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(gè)光熱發(fā)電示范項(xiàng)目中，18 個(gè)采用熔鹽儲(chǔ)熱發(fā)電；已備案新增92 個(gè)光熱發(fā)電站清單中86 個(gè)采用熔鹽儲(chǔ)熱發(fā)電。熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生系統(tǒng)經(jīng)過(guò)光熱電站實(shí)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(chǔ)熱技術(shù)還開(kāi)始應(yīng)用于蒸汽加熱儲(chǔ)熱供熱和谷電制熱供熱領(lǐng)域。

1 熔鹽儲(chǔ)熱概況

1.1 熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)簡(jiǎn)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(yáng)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(gè)數(shù)量級(jí)；（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(diǎn)混合熔融鹽使用溫度更是擴(kuò)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(duì)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(jià)格低廉，與常見(jiàn)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(jià)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(chǔ)熱領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)是通過(guò)高溫高壓蒸汽加熱熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)，將高品位蒸汽熱量?jī)?chǔ)存起來(lái)，或利用谷電加熱熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)，放熱時(shí)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(chǔ)熱的作用

1.2.1 參與火電機(jī)組靈活性改造

在火電機(jī)組“即發(fā)即用”的特性中加入了熔鹽“儲(chǔ)能”的屬性，削弱“鍋爐-汽機(jī)”的剛性耦合實(shí)現(xiàn)熱電解耦，有利于機(jī)組靈活運(yùn)行和進(jìn)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(jià)格優(yōu)惠的低谷電加熱熔鹽蓄熱，白天用熱時(shí)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(chǔ)熱，白天通過(guò)鹽-水換熱器將循環(huán)水加熱至供暖溫度進(jìn)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(jī)容量逐年遞增，消納問(wèn)題也日益突出，棄風(fēng)、棄光造成了極大的能源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。用棄風(fēng)、棄光電直接加熱熔鹽進(jìn)行蓄熱供暖，市場(chǎng)潛力巨大。

1.2.5 工業(yè)余熱利用

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中存在大量的間歇式余熱，如：高溫?zé)煔庥酂帷⒖扇紡U氣余熱、冷凝水、廢水余熱等。這些廢熱可以通過(guò)熔鹽蓄熱系統(tǒng)儲(chǔ)存起來(lái)，轉(zhuǎn)換為可提供持續(xù)供暖或熱水的穩(wěn)定熱源，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2 熔鹽儲(chǔ)熱發(fā)展的背景

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

2020 年國(guó)家能源局發(fā)布《首批科技創(chuàng)新（儲(chǔ)能）試點(diǎn)示范項(xiàng)目正式發(fā)布》。首批儲(chǔ)能示范項(xiàng)目分別采用了電化學(xué)儲(chǔ)能、物理儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱等多種技術(shù)類(lèi)型，并覆蓋了儲(chǔ)能的主要應(yīng)用場(chǎng)景，示范效應(yīng)明顯。其中光熱發(fā)電示范項(xiàng)目的建設(shè)推動(dòng)國(guó)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(jìn)河南省儲(chǔ)能設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，儲(chǔ)能相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)將進(jìn)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(shí)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(gè)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(chǔ)熱，白天通過(guò)鹽-水換熱器將循環(huán)水加熱至供暖溫度進(jìn)行供暖。采用該技術(shù)實(shí)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(chǔ)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(chǔ)熱主要技術(shù)為火電機(jī)組抽汽加熱熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)和谷電加熱熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)，應(yīng)用場(chǎng)景包括火電機(jī)組深度調(diào)峰改造、火電機(jī)組延壽改造、谷電加熱熔鹽供汽等。

運(yùn)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(hù)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(jī)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?jī)?chǔ)存起來(lái)，放熱時(shí)產(chǎn)生高參數(shù)蒸汽用于工業(yè)供汽或民用采暖，實(shí)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(jī)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(chǔ)能裝置，汽輪機(jī)改造為背壓機(jī)組，利用谷電加熱熔鹽到500℃以上，在峰段通過(guò)背壓機(jī)組對(duì)外供熱供電。

3.3 谷電加熱熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)

在用戶(hù)側(cè)建設(shè)熔鹽儲(chǔ)能裝置，利用低谷電加熱熔鹽儲(chǔ)熱裝置，將熱量?jī)?chǔ)存在高溫熔鹽罐中，供熱時(shí)利用高溫熔鹽加熱水，換熱后的低溫熔鹽進(jìn)入低溫熔鹽罐中，形成一個(gè)熔鹽加熱-升溫-換熱-降溫完整的循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǔ)熱技術(shù)特點(diǎn)和存在問(wèn)題

4.1 熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)特點(diǎn)

（1）儲(chǔ)熱功率大，可以實(shí)現(xiàn)百兆瓦級(jí)儲(chǔ)能。

（2）儲(chǔ)熱時(shí)間長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)單日10h 以上的儲(chǔ)熱能力。

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

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

（5）儲(chǔ)熱效率高，接近抽水蓄能綜合效率，能耗低。

（6）使用壽命長(zhǎng)，熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)使用壽命可達(dá)30 年以上。

（7）系統(tǒng)運(yùn)行靈活，模塊化設(shè)計(jì)，儲(chǔ)熱功率模塊和容量模塊相互獨(dú)立，儲(chǔ)熱過(guò)程和發(fā)熱過(guò)程相互獨(dú)立，運(yùn)行靈活，且可根據(jù)需求定制儲(chǔ)熱方案。

（8）運(yùn)行安全可靠，機(jī)組低負(fù)荷出力工況時(shí)，鍋爐及其輔機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行在較高出力，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和安全性高。

4.2 熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)存在問(wèn)題

4.2.1 熔鹽質(zhì)量問(wèn)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(diǎn)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?chē)?yán)格把關(guān)，將會(huì)導(dǎo)致最終的產(chǎn)品性能大打折扣，從而影響儲(chǔ)換熱效率，嚴(yán)重時(shí)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(píng)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(yùn)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(zhǎng)期使用過(guò)程中物理化學(xué)性能保持穩(wěn)定，比重、比熱、粘度等各項(xiàng)熱物性參數(shù)變化小，揮發(fā)量小。

（2）熔鹽對(duì)過(guò)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(mén)、接觸式測(cè)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(guò)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(jì)使用壽命內(nèi)的正常工作。

國(guó)內(nèi)當(dāng)前對(duì)儲(chǔ)熱熔鹽的測(cè)試方法、測(cè)試項(xiàng)目、組分指標(biāo)的要求尚沒(méi)有統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)。現(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(shí)，可從以下幾個(gè)方面來(lái)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(guò)產(chǎn)品的組分檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)界定。純度高的產(chǎn)品較之低純度產(chǎn)品的熔點(diǎn)可降低3℃以上，上限分解溫度提高13℃左右，同時(shí)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(xiǎn)隨之降低。

（2）產(chǎn)品含水量，即干燥程度。含水量的高低將會(huì)影響儲(chǔ)熱能力和采購(gòu)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)。可從產(chǎn)品的色澤、顆粒均勻度粗略判斷，再通過(guò)產(chǎn)品的性能測(cè)試進(jìn)一步判斷，如熔點(diǎn)、上限使用溫度、黏度、導(dǎo)熱、密度等參數(shù)。

4.2.2 腐蝕問(wèn)題

儲(chǔ)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(duì)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(yùn)行壽命。高溫中氯離子每增高10ppm 將增加腐蝕性8%~12%，超過(guò)界限值將大大減少設(shè)計(jì)壽命。

熔鹽的腐蝕性會(huì)對(duì)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(guò)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(gè)方面。

降低熔鹽對(duì)儲(chǔ)熱設(shè)備的腐蝕問(wèn)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(diǎn)：

（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(qiáng)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(duì)設(shè)備進(jìn)行防腐蝕處理。

（3）運(yùn)行過(guò)程中，做好溫度監(jiān)測(cè)，避免局部過(guò)熱使熔鹽劣化變質(zhì)而加劇對(duì)設(shè)備的腐蝕。

（4）對(duì)于有些熔鹽產(chǎn)品，還需要使用惰性氣體進(jìn)行保護(hù)。

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(jìn)河南省儲(chǔ)能設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，儲(chǔ)能相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)將進(jìn)一步發(fā)展，建議繼續(xù)關(guān)注儲(chǔ)能各技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)應(yīng)用情況，做好技術(shù)儲(chǔ)備。

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

（3）針對(duì)熔鹽儲(chǔ)熱相關(guān)市場(chǎng)應(yīng)用情況，適時(shí)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，調(diào)研相關(guān)單位盈利狀況和設(shè)備運(yùn)行情況。

（4）火電機(jī)組結(jié)合靈活性改造項(xiàng)目，探討在廠內(nèi)建立大容量蓄熱裝置，實(shí)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(diǎn)的推廣，繼續(xù)深入開(kāi)展蒸汽加熱熔鹽或谷電加熱熔鹽儲(chǔ)熱研究工作，適時(shí)布局熔鹽供熱市場(chǎng)。

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