹽品種有二元鹽（40%KNO3+60%NaNO3）、三元鹽（53%KNO3+7%NaNO3+40%NaNO2）和低熔點熔鹽產(chǎn)品等。在熔鹽選用中，若雜質(zhì)離子（如氯離子、硫酸根離子、銨根離子、碳酸根離子等）含量不能嚴(yán)格把關(guān)，將會導(dǎo)致最終的產(chǎn)品性能大打折扣，從而影響儲換熱效率，嚴(yán)重時可能腐蝕設(shè)備管道造成熔鹽泄漏事故，或者堵塞管道導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。因此，雜質(zhì)含量是評判熔鹽品質(zhì)的重要指標(biāo)。

熔鹽質(zhì)量好壞以是否能夠滿足熔鹽相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備25 年以上安全、穩(wěn)定、高效運行為準(zhǔn)，主要分為兩方面：

（1）熔鹽本身作為蓄熱工質(zhì)的質(zhì)量保證。主要要求熔鹽在長期使用過程中物理化學(xué)性能保持穩(wěn)定，比重、比熱、粘度等各項熱物性參數(shù)變化小，揮發(fā)量小。

（2）熔鹽對過流部件及設(shè)備的影響。主要包括熔鹽罐、熔鹽泵、熔鹽管路、閥門、接觸式測試設(shè)備、熔鹽吸熱器、熔鹽-導(dǎo)熱油換熱器、熔鹽-水工質(zhì)預(yù)熱器、蒸發(fā)、過熱和再熱器等熔鹽流經(jīng)設(shè)備的腐蝕、形變和熱應(yīng)力破壞等影響，需要保證這些設(shè)備在設(shè)計使用壽命內(nèi)的正常工作。

國內(nèi)當(dāng)前對儲熱熔鹽的測試方法、測試項目、組分指標(biāo)的要求尚沒有統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)階段，高純度的熔鹽制備仍有較大難度，需要特定工藝去除雜質(zhì)離子。因此，在選擇產(chǎn)品供應(yīng)商時，可從以下幾個方面來界定產(chǎn)品品質(zhì)：

（1）產(chǎn)品主成分含量及其他雜質(zhì)離子含量，可通過產(chǎn)品的組分檢測來實現(xiàn)界定。純度高的產(chǎn)品較之低純度產(chǎn)品的熔點可降低3℃以上，上限分解溫度提高13℃左右，同時黏度及腐蝕性也可大大降低，劣化分解形成沉淀使設(shè)備結(jié)垢的風(fēng)險隨之降低。

（2）產(chǎn)品含水量，即干燥程度。含水量的高低將會影響儲熱能力和采購成本。

（3）產(chǎn)品的復(fù)配均勻度，這與復(fù)配的工藝及精細(xì)度有關(guān)?？蓮漠a(chǎn)品的色澤、顆粒均勻度粗略判斷，再通過產(chǎn)品的性能測試進一步判斷，如熔點、上限使用溫度、黏度、導(dǎo)熱、密度等參數(shù)。

4.2.2 腐蝕問題

儲熱熔鹽中的氯離子、硫酸根離子、銨根離子、碳酸根離子等尤其需要注意，尤其是高溫條件下氯離子對設(shè)備的腐蝕性更是成幾何倍數(shù)增加，嚴(yán)重影響著生產(chǎn)安全和運行壽命。高溫中氯離子每增高10ppm 將增加腐蝕性8%~12%，超過界限值將大大減少設(shè)計壽命。

熔鹽的腐蝕性會對熔鹽罐、熔鹽泵、熔鹽電加熱器、熔鹽吸熱器等產(chǎn)生一定的化學(xué)腐蝕或者應(yīng)力腐蝕，特別是使用過程中極大的溫差變化造成的應(yīng)力腐蝕可以導(dǎo)致熔鹽罐焊縫破裂。腐蝕產(chǎn)生的原因也較多，包括材質(zhì)的選擇、施工工藝、生產(chǎn)管理等多個方面。

降低熔鹽對儲熱設(shè)備的腐蝕問題，就需要采用低氯低硫的熔鹽產(chǎn)品。降低腐蝕可采取的措施有以下幾點：

（1）提高熔鹽產(chǎn)品的品質(zhì)，尤其是降低易引起腐蝕的氯離子、硫酸根離子等，降低易沉積、結(jié)垢的雜質(zhì)離子等。

（2）選用合適的具有較強抗腐蝕性的材料制作設(shè)備，并且在設(shè)備制造和使用之前對設(shè)備進行防腐蝕處理。

（3）運行過程中，做好溫度監(jiān)測，避免局部過熱使熔鹽劣化變質(zhì)而加劇對設(shè)備的腐蝕。

（4）對于有些熔鹽產(chǎn)品，還需要使用惰性氣體進行保護。

5 結(jié)論及建議

（1）2021 年6 月11 日，河南省發(fā)改委和河南省能監(jiān)辦發(fā)布了《關(guān)于加快推進河南省儲能設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》，儲能相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)將進一步發(fā)展，建議繼續(xù)關(guān)注儲能各技術(shù)發(fā)展和市場應(yīng)用情況，做好技術(shù)儲備。

（2）繼續(xù)關(guān)注熔鹽儲熱相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，與設(shè)計院等單位保持密切溝通聯(lián)系，加強技術(shù)溝通交流。

（3）針對熔鹽儲熱相關(guān)市場應(yīng)用情況，適時進行實地調(diào)研，調(diào)研相關(guān)單位盈利狀況和設(shè)備運行情況。

（4）火電機組結(jié)合靈活性改造項目，探討在廠內(nèi)建立大容量蓄熱裝置，實現(xiàn)熱電解耦，增加火電廠調(diào)峰深度的可行性。

（5）根據(jù)清潔取暖試點的推廣，繼續(xù)深入開展蒸汽加熱熔鹽或谷電加熱熔鹽儲熱研究工作，適時布局熔鹽供熱市場。

（6）風(fēng)電、光伏項目可探討建設(shè)熔鹽儲熱可行性，加快風(fēng)光儲一體化，減少棄風(fēng)棄光率。