熔盐储热技术的应用现状

林俊光 仇秋玲 罗海华 赵申轶 张艳梅

1.浙江浙能技术研究院有限公司 杭州 311100 2.上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 熔盐储热技术概况

环境污染和能源安全问题促使新能源、可再生能源的研究与开发进入新的阶段,寻求提高能源利用率的先进方法成为全球共同关注的问题。新能源的消纳具有十分积极的意义,通过储能技术,不但可以提高新能源发电的消纳能力,使出力曲线更加平滑,而且可以提升能源的综合利用效率,平滑光电、风电的输出功率,削峰填谷,从而真正实现能源的梯次利用[1]。

储热技术相比于其它储能技术,系统结构简单,初投资较低,是实现可再生能源大规模利用,提高能源利用效率、安全性和经济性的有效途径。熔盐作为储热介质,具有使用温度高、传热性能好、比热容大等优点,在太阳能发电领域已经有较为成熟的应用[2]。熔盐储热技术分为潜热和显热两种方式[3],储热方式灵活,是提高清洁能源发电比例,推动雾霾治理的重要技术手段,在工程实践中具有广泛的应用和发展前景。

2 熔盐储热材料

熔盐是一种熔融态液体盐,工程中使用的熔盐通常指无机盐的熔融体。熔盐是比较理想的储热介质,与其它储热介质相比,具有以下优点:熔化状态下的熔盐离子熔体由阳离子和阴离子组成,导电性能优良;稳定使用温度在300～1 000 ℃之间,具有广阔的使用温度范围;蒸汽压力低,热容量大,溶解杂质的能力很强;具有低黏度,化学性质稳定。

常见的熔盐传热储热介质有碳酸盐、氯化物、氟化物、硝酸盐等[4]。碳酸盐熔点高,易分解。氯化物腐蚀性强。氟化物相变体积变化大,导热系数低。相较而言,硝酸盐由于具有热稳定性高、腐蚀性相对较低等优点,最为适合用作熔盐储热介质。硝酸熔盐在传热储热的应用中较为常见,由硝酸钾、硝酸钠组成的混合熔盐已成功应用在太阳能热发电站的商业案例中[5]。美国Solar Two系统[6]采用了Solar Salt二元混合盐作为储热和传热介质,这是目前最成熟的熔盐储热系统,奠定了熔盐在太阳能热发电领域应用的基础。

硝酸盐作为储热介质,在热发电系统中可以大幅提升系统发电效率。Kearney等[7]运用硝酸熔盐储热发电,使蒸汽轮机的发电效率提高了40%。硝酸熔盐储热介质虽然有很多优点,但是在使用中仍然有一些技术问题需要突破,如导热系数低、熔点高等[8]。研究人员发现,向熔盐体系中添加石墨,可以提高导热系数。如添加质量分数为5%～30%的石墨,储热介质的导热系数从3 W/(m·K)提高到25 W/(m·K)[9-10]。Fernandez等[11]将硝酸锂和硝酸钙分别加入硝酸钾-硝酸钠二元熔盐体系中,发现添加两种硝酸单盐可以使二元熔盐的熔点大幅降低。除此之外,围绕扩大硝酸熔盐储热介质使用温度范围,提高稳定性和材料结构性能等方面,国内外企业与科研机构仍在开展大量研究。

3 熔盐储热技术应用现状

截至目前,美国和西班牙等的多个聚光太阳能电站都采用了熔盐储热。2009年3月成功运行的西班牙安达索尔槽式光热发电站配置了熔盐储热系统,成为全球首个商业化聚光太阳能电站。2010年,意大利阿基米德4.9 MW槽式聚光太阳能电站也使用了熔盐作为传热和储热介质。由此可以看出,熔盐储热技术是商业化聚光太阳能电站储热系统的首选。目前,光热发电已经开始由美国和西班牙两大传统市场转向澳大利亚、中国、智利、印度和中东北非地区等新兴市场。2020年,新兴市场光热发电装机容量将达到3 824 MW。

国外熔盐储热技术产业化推广比较成熟的是美国光环技术公司。2014年,该公司向电网级能源存储领域推进熔盐储热技术的应用,建设了1 MW示范级能源存储系统,为大规模能源存储提供更廉价和切实可行的解决方案,从而使更多的可再生能源接入电网。

目前,我国正在大力提倡发展风力、光伏等新能源发电产业,减少污染严重的火力发电。百吉瑞新能源有限公司近几年来一直致力于熔盐储能技术的研发和产品推广,于2019年建设了国内首个低熔点熔盐冷热电三联供示范项目,不仅能源利用率高,而且运行安全可靠,没有任何污染排放,为能源综合利用开辟了一条崭新的道路。

熔盐储热技术除应用于太阳能发电领域之外,在中高温领域也有广泛的应用。与其它方式相比,熔盐储热供热具有安全可靠、节能环保、控温精确等优势。

4 供暖领域应用

清洁供暖技术是当前治理空气污染的有效途径之一。其中,电供暖已成大趋势。决定电供暖经济性的关键是充分利用廉价的谷电制热。熔盐储热作为一种高效储热技术,就是利用谷电加热熔盐存储热能,可实现大规模供暖。

熔盐储热供暖系统一般采用双罐熔盐储热技术[12],原理如图1所示。在夜间谷电时段,熔盐储热供暖系统低温熔盐储罐内的熔盐约180 ℃,通过熔盐泵输送至熔盐加热器,被谷电加热,成为高温熔盐,约500 ℃,进入高温熔盐储罐中存储。在白天用热时段,高温熔盐被熔盐泵抽出,离开高温熔盐储罐,流入熔盐-水换热器。市政用水在换热器中与高温熔盐换热成为热水,为住宅小区供暖或提供热水。熔盐降为低温,流入低温熔盐储罐。熔盐储热供暖系统在白天供热时,不需要消耗额外的电力。应用这一系统,只需要将锅炉房中的燃煤锅炉替换为熔盐储热-加热-换热系统,市政管网供水端和居民用户使用的末端设备及管道仍可保留使用,可降低燃煤锅炉的改造成本,实现电网移峰填谷的目的。

图1 熔盐储热供暖系统原理

熔盐储热供暖系统与电采暖相比,通过使用夜间谷电,使运行费用大幅降低,在北方已有很多应用案例。姚俊彬等[13]设计了一种单罐熔盐储热供暖系统,应用于辽宁阜新政府大楼的煤改电供暖项目,运行结果显示,满足用户冬季供暖水79.9 ℃、回水63.6 ℃的用热需求。整个系统结构简单,设备少,运行可靠安全,真正实现了绿色供暖。另一方面,可以用弃风、弃光电加热熔盐储热进行供暖,有效解决风光电的消纳问题。将间断的弃风、弃光电转换为稳定的热源,提高了电能利用效率,增大了风光电场的收益,同时提高了熔盐储能供暖系统的经济性,减少了对环境的污染。

5 余热回收领域应用

我国钢铁行业能源消耗一直居高不下,总能耗占全国工业能耗总和的15%左右,能源利用率则很低,仅为30%～50%[14]。钢铁工业所产生的余热温度范围较大,各个工序生产过程中形成的钢制品、钢渣废料、焦炭等都存在大量可回收的热量,回收这些余热可用于居民供暖、热电厂发电、热水锅炉回水加热等,为钢铁企业带来额外的经济收益。目前,广泛采用转炉烟道汽化余热锅炉来回收波动性较大的间歇性高温余热,将高温热能转化为低品位的低压饱和蒸汽进行发电,导致余热资源得不到充分利用。炼钢炉熔盐余热回收发电系统可以将高温余热资源与熔盐换热,转化为稳定可持续的高温蒸汽,使发电功率和能源利用效率得到大幅提升,改善余热发电系统的经济性,同时提高余热发电系统的灵活性。炼钢炉熔盐余热回收发电系统原理如图2所示。

图2 炼钢炉熔盐余热回收发电系统原理

炼钢过程中产生的高温余热采用熔盐作为换热储热介质,烟气-熔盐换热器由多根并联的金属管束设置在烟腔内,上下端彼此连通[15]。熔盐在管束中的流动方向与烟气的流动方向相反,低温熔盐从烟气出口进入管束,与烟气换热成为高温熔盐,存储在高温熔盐储罐中。高温熔盐通过熔盐泵依次经过过热器、蒸发器、预热器,与水换热成为低温熔盐,进入低温熔盐储罐。加热后的水成为过热蒸汽,驱动汽轮机发电。整个循环系统可以使高温余热保持高品质热能,避免压力换热设备的使用,有效降低企业的用能成本,大幅提高钢铁厂高温余热的回收利用效率。

6 火电灵活性改造领域应用

火电机组灵活性改造的主要目标是改善火电机组最小出力限制,扩大机组出力调节的幅度,减小热电联产组合中发电对发热的配比,即热电解耦。这样做,不仅可以提高机组的对外供热能力,而且能够提高燃煤供热机组的灵活性[16]。目前可实现发电机组热电解耦的技术路线很多,熔盐储热技术是其中的一种重要方法,可以与火电机组热力系统的参数相匹配,显著改善火电机组供热调峰能力[17]。

熔盐储热的火电机组热电解耦系统利用高温蒸汽加热熔盐储热,并实现供热。发电机组负荷较高,供热能力盈余时,系统转为储热,即低温熔盐经过蒸汽换热器加热成为高温熔盐,通过熔盐泵输送,存储在高温熔盐罐中。换热后的高温蒸汽温度降低,进入供热联箱,供应热能用户。发电机组负荷低至供热参数无法保证时,一般负荷率低于65%,系统将转为放热,即高温熔盐作为加热源,依次经过过热器、蒸发器、预热器,加热水产生供热蒸汽,供应热能用户。通过热电解耦,发电机组负荷将不受工业供热限制,可以提高发电机组的调峰能力。熔盐储热热电解耦系统原理如图3所示。

图3 熔盐储热热电解耦系统原理

蒸汽加热熔盐储热的火电机组调峰技术与现有的火电机组调峰技术相比,具有降低能耗、机组运行更节能可靠、改造成本低等优点。通过熔盐储热放热,不仅解除了供热蒸汽参数的限制,实现了纯凝亚临界机组的完全热电解耦,而且拓宽了机组负荷调峰范围,提高了机组运行灵活性。

7 结束语

熔盐储热技术是提高能源利用效率、减少环境污染的重要技术。笔者介绍了熔盐储热介质所具有的应用范围广、蒸汽压力低、热容量大等优点。熔盐储热介质中,硝酸盐最为常见,已在多个光热电站中使用。对于熔盐储热技术的应用,介绍了国内外代表性企业在产业化推广方面所做的尝试。除此之外,还介绍了熔盐储热技术在供暖、余热回收、火电灵活性改造三个典型领域的应用,进一步说明熔盐储热技术在工程中有很大的发展空间和潜力。