熔盐储热技术在供热领域的应用

摘要:熔盐具有较高的使用温度、高热稳定性、高比热容、高对流传热系数、低黏度、低饱和蒸汽压等优势,是优良的传热储能介质,已在光热发电领域广泛应用,这也为熔盐在其他领域的发展奠定了基础。文章对熔盐储热技术在参与火电机组灵活性改造、利用谷电加热熔盐蓄热工业供汽或供暖等应用情况进行了分析介绍。


熔盐被广泛用于光热发电领域,在首批20个光热发电示范项目中,18个采用熔盐储热发电;已备案新增92个光热发电站清单中86个采用熔盐储热发电。


熔盐储热系统和蒸汽发生系统经过光热电站实践技术成熟、稳定、可靠。除了在光热发电领域应用之外,熔盐储热技术还开始应用于蒸汽加热储热供热和谷电制热供热领域。

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熔盐储热概况


1.1熔盐储热技术简介


熔盐有不同于水溶液的诸多性质,主要包括:(1)熔盐为离子熔体,通常由阳离子和阴离子组成,具有良好的导电性能,其导电率比电解质溶液高1个数量级;(2)具有广泛的使用温度范围,通常的熔盐使用温度在300~1000℃,新研发的低熔点混合熔融盐使用温度更是扩大到了60~1000℃;(3)饱和蒸汽压低,保证了高温下熔盐设备的安全性;(4)热容量大;(5)对物质有较高的溶解能力;(6)低黏度;(7)化学稳定性好;(8)原料易获得,价格低廉,与常见的高温传热蓄热介质———导热油和液态金属相比,绝大多数熔盐的价格低廉,且容易获得。这些优异的特性使熔盐作为热介质,在储热领域得到了广泛的应用。


熔盐储热技术是通过高温高压蒸汽加热熔盐储能系统,将高品位蒸汽热量储存起来,或利用谷电加热熔盐储能系统,放热时产生高参数蒸汽,既可用于发电,也可用于工业供汽或民用采暖。


1.2熔盐储热的作用


1.2.1参与火电机组灵活性改造


在火电机组“即发即用”的特性中加入了熔盐“储能”的属性,削弱“锅炉-汽机”的刚性耦合实现热电解耦,有利于机组灵活运行和进一步提高深度调峰能力。


1.2.2利用谷电加热熔盐蓄热工业供汽


在夜间利用价格优惠的低谷电加热熔盐蓄热,白天用热时将高温熔盐抽出,经熔盐-水换热器加热水用于工业供汽。


1.2.3利用谷电加热熔盐蓄热集中供暖(“煤改电”)


熔盐蓄热集中供暖系统,将集中供暖系统的燃煤锅炉设备改造成熔盐蓄热电加热系统,利用晚上低谷电加热熔盐储热,白天通过盐-水换热器将循环水加热至供暖温度进行供暖。


1.2.4利用弃风、弃光电加热熔盐蓄热供暖


风力、光伏发电发展迅速,装机容量逐年递增,消纳问题也日益突出,弃风、弃光造成了极大的能源浪费和经济损失。用弃风、弃光电直接加热熔盐进行蓄热供暖,市场潜力巨大。


1.2.5工业余热利用


工业生产过程中存在大量的间歇式余热,如:高温烟气余热、可燃废气余热、冷凝水、废水余热等。这些废热可以通过熔盐蓄热系统储存起来,转换为可提供持续供暖或热水的稳定热源,达到节能降耗的目的。


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熔盐储热发展的背景


2019年发改委办公厅等四部门印发《贯彻落实<关于促进储能技术与产业发展的指导意见>2019-2020年储能行动计划》。组织首批储能示范项目;推进储能项目示范和应用,推进储能与分布式发电、集中式新能源发电联合应用;开展储能保障电力系统安全示范工程建设;推动储能设施参与电力辅助服务市场。


2020年国家能源局发布《首批科技创新(储能)试点示范项目正式发布》。首批储能示范项目分别采用了电化学储能、物理储能、储热等多种技术类型,并覆盖了储能的主要应用场景,示范效应明显。其中光热发电示范项目的建设推动国内产业链的发展、培育系统集成商。


2021年6月11日,河南省发改委和河南省能监办发布了《关于加快推进河南省储能设施建设的指导意见》,储能相关技术和产业将进一步发展。


冬季北方地区雾霾天气频发已经严重影响到了人民群众的日常生活和身体健康,大量采暖燃煤是污染的主要原因。实施“煤改电”供暖技术,推广谷电采暖方式,是有效改善采暖期空气质量的一个重要途径。


熔盐蓄热集中供暖系统,只需将集中供暖系统的燃煤锅炉设备改造成熔盐蓄热电加热系统,利用晚上低谷电加热熔盐储热,白天通过盐-水换热器将循环水加热至供暖温度进行供暖。采用该技术实现了移峰填谷,提高了电网稳定性和电能的使用率。


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熔盐储热技术主要应用形式


随着熔盐利用方式日趋多样化,熔盐储热主要技术为火电机组抽汽加热熔盐储热技术和谷电加热熔盐储热技术,应用场景包括火电机组深度调峰改造、火电机组延寿改造、谷电加热熔盐供汽等。


运行模式为热盐罐熔盐泵将高温熔盐从热盐罐抽出,经熔盐-水换热器将水加热后送到用户供热,高温熔盐经熔盐-水换热器后温度降低,降温后的低温熔盐回到冷盐罐。主要材料和设备有熔盐、冷盐罐、热盐罐、熔盐泵、熔盐-蒸汽换热器、熔盐电热加热器、蒸汽-水换热器。


3.1火电机组深度调峰改造


可在火电厂建立大容量蓄热装置,抽取主蒸汽和再热蒸汽加热熔盐,将热量储存起来,放热时产生高参数蒸汽用于工业供汽或民用采暖,实现热电解耦、增加火电厂调峰深度,是火电厂灵活性改造的方式之一,其流程如图1所示。


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图1电厂高温蒸汽加热熔盐供热流程图


3.2火电机组延寿改造


将关停的燃煤电站的锅炉舍弃,建设熔盐储能装置,汽轮机改造为背压机组,利用谷电加热熔盐到500℃以上,在峰段通过背压机组对外供热供电。


3.3谷电加热熔盐储热技术


在用户侧建设熔盐储能装置,利用低谷电加热熔盐储热装置,将热量储存在高温熔盐罐中,供热时利用高温熔盐加热水,换热后的低温熔盐进入低温熔盐罐中,形成一个熔盐加热-升温-换热-降温完整的循环,实现对小区清洁供暖或工业供汽,其流程如图2所示。


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图2谷电加热熔盐供热流程图


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熔盐储热技术特点和存在问题


4.1熔盐储热技术特点


(1)储热功率大,可以实现百兆瓦级储能。


(2)储热时间长,可以实现单日10h以上的储热能力。


(3)储热参数高,熔盐储热温度可达480℃或更高,放热蒸汽参数可以达到亚临界参数。


(4)储热速度快,可以满足负荷大幅度波动的调节需求。


(5)储热效率高,接近抽水蓄能综合效率,能耗低。


(6)使用寿命长,熔盐储热系统使用寿命可达30年以上。


(7)系统运行灵活,模块化设计,储热功率模块和容量模块相互独立,储热过程和发热过程相互独立,运行灵活,且可根据需求定制储热方案。


(8)运行安全可靠,机组低负荷出力工况时,锅炉及其辅机系统运行在较高出力,机组经济性和安全性高。


4.2熔盐储热技术存在问题


4.2.1熔盐质量问题


熔盐品种有二元盐(40%KNO3+60%NaNO3)、三元盐(53%KNO3+7%NaNO3+40%NaNO2)和低熔点熔盐产品等。


在熔盐选用中,若杂质离子(如氯离子、硫酸根离子、铵根离子、碳酸根离子等)含量不能严格把关,将会导致最终的产品性能大打折扣,从而影响储换热效率,严重时可能腐蚀设备管道造成熔盐泄漏事故,或者堵塞管道导致系统瘫痪。因此,杂质含量是评判熔盐品质的重要指标。


熔盐质量好坏以是否能够满足熔盐相关系统和设备25年以上安全、稳定、高效运行为准,主要分为两方面:


(1)熔盐本身作为蓄热工质的质量保证。主要要求熔盐在长期使用过程中物理化学性能保持稳定,比重、比热、粘度等各项热物性参数变化小,挥发量小。


(2)熔盐对过流部件及设备的影响。主要包括熔盐罐、熔盐泵、熔盐管路、阀门、接触式测试设备、熔盐吸热器、熔盐-导热油换热器、熔盐-水工质预热器、蒸发、过热和再热器等熔盐流经设备的腐蚀、形变和热应力破坏等影响,需要保证这些设备在设计使用寿命内的正常工作。


国内当前对储热熔盐的测试方法、测试项目、组分指标的要求尚没有统一的衡量标准。现阶段,高纯度的熔盐制备仍有较大难度,需要特定工艺去除杂质离子。因此,在选择产品供应商时,可从以下几个方面来界定产品品质:


(1)产品主成分含量及其他杂质离子含量,可通过产品的组分检测来实现界定。纯度高的产品较之低纯度产品的熔点可降低3℃以上,上限分解温度提高13℃左右,同时黏度及腐蚀性也可大大降低,劣化分解形成沉淀使设备结垢的风险随之降低。


(2)产品含水量,即干燥程度。含水量的高低将会影响储热能力和采购成本。


(3)产品的复配均匀度,这与复配的工艺及精细度有关。可从产品的色泽、颗粒均匀度粗略判断,再通过产品的性能测试进一步判断,如熔点、上限使用温度、黏度、导热、密度等参数。


4.2.2腐蚀问题


储热熔盐中的氯离子、硫酸根离子、铵根离子、碳酸根离子等尤其需要注意,尤其是高温条件下氯离子对设备的腐蚀性更是成几何倍数增加,严重影响着生产安全和运行寿命。高温中氯离子每增高10ppm将增加腐蚀性8%~12%,超过界限值将大大减少设计寿命。


熔盐的腐蚀性会对熔盐罐、熔盐泵、熔盐电加热器、熔盐吸热器等产生一定的化学腐蚀或者应力腐蚀,特别是使用过程中极大的温差变化造成的应力腐蚀可以导致熔盐罐焊缝破裂。腐蚀产生的原因也较多,包括材质的选择、施工工艺、生产管理等多个方面。


降低熔盐对储热设备的腐蚀问题,就需要采用低氯低硫的熔盐产品。降低腐蚀可采取的措施有以下几点:


(1)提高熔盐产品的品质,尤其是降低易引起腐蚀的氯离子、硫酸根离子等,降低易沉积、结垢的杂质离子等。


(2)选用合适的具有较强抗腐蚀性的材料制作设备,并且在设备制造和使用之前对设备进行防腐蚀处理。


(3)运行过程中,做好温度监测,避免局部过热使熔盐劣化变质而加剧对设备的腐蚀。


(4)对于有些熔盐产品,还需要使用惰性气体进行保护。


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结论及建议


(1)2021年6月11日,河南省发改委和河南省能监办发布了《关于加快推进河南省储能设施建设的指导意见》,储能相关技术和产业将进一步发展,建议继续关注储能各技术发展和市场应用情况,做好技术储备。


(2)继续关注熔盐储热相关技术的发展,与设计院等单位保持密切沟通联系,加强技术沟通交流。


(3)针对熔盐储热相关市场应用情况,适时进行实地调研,调研相关单位盈利状况和设备运行情况。


(4)火电机组结合灵活性改造项目,探讨在厂内建立大容量蓄热装置,实现热电解耦,增加火电厂调峰深度的可行性。


(5)根据清洁取暖试点的推广,继续深入开展蒸汽加热熔盐或谷电加热熔盐储热研究工作,适时布局熔盐供热市场。


(6)风电、光伏项目可探讨建设熔盐储热可行性,加快风光储一体化,减少弃风弃光率。


注:本文转自《科技创新与应用》期刊,作者为新乡中益发电有限公司魏子敬。