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北京工业大学吴玉庭:熔盐高温传热蓄热技术的研发与应用

北极星储能网  来源:北极星储能网    2019/8/8 11:47:44  我要投稿  

北极星储能网讯:熔盐也是很好的高温储热介质。现在装机容量最大的当然就是抽水蓄能,已经到1.84亿千瓦,剩下的就是储热,集成大容量蓄热的太阳能热发电电站已达4.03GW,加上储热式清洁能源供热的300万KW,储热总装机容量达到了700万千瓦,是第二大储能技术,储热是非常重要的。

— —北京工业大学学术委员会委员 传热与能源利用北京市重点实验室主任吴玉庭

8月8日,由华北电力大学、中国可再生能源学会主办的“第一届中国储能学术论坛暨风光储创新技术大会”分论坛在北京召开,北极星储能网将对论坛进行全程直播。在8日“储冷储热”分论坛上,北京工业大学学术委员会委员、传热与能源利用北京市重点实验室主任吴玉庭作“熔盐高温传热蓄热技术的研发与应用”报告。

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北京工业大学学术委员会委员 传热与能源利用北京市重点实验室主任吴玉庭

以下为发言实录:

北京工业大学学术委员会委员 传热与能源利用北京市重点实验室主任吴玉庭:上面介绍的主要是氢能方面的研究,从我这里开始给大家介绍一下储热方面的。我们依托的是教育部传热强化与过程重点实验室。这是我们熔盐研发的团队成员,在马重芳教授的带领下,有七八位教授参与,同时也有一些副教授和年轻的教师参与。

首先,熔融盐实际是一些无机盐及其混合物,是盐的熔盐态液体。熔盐在低温下是粉末状固体,当它被加热到熔点以上时,熔盐就会变成跟水一样可流动的流体,在高温下甚至比水的粘度还低。

熔盐是高温传热工质的最佳选择。水/水蒸气,有系统压力大、蒸汽传热能力差,容易发生烧毁事故。导热油,价格贵、使用寿命短。熔盐传热无相变,传热均匀稳定,传热性能好、系统压力小、使用温度较高、价格低、安全可靠。

熔盐也是很好的高温储热介质。现在装机容量最大的当然就是抽水蓄能,已经到1.84亿千瓦,剩下的就是储热,集成大容量蓄热的太阳能热发电电站已达4.03GW,加上储热式清洁能源供热的300万KW,储热总装机容量达到了700万千瓦,是第二大储能技术,储热是非常重要的。

在高温蓄热里双罐高温熔盐显热蓄热是目前现实的大规模蓄热技术。国外的熔盐蓄热主要是用太阳能发电,这些图都是展示的国外的太阳能发电,比如西班牙的Gemasolar,美国的、摩洛哥的noor Lii,都采用了熔盐蓄热。目前世界上总共有24座槽式太阳能热电站采用了大规模熔盐蓄热技术,总装机达到了389万千瓦。

由于我们国家煤改电迫切需求,我们提出了谷电加热熔盐蓄热供热技术,已获得发明专利授权。在白天电价比较高的时候靠熔盐蓄热产生热量供能。

供暖方式非常多,这些供暖方式相比较,熔盐供暖优点是蓄热密度比较高,供热工况稳定可调,锅炉房占地面积小啊,零排放,零污染,使用寿命长。

这是关于建筑供暖跟同供暖方式的研究,从这里可以看出,当低谷电降到0.25元/kWh以下的时候,我们熔盐蓄热供暖的运营成本可以跟烧煤运营成本相当。熔盐供热用在建筑供暖上一年只有四五个月供暖季,而工业供热一年四季均需要,设备利用率高,工业供热需要100度以上的温度。水蓄热无法提供,是熔盐蓄热供热的优势所在。当低谷电价是0.28元时,一吨蒸汽成本是230元。

我们国家弃风弃光比较严重,如果把弃风弃光的电转化成热量进行储存,用于周围城镇的供暖或工业供热,也是解决弃风弃光非常重要的消纳途径。

火电厂灵活性改造,在火电厂内建立大容量蓄热装置,实现热电解耦或增加火电厂调峰深度是火电厂灵活性改造的主要技术途径。目前我们主要是用水蓄能或者固体蓄能,发了多余的电不让它上网,多余的电转化成热量,这样实际上浪费能源。我们的做法是,不让它转化成电,在锅炉上产生的高温热量直接蓄到熔盐里,这比现有的灵活性改造的能效高3倍。

可以用熔盐蓄热跟太阳能结合起来为工业供热和建筑供暖。

间歇式高温余热熔盐传热蓄热供热技术,可以通过熔盐蓄热把高温炉渣等间歇性余热转变成连续的热能来加以利用。

介绍一下我们北京工业大学熔盐传热蓄热技术的研究,主要包括混合熔盐制备与热物性研究、熔盐传热及设备研发、熔盐传热蓄热系统研发及示范等。我们获得了国家重点研发计划、国家重点研发中英创新桥国际合作项目、国家重点基础研究计划以及国际863项目,还有国家自然科学基金中英合作项目等等,总共有3000多万元的支持。熔盐方面我们已经发表了SCI国际英文期刊文章41篇。马重芳教授获得了2017年国家太阳能联盟创新技术贡献奖。我也担任了中国无机盐协会熔盐储能专委委员、化工学会储能专委会委员、可再生能源学会太阳能热发电专业委员会委员,参与了一些国家于清洁能源供暖国家和团体标准的编写,也参与了国家能源局指南规划的编写。

我们和冀中能源井矿集团成立了合资公司,进行熔盐材料、设备及工程的产业化,也建立了联合研发中心。

我们的进展,我们是在国际上两种盐solar salt和Hitec盐的基础上,通过在二元熔盐中添加其他种类熔盐或替代二元熔盐的某种组分,先后配置了二百余种混合熔盐配方,获得LMPS1、2和3种传热蓄热熔盐优化配方,三种熔盐熔点80—110度,最高使用温度550—650度以上,并经过1000次大温差冷热冲击和12000h恒高温热稳定试验,其主要热物性变化率不超过5%。

同时我们为了满足一些更高传递和蓄热的要求,我们也做了高温混合碳酸熔盐的配置,分解温度达到了900度。我们在混合碳酸盐的基础上,添加了物质让它的熔点降低了77℃。我们为了提高混合熔盐的蓄热密度,我们在熔盐中添加了纳米粒子。在1号低熔点熔盐中添加纳米粒子以后熔盐比热提高24%,导热系数也可以提高30%以上。同样在2号低熔点熔盐中我们也添加了纳米颗粒,可以使它比热提高17%,导热系数也可以相应提高。另外跟我们理解不一样的,添加纳米粒子以后黏度变低。碳酸盐添加纳米粒子,提高效果比硝酸盐更好。

这是我们做的各种低熔点低成本混合熔盐与常用熔盐的性能对比,我们的熔点降低,蓄热密度大幅度提高,比如最高蓄热密度一吨可以到199千瓦时,我们的蓄热系统的成本也大幅度降低。

我们碳酸盐的工作,美国可再生能源实验室2017年《第三代太阳能热发电示范路线图》中引用了北工大碳酸盐的2篇论文。熔盐配置没有测试是不行的,我们搞了测试,测得了低熔点熔盐热物性随温度变化的关联。我们建立了国内首个熔盐受迫对流传热试验台,获得了熔盐通用受迫对流传热实验关联式。美国实验室有两个科技报告,两个报告中大幅度应用我们的结果,推荐了6个熔盐对流传热计算公式都是北工大得到的。

我们也做了熔盐纳米流体受迫对流传热试验,我们现在做了两种配方,包括低熔点二元混合熔盐纳米流体和低熔点四元熔盐纳米流体,进行了长期试验,获得了熔盐纳米流体-导热油的总传热系数,熔盐纳米流体充分发展紊流下的对流传热系数和对流准则数关联式,获得了适用于熔盐纳米流体的受迫对流传热关联式,发现熔盐纳米流体对流传热系数比基盐的提高了40%。

我们也对金属丝、管束和蓄热罐内熔盐自然对流传热进行了数值模拟和试验研究。我们也开发了熔盐电加热器、熔盐换热器等关键设备。通过把我们的低熔点熔盐用于太阳能发电,同时配合强化传热与蓄热,可以提高太阳能热发电的可靠性,提高太阳能热发电效率15%~30%。

我们建立了能源楼楼顶太阳能槽式熔盐集热传热蓄热试验系统。我们在河北临城建立了熔盐蓄热谷电加热1.8万平米建筑供热示范工程,使用了200吨的低熔点熔盐,蓄热容量20MWh,电加热器2800kW,2017年建成的,运行了两个采暖季,效果还是非常好的。

我们最近在临城建立了一个8千瓦集成熔盐传热蓄热的单螺杆有机朗肯循环分布式太阳能热发电示范工程。今年6月份已经成功运行发电。

我们现在准备在张家口塞北建立一个农光互补的智慧能源小镇项目,采用谷电加热熔盐蓄热为30万平米建筑供暖,采用线性菲涅尔太阳能聚光熔盐传热蓄热为蒙牛、弘基等现代农牧产品加工企业提供蒸汽,采用农光互补,上面做太阳能聚光,聚光设备下面仍可种植农作物,本项目是一个多能互补项目,拟投资约3.3亿元。采用线性菲涅尔式太阳能集热系统,已经完成了设计。这个工程有10个线性菲涅尔回路,有两套系统,一套是跟太阳能结合的,一套跟谷电结合的。二期我们将进一步扩大,变成一个太阳能热发电项目,后期可能跟光伏、风电结合,建成一个微电网,成为一个多能互补的项目。

为了满足分散式居民采暖和一些小型电网采暖,我们还开发了单罐熔盐蓄热装置。在熔盐蓄热用于火电厂灵活性改造方面已申请三项发明专利。

总之,熔盐是一种性能优良的中高温传热蓄热介质,在核电、太阳能热发电、弃风弃光熔盐蓄热式供热、熔盐蓄热调峰电站,间歇高温工业余热蓄热、高温工业传热、燃气轮机叶片冷却等领域都有应用价值,市场空间巨大。

我就介绍这些,谢谢大家!

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