熔鹽儲熱技術在供熱領域的應用

魏子敬

（新鄉中益發電有限公司，河南 新鄉453000）

熔鹽被廣泛用于光熱發電領域，在首批20 個光熱發電示范項目中，18 個采用熔鹽儲熱發電；已備案新增92 個光熱發電站清單中86 個采用熔鹽儲熱發電。熔鹽儲熱系統和蒸汽發生系統經過光熱電站實踐技術成熟、穩定、可靠。除了在光熱發電領域應用之外，熔鹽儲熱技術還開始應用于蒸汽加熱儲熱供熱和谷電制熱供熱領域。

1 熔鹽儲熱概況

1.1 熔鹽儲熱技術簡介

熔鹽有不同于水溶液的諸多性質，主要包括：（1）熔鹽為離子熔體，通常由陽離子和陰離子組成，具有良好的導電性能，其導電率比電解質溶液高1 個數量級；（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備的安全性；（4）熱容量大；（5）對物質有較高的溶解能力；（6）低黏度；（7）化學穩定性好；（8）原料易獲得，價格低廉，與常見的高溫傳熱蓄熱介質——導熱油和液態金屬相比，絕大多數熔鹽的價格低廉，且容易獲得。這些優異的特性使熔鹽作為熱介質，在儲熱領域得到了廣泛的應用。

熔鹽儲熱技術是通過高溫高壓蒸汽加熱熔鹽儲能系統，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，放熱時產生高參數蒸汽，既可用于發電，也可用于工業供汽或民用采暖。

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”的剛性耦合實現熱電解耦，有利于機組靈活運行和進一步提高深度調峰能力。

1.2.2 利用谷電加熱熔鹽蓄熱工業供汽

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

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

1.2.4 利用棄風、棄光電加熱熔鹽蓄熱供暖

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

1.2.5 工業余熱利用

工業生產過程中存在大量的間歇式余熱，如：高溫煙氣余熱、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儲存起來，轉換為可提供持續供暖或熱水的穩定熱源，達到節能降耗的目的。

2 熔鹽儲熱發展的背景

2019 年發改委辦公廳等四部門印發《貫徹落實<關于促進儲能技術與產業發展的指導意見>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用，推進儲能與分布式發電、集中式新能源發電聯合應用；開展儲能保障電力系統安全示范工程建設；推動儲能設施參與電力輔助服務市場。

2020 年國家能源局發布《首批科技創新（儲能）試點示范項目正式發布》。首批儲能示范項目分別采用了電化學儲能、物理儲能、儲熱等多種技術類型，并覆蓋了儲能的主要應用場景，示范效應明顯。其中光熱發電示范項目的建設推動國內產業鏈的發展、培育系統集成商。

2021 年6 月11 日，河南省發改委和河南省能監辦發布了《關于加快推進河南省儲能設施建設的指導意見》，儲能相關技術和產業將進一步發展。

冬季北方地區霧霾天氣頻發已經嚴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，推廣谷電采暖方式，是有效改善采暖期空氣質量的一個重要途徑。

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

3 熔鹽儲熱技術主要應用形式

隨著熔鹽利用方式日趨多樣化，熔鹽儲熱主要技術為火電機組抽汽加熱熔鹽儲熱技術和谷電加熱熔鹽儲熱技術，應用場景包括火電機組深度調峰改造、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，經熔鹽-水換熱器將水加熱后送到用戶供熱，高溫熔鹽經熔鹽-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，放熱時產生高參數蒸汽用于工業供汽或民用采暖，實現熱電解耦、增加火電廠調峰深度，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

將關停的燃煤電站的鍋爐舍棄，建設熔鹽儲能裝置，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

在用戶側建設熔鹽儲能裝置，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，實現對小區清潔供暖或工業供汽，其流程如圖2 所示。

圖2 谷電加熱熔鹽供熱流程圖

4 熔鹽儲熱技術特點和存在問題

4.1 熔鹽儲熱技術特點

（1）儲熱功率大，可以實現百兆瓦級儲能。

（2）儲熱時間長，可以實現單日10h 以上的儲熱能力。

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

（4）儲熱速度快，可以滿足負荷大幅度波動的調節需求。

（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，熔鹽儲熱系統使用壽命可達30 年以上。

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

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

4.2 熔鹽儲熱技術存在問題

4.2.1 熔鹽質量問題

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

熔鹽質量好壞以是否能夠滿足熔鹽相關系統和設備25 年以上安全、穩定、高效運行為準，主要分為兩方面：

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

（2）熔鹽對過流部件及設備的影響。主要包括熔鹽罐、熔鹽泵、熔鹽管路、閥門、接觸式測試設備、熔鹽吸熱器、熔鹽-導熱油換熱器、熔鹽-水工質預熱器、蒸發、過熱和再熱器等熔鹽流經設備的腐蝕、形變和熱應力破壞等影響，需要保證這些設備在設計使用壽命內的正常工作。

國內當前對儲熱熔鹽的測試方法、測試項目、組分指標的要求尚沒有統一的衡量標準。現階段，高純度的熔鹽制備仍有較大難度，需要特定工藝去除雜質離子。因此，在選擇產品供應商時，可從以下幾個方面來界定產品品質：

（1）產品主成分含量及其他雜質離子含量，可通過產品的組分檢測來實現界定。純度高的產品較之低純度產品的熔點可降低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備結垢的風險隨之降低。

（2）產品含水量，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）產品的復配均勻度，這與復配的工藝及精細度有關。可從產品的色澤、顆粒均勻度粗略判斷，再通過產品的性能測試進一步判斷，如熔點、上限使用溫度、黏度、導熱、密度等參數。

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備的腐蝕性更是成幾何倍數增加，嚴重影響著生產安全和運行壽命。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、熔鹽吸熱器等產生一定的化學腐蝕或者應力腐蝕，特別是使用過程中極大的溫差變化造成的應力腐蝕可以導致熔鹽罐焊縫破裂。腐蝕產生的原因也較多，包括材質的選擇、施工工藝、生產管理等多個方面。

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

（1）提高熔鹽產品的品質，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、結垢的雜質離子等。

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

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

（4）對于有些熔鹽產品，還需要使用惰性氣體進行保護。

5 結論及建議

（1）2021 年6 月11 日，河南省發改委和河南省能監辦發布了《關于加快推進河南省儲能設施建設的指導意見》，儲能相關技術和產業將進一步發展，建議繼續關注儲能各技術發展和市場應用情況，做好技術儲備。

（2）繼續關注熔鹽儲熱相關技術的發展，與設計院等單位保持密切溝通聯系，加強技術溝通交流。

（3）針對熔鹽儲熱相關市場應用情況，適時進行實地調研，調研相關單位盈利狀況和設備運行情況。

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

（5）根據清潔取暖試點的推廣，繼續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）風電、光伏項目可探討建設熔鹽儲熱可行性，加快風光儲一體化，減少棄風棄光率。