储热系统技术可有效提升热能综合利用效率
发布者：叶锋 | 来源：科学时报 | 0评论 | 6075查看 | 2013-05-15 09:46:00
目前，许多能源利用系统中都存在着能量供应和需求不匹配的矛盾，造成能量利用不合理和大量浪费。如太阳能、工业余热等能源利用效率较低，不仅浪费资源，也对大气环境造成不可忽视的热污染。
为此，提高能源转换和利用率就成为各国实施可持续发展战略必须优先考虑的重大课题，而发展储热技术进行热能的综合有效利用至关重要。
可利用资源丰富
太阳能是可再生能源中最重要的基本能源，它“取之不尽、用之不竭”且分布广泛、无污染，是经济型的清洁能源。
太阳每秒能够释放能量391×1021 kW，即使辐射到地球表面的能量只有其二十二亿分之一，也相当于全世界发电量的8万倍。
我国是太阳能相对富有的国家，全国2/3以上的地区，太阳能年辐射量超过6 GJ·m2，年日照时数2200 h以上。我国每年地球表面接收的太阳辐射能约为50×1019 kJ，相当于1700亿吨标准煤。如此丰富的太阳能资源也为我国开发利用太阳能发电提供了良好的条件。
工业余热主要来自冶金、建材、化工等行业。2010年的统计数据表明，工业余热资源最高约占其燃料总热量的67%，其中可回收率达60%，而我国余热资源的整体利用率较低，大型钢铁企业余热利用率约在30%~50%左右。
我国工业余热资源利用率的提升空间很大。以冶金行业为例，2010年我国粗钢产量为6.27亿吨，产生烟气蕴涵能量相当于3000万吨标煤，钢铁渣产生量约为2.8亿吨，蕴涵的热能相当于1000万吨标煤。目前，国内钢铁企业烟气余热利用率约为30%，钢铁渣余热利用率几乎为零。如果能将烟气余热利用率提高至90%，钢铁熔渣余热利用率提高至60%，每年可以节省2160万吨标煤，减排CO2约5000万吨，可发电33亿kWh。
可见余热回收是我国能源战略的重大需求，具有不可估量的经济效益，对我国的经济发展、社会进步和国家能源安全具有重要意义。但是，无论是太阳能还是工业余热资源，都存在间歇性和不稳定性的问题，严重阻碍了有关技术的推广和应用。
急需中高温潜热储热技术
采用储热技术可缓解热能供求在时间上、强度上和空间上不匹配的矛盾，是热能系统优化运行的重要手段。储热主要包括显热储热、潜热储热和化学反应储热三种形式。
化学反应储热由于系统复杂、技术难度大，可操作性不强，目前仍处于实验研究阶段；显热储热技术虽然得到了广泛应用，但由于储热材料单位体积储热密度低导致储热材料用量大，使得大容量储热系统体积庞大，过程复杂，成本较高。
潜热储热是利用储热材料相变过程释放或吸收的潜热进行热量的存储和释放。相比于显热储热技术，潜热储热具有单位体积储热密度大的优点，且在相变温度范围内具有较大能量的吸收和释放，存储和释放温度范围窄，有利于充热放热过程的温度稳定。
为了提高能量转换效率和降低成本，太阳能热利用技术正朝着更高工作温度发展，热发电的工作温度已经超过600℃，而大量工业余热的温度也非常高（如转炉烟气温度为1600℃左右）。
这些都迫切需要研究和开发中高温潜热储热技术。尽管国内外众多学者很早就从材料、过程等不同层次开展研究，但迄今为止，仍然没有成熟的中高温潜热储热系统稳定运行。
经过国内外多家研究单位多年来在该领域的深入研究，并结合国内外技术发展现状和趋势，认为中高温潜热储热技术主要面临以下突出问题。
首先，缺乏具有储热密度高、导热能力强等综合性能的中高温潜热储热材料。潜热储热技术的基础是相变材料，目前关于石蜡、水合盐为主的低温储热材料。
其次，中高温相变储热材料以无机盐和合金为主。选择候选材料一方面需要深入了解材料相变过程的热力学规律和动力学机理，另一方面需要从强化传热和高效储热两个方面去揭示微结构对材料热性能的影响规律。
除此以外，液—固相变材料的封装以及材料服役过程中热性能的衰变性也是中高温相变材料研究中不可或缺的内容，这往往是该类材料研发中存在的瓶颈问题。
高性能储热材料待开发
国内外多位科学家都对金属作为储热材料进行了研究。1980 年，Birchenall等测量分析了由地球上储量丰富的Al、Cu、Mg、Si 和Zn 组成的二元和三元合金的热物性，发现相变温度在780～850 K 范围内且富含Si或Al 的合金的储热密度最高，随后铝、硅基合金相变储热材料得到了广泛研究。
无机盐材料来源广泛、相变焓值大、价格适中，特别适合用作中高温相变储热材料。研究人员对温度高于450 ℃的熔盐的热物性进行了研究，并将温度范围为220℃~290 ℃的无机共晶盐的应用拓展到了太阳能热发电领域，通过差式扫描量热等测试方法，测定了熔盐的热物性。
另外，许多熔盐体系的相变前后的体积变化率超过10%，较大的体积变化率增大了熔盐相变材料体系内空穴，影响了储/释热速率，同时增加了储热系统设备的设计难度，降低了储热效率。为此，研究人员对熔盐相变储热材料与不锈钢的兼容性进行了研究，结果表明不锈钢对大多数熔盐有较好的防腐蚀效果。
同时，在三元铝基合金相变材料的循环性能以及与容器的兼容性；氟化物熔盐与钴、镍以及难熔金属元素合金钢的兼容性；氢氧化锂与结构合金材料的兼容性等方面，科学家也都进行了研究。
尽管中高温相变储热材料的研究已经取得了部分成果，但是金属及合金相变材料的成本较高、单位质量储热密度受到限制，加上金属合金相变材料相变后化学活性较强，严重的高温腐蚀大大限制了其在中高温储热领域的广泛应用。
熔盐作为相变储热材料，相变焓较大、储热密度高、价格适中，在中高温储热应用领域具有较大的发展潜力。但是熔盐导热性不佳且与金属合金相变材料都存在较严重的高温腐蚀等问题，仍然是制约其规模应用的难题。
因此，开发高性能储热材料及其制备方法是中高温储热材料研究的必然趋势，也是储热技术发展的必然途径。
太阳能、工业余热的分散性和大能级跨度以及可再生能源的间歇性等，都需要中高温相变储热技术。大规模储热技术的研究涉及到材料科学、化学工程、机械工程、传热传质学与多相流动等多个学科的交叉领域。开发高性能中高温相变储热材料对中高温储热领域，尤其太阳能热发电、工业余热回收等领域有着重要意义。
（作者单位：中国科学院过程工程研究所）
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