熔鹽儲熱技術(shù)應(yīng)用淺析

摘 要：在全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型與“雙碳”目標(biāo)的推動下，熔鹽儲熱技術(shù)憑借其高儲熱密度、長壽命和低成本等優(yōu)勢，成為解決可再生能源波動性與電網(wǎng)調(diào)峰需求之間矛盾的關(guān)鍵技術(shù)之一。鑒于此，系統(tǒng)分析了熔鹽儲熱的技術(shù)原理、分類及其在光熱發(fā)電、工業(yè)供熱、燃煤電廠調(diào)峰調(diào)頻等領(lǐng)域的應(yīng)用前景，通過典型案例研究，驗證了熔鹽儲熱在提升火電靈活性，促進(jìn)余熱回收及實現(xiàn)光熱電站連續(xù)發(fā)電方面的顯著成效，希望能助力“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：熔鹽儲熱；光熱發(fā)電；工業(yè)余熱回收；燃煤電廠調(diào)峰調(diào)頻；碳中和

中圖分類號：TM621" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）07-0086-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.07.022

1" " 應(yīng)用背景

在全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型與“雙碳”目標(biāo)的驅(qū)動下，可再生能源（如風(fēng)電、光伏）的滲透率快速提升，到2030年，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將進(jìn)一步達(dá)到12億kW以上[1]，風(fēng)光電力將面臨前所未有的消納壓力，其發(fā)電的間歇性與不穩(wěn)定性也對電網(wǎng)調(diào)峰能力提出了更高要求。傳統(tǒng)火電機(jī)組在深度調(diào)峰（負(fù)荷低于30%）時存在效率低、成本高、安全性差等問題，特別是三北地區(qū)以熱定電的生產(chǎn)模式大大降低了機(jī)組運行的靈活性，使其難以參與電網(wǎng)的深度調(diào)峰，造成大量的風(fēng)光棄電[2]。同時，工業(yè)供熱、余熱回收等領(lǐng)域?qū)Ω咝峒夹g(shù)的需求日益迫切。在這一背景下，熔鹽儲熱技術(shù)憑借其高儲熱密度、長壽命、低成本及環(huán)境友好性，成為解決能源供需時空錯配問題的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]。

熔鹽儲能是全球第三大儲能模式，是一種大容量、長時間（6～8 h）的儲能技術(shù)路徑，在全球儲能市場中占比約1.6%。與目前主流的鋰電儲能技術(shù)相比，熔鹽儲能具有壽命長、規(guī)模化成本低、安全性高等優(yōu)勢，在未來多種儲能并存的情境下，熔鹽儲能或?qū)⒄紦?jù)重要位置[4]。熔鹽儲能目前主要應(yīng)用在火電廠儲能改造、工業(yè)余熱儲能、谷電工業(yè)制熱、光伏棄電儲能、風(fēng)力棄電儲能、交通運輸儲能等領(lǐng)域。

2" " 熔鹽儲熱的原理與分類

2.1" " 基本原理

熔融鹽（如硝酸鈉、硝酸鉀）是不含水的高溫?zé)o機(jī)鹽，特征在于熔化時以離子形式存在，正負(fù)離子靠庫侖力相互作用，在高溫環(huán)境下，可作為以液體或固液相變形式傳熱蓄熱的介質(zhì)。單一組分的熔融鹽熔點較高、熱穩(wěn)定性較差，通過混合不同的熔融鹽，可以形成共晶的混合熔融鹽，其具有以下突出優(yōu)點：較低的熔點和較高的分解溫度，適合各領(lǐng)域?qū)Ω邷貍鳠嵝顭岬男枨?；工作溫度范圍廣（通常為290～565 ℃），通過吸熱與放熱過程實現(xiàn)熱能存儲與釋放。具體流程包括：儲熱階段——利用棄電、低谷電或工業(yè)余熱加熱熔鹽，溶液以顯熱或相變過程來存儲熱能；釋熱階段——高溫熔鹽通過換熱器產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動發(fā)電或直接供熱。

2.2" " 分類

熔鹽儲熱按技術(shù)路線可分為：

1）顯熱儲熱：依賴液態(tài)熔鹽溫度變化儲存能量，適用于大規(guī)模儲能（如光熱電站），常見的已成熟應(yīng)用的熔融鹽有solar salt、Hitec、Hitec XL等三種硝酸鹽。

2）潛熱儲熱（相變儲熱）：相變技術(shù)是指將熔鹽填充到骨架中，制成定型復(fù)合相變材料來解決熔鹽對容器材料的強(qiáng)腐蝕性、過冷性以及低傳熱特性[約為0.5 W/（m·k）]等問題。在定型復(fù)合相變材料中，熔鹽用于儲存熱能，骨架則起到形狀穩(wěn)定劑和導(dǎo)熱增強(qiáng)劑的作用。利用熔鹽相變過程的潛熱，提升儲熱密度，但該技術(shù)復(fù)雜度較高。

3" " 熔鹽儲熱的應(yīng)用方向

3.1" " 光熱發(fā)電

光熱發(fā)電系統(tǒng)通過聚光裝置（如定日鏡陣列）將太陽能聚焦至吸熱塔頂部的熔鹽儲罐，加熱熔鹽至液態(tài)高溫狀態(tài)（通常達(dá)565 ℃）。高溫熔鹽儲存于保溫罐中，需發(fā)電時通過換熱器將熱能傳遞給水工質(zhì)，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電。熔鹽的顯熱特性使其能夠在無光照條件下持續(xù)釋熱，實現(xiàn)24 h穩(wěn)定供電。

甘肅敦煌100 MW熔鹽塔式光熱電站采用雙罐儲熱系統(tǒng)，配置12 h儲熱容量，年發(fā)電量達(dá)3.9億kW·h，減少二氧化碳排放35萬t/a。其核心創(chuàng)新點在于通過優(yōu)化熔鹽循環(huán)路徑，將光熱轉(zhuǎn)換效率提升至45%，顯著高于傳統(tǒng)光伏電站。

3.2" " 工業(yè)供熱與余熱回收

工業(yè)供熱系統(tǒng)中，熔鹽在低谷時段通過電加熱或工業(yè)余熱升溫至液態(tài)，儲存于高溫罐中；在需求高峰時，高溫熔鹽經(jīng)換熱器釋放熱能，為紡織、食品加工等企業(yè)提供穩(wěn)定蒸汽或熱風(fēng)。余熱回收則通過熔鹽直接吸收工業(yè)流程中的高溫廢氣（如煉鋼爐煙氣），將熱能轉(zhuǎn)化為蒸汽發(fā)電或工藝用熱，提升能源利用率。

寶鋼集團(tuán)在煉鋼工序中引入熔鹽余熱回收系統(tǒng)，將1 200 ℃的爐氣余熱儲存于硝酸鹽儲罐，年回收熱能相當(dāng)于2.5萬t標(biāo)煤，減少碳排放6.8萬t。此外，浙江某紡織企業(yè)采用熔鹽谷電儲熱裝置，夜間加熱熔鹽儲存熱能，日間供蒸汽，年節(jié)約用能成本超300萬元。

3.3" " 燃煤電廠調(diào)峰調(diào)頻

3.3.1" " 電加熱式火（熱）電機(jī)組靈活改造

電加熱式火（熱）電機(jī)組靈活改造主要是采用電加熱將汽輪機(jī)多余出力轉(zhuǎn)化為熱能儲存在熔鹽中，將熔鹽儲熱系統(tǒng)布置在汽輪機(jī)后端，可以增大火力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電處理調(diào)節(jié)范圍，提升電廠運行的靈活性，實現(xiàn)深度調(diào)峰、熱電解耦。其具體工作過程為：在用電低谷期間，維持燃煤電廠內(nèi)鍋爐處于中低負(fù)荷穩(wěn)定狀態(tài)，富余電力通過電加熱裝置制熱，存儲于熔鹽中；在用電高峰期間，釋放儲熱系統(tǒng)中存儲的熱能，增加系統(tǒng)電功率輸出，降低電廠供電煤耗[5]。系統(tǒng)流程如圖1所示。

3.3.2" " 抽汽蓄熱式火（熱）電機(jī)組靈活改造

抽汽蓄熱式火（熱）電機(jī)組靈活改造主要是采用蒸汽熔鹽換熱系統(tǒng)，將多余蒸汽（又分為抽主蒸汽和抽再熱蒸汽兩種）的能量儲存在熔鹽中，熔鹽儲熱系統(tǒng)布置在汽輪機(jī)前端，在用電低谷期間使鍋爐保持在較高負(fù)荷運行，汽輪機(jī)在較低負(fù)荷運行；在用電高峰期間，則配合鍋爐出力使汽輪機(jī)在高負(fù)荷下運行。這樣就增大了發(fā)電出力調(diào)節(jié)范圍，提高了運行靈活性，實現(xiàn)了深度調(diào)峰、熱電解耦以及能量的梯級利用。系統(tǒng)流程如圖2所示。

4" " 典型案例分析

4.1" " 項目概況

國內(nèi)某電廠既存在深度調(diào)峰與工業(yè)供汽的矛盾，又需大幅提高機(jī)組調(diào)頻能力。因此設(shè)置一定規(guī)模的熔鹽儲熱系統(tǒng)，采用電加熱熔鹽，同時電加熱系統(tǒng)具備快速功率調(diào)節(jié)能力，可作為可控負(fù)載輔助機(jī)組調(diào)頻。

本工程儲熱介質(zhì)與傳熱介質(zhì)均選用熔鹽，儲熱容量120 MW·h。根據(jù)熱力系統(tǒng)要求，選擇雙罐熔鹽儲存形式。儲熱系統(tǒng)熔鹽泵采用長軸液下泵，變頻控制，罐頂安裝。其中，低溫熔鹽泵3臺，2運1備；高溫熔鹽泵3臺，2運1備。

儲熱系統(tǒng)儲熱過程運行采用熔鹽為儲熱介質(zhì)，使用電廠高廠變作為電源，采用電加熱器對熔鹽進(jìn)行加熱，通過低溫熔鹽泵將熔鹽從低溫熔鹽罐（約210 ℃）輸送至熔鹽電加熱器，經(jīng)熔鹽電加熱器加熱至390 ℃后，送至高溫熔鹽罐儲存，熔鹽電加熱器功率為60 MW。

儲熱系統(tǒng)放熱過程運行采用熔鹽為傳熱介質(zhì)，通過高溫熔鹽泵將熔鹽從高溫熔鹽罐輸送至SGS（蒸發(fā)換熱）系統(tǒng)，與水進(jìn)行換熱產(chǎn)生本項目供熱所需3.0 MPa、300 ℃蒸汽，接入中壓分氣缸。

4.2" " 項目意義

1）調(diào)峰調(diào)頻補償：熔鹽儲熱系統(tǒng)能夠提高燃煤電廠的調(diào)頻響應(yīng)速度和調(diào)頻精度，或調(diào)峰深度，使電廠在調(diào)頻或調(diào)峰市場中更具競爭力。相比于沒有熔鹽儲熱系統(tǒng)的情況，能夠獲得更多的調(diào)頻或調(diào)峰任務(wù)和更高的補償單價，從而增加調(diào)頻輔助服務(wù)收益。

2）供汽收入：改造前，受限于以熱定電，3號機(jī)組最低負(fù)荷只能到70%負(fù)荷，因此在谷電時段，其發(fā)電收益降幅較大。而在高電價階段，因部分負(fù)荷用于供熱，其經(jīng)濟(jì)性也受到一定影響。

通過本次改造，電廠單臺機(jī)組可以實現(xiàn)在40%～100%額定負(fù)荷范圍內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生90 t/h、3.0 MPa、300 ℃的工業(yè)供汽。一方面，在谷電時段，在降低系統(tǒng)負(fù)荷的同時通過熔鹽儲熱系統(tǒng)依舊可以對外實現(xiàn)穩(wěn)定供汽，而減少對外供電量，將一部分低谷電轉(zhuǎn)化為熔鹽熱，減少低谷電價造成的損失；另一方面，在高電價階段，在減少熱機(jī)供汽的同時通過熔鹽系統(tǒng)提供穩(wěn)定工業(yè)用汽，可以增加對外供電，進(jìn)而實現(xiàn)綜合效益的提升。

3）替代啟動鍋爐：在全廠停機(jī)時，本系統(tǒng)具備冷啟動能力，可替代啟動鍋爐功能，減少了燃油消耗。

5" " 總結(jié)與展望

熔鹽儲熱技術(shù)在能源轉(zhuǎn)型中展現(xiàn)出巨大潛力，尤其是在燃煤電廠調(diào)峰調(diào)頻領(lǐng)域，其通過“熱電解耦”改造顯著提升了火電靈活性與環(huán)保性。然而，技術(shù)推廣仍面臨挑戰(zhàn)：

1）初始投資高：需依賴政策支持（如容量電價補貼）；

2）效率瓶頸：熱能-電能轉(zhuǎn)換效率低于60%，需優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計；

3）供應(yīng)鏈風(fēng)險：硝酸鉀等原材料依賴進(jìn)口，需加強(qiáng)國產(chǎn)化布局。

未來，隨著示范項目規(guī)?；瘧?yīng)用（如“十四五”規(guī)劃中2億kW火電靈活性改造目標(biāo)）及技術(shù)迭代，熔鹽儲熱有望在新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮更重要的調(diào)節(jié)作用，助力實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 習(xí)近平在氣候雄心峰會上的講話（全文）[R/OL].（2020-12-13）[2025-03-01].http：//www.gov.cn/xinwen/

2020-12/13/content_5569138.htm.

[2] 甘益明，王昱乾，黃暢，等.“雙碳”目標(biāo)下供熱機(jī)組深度調(diào)峰與深度節(jié)能技術(shù)發(fā)展路徑[J].熱力發(fā)電，2022，51（8）：1-10.

[3] 王海軍，趙雅靜，楊玉江，等.熔鹽儲能技術(shù)的研究及熔鹽供暖技術(shù)的應(yīng)用前景[J].廣州化工，2017，45（15）：33-34.

[4] 姜竹，鄒博楊，叢琳，等.儲熱技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J].儲能科學(xué)與技術(shù)，2022，11（9）：2746-2771.

[5] 苗林，劉明，張可臻，等.集成電制熱熔鹽儲熱的燃煤發(fā)電系統(tǒng)熱力性能研究[J].工程熱物理學(xué)報，2023，44（11）：2999-3007.

收稿日期：2025-03-03

作者簡介：高松（1970—），男，江蘇常州人，高級工程師，國家電投江西電力有限公司火電部主任，研究方向：電力市場發(fā)展、發(fā)電設(shè)備及節(jié)能環(huán)保技術(shù)創(chuàng)新、發(fā)電安全生產(chǎn)管理。