北工大教授/百川光热首席技术专家张灿灿:低熔点宽液体温域高温混合熔盐的研发及应用
发布者:Catherine | 来源:CSPPLAZA | 0评论 | 1188查看 | 2024-02-01 11:07:16    

近日,北京工业大学校聘教授、博士生导师、内蒙古百川光热科技有限公司首席技术专家张灿灿出席了由ESPLAZA长时储能网、国家储能技术产教融合创新平台(华北电力大学)共同主办的2023首届中国长时储能大会,并作主题报告《低熔点宽液体温域高温混合熔盐的研发及应用》。


image.png

▲北京工业大学教授张灿灿


一、发展低成本大容量新型长时储能技术迫在眉睫


2060年,我国风光间歇性可再生能源发电占比将逐步提高至80%,需配套足够容量的储能系统。目前抽水蓄能在全球储能装机占比86%,但受地形条件限制较大。张灿灿认为,我们迫切需要发展抽水蓄能之外的低成本大容量新型长时储能技术。


image.png


据张灿灿介绍,热能占社会总能耗的51%,储热在碳达峰、碳中和目标实现中将扮演不可替代的重要作用。就目前来看,显热储热技术成熟度最高、应用较为广泛;潜热储热是研究热点;热化学储热尚未成熟。而熔盐储热技术具有传热性能好、使用成本较低且安全可靠的优点,可以作为大力发展的显热储热技术之一。


二、熔盐储热技术的特点及应用


张灿灿表示,单一熔盐液体温度范围窄,传热蓄热熔盐一般采用混合熔盐。对于熔盐在固态与熔化后液态的不同状态,张灿灿也给出了直观的展示。


image.pngimage.png

    固态熔盐                                      液态熔盐


关于熔盐储热技术的特点,张灿灿解释,相较于水、导热油、热态金属和热空气来说,熔盐的储热密度高、成本低、传热系数高,可以很精准控制温度,当然也存在着熔点以下可能会发生凝固冻堵管路的问题。


综合多方因素来看,张灿灿表示:“双罐高温熔盐液体显热蓄热是低成本、长寿命、大容量长时储能技术”。


image.png


张灿灿介绍,熔盐储热技术的应用十分广泛,在双碳目标实现中将发挥重要作用。


image.png


在供电侧,熔盐储热技术可以应用于太阳能热发电、火电厂深度调峰等清洁能源的生产。


在电网侧,熔盐储热技术于电热储热热电联供储能电站、热泵储热发电储能电站、压缩空气储能电站等方面都有应用价值。


在用户侧,熔盐储热技术可以应用于谷电或弃风弃光电加热储热供热/暖、集成储热的太阳能供热/暖、间歇余热加热储热供热/暖、分布式太阳能热电(冷)联供等清洁取暖方面。


三、低熔点宽液体温域高温混合熔盐的研发


北京工业大学熔盐传热蓄热的研究主要分为三个部分,分别是:混合熔盐制备与热物性研究、熔盐对流传热机理及设备研发、混合熔盐传热蓄热系统应用及研发。


为保证研究的顺利推进,北京工业大学设立了完整的热物性测试和熔盐换热试验平台:


image.png


张灿灿指出,显热储热材料的发展重点是提高储热密度,提高熔盐储热密度一是增加比热,二是提高温域。低熔点、高分解温度、宽温域、高储热密度、低腐蚀、低成本是熔盐储热材料的发展方向。


北京工业大学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,先后配制了二百余种混合熔盐配方,筛选出几种性能较好的熔盐,张灿灿从价格、熔点、分解温度等方面对其进行了详细的性能对比。


image.png


四、几种低熔点高性能熔盐详细介绍


1、低熔点含锂四元熔盐


据张灿灿介绍,研究人员通过添加硝酸锂和添加剂A进入太阳盐,先后配制了15种四元混合硝酸熔盐,优选获得了一种低熔点四元熔盐优化配方,该配方的熔点是97℃,分解温度是612℃。


然后,研究人员对其进行了1000次高低温热冲击试验和1200小时的恒高温试验,结果表明该熔盐大部分热物性在稳定性试验前后主要热物性参数的变化率不超过10%,证明该熔盐具有很好的热稳定性,可以在工程上长期使用。


研究人员同时对该熔盐的腐蚀性进行了研究,结果如下:


image.png


对于该配方的应用,张灿灿介绍,北京工业大学采用低熔点四元含锂熔盐代替导热油做为吸热传热工质,在槽式聚光集热传热系统中成功实现了循环,并在校内搭建了集热系统,成功运行5000小时。


image.png


2、LMPS I低成本低熔点无锂四元熔盐


研究人员在HITEC盐的基础上添加A添加剂,先后配制了11种无锂四元硝酸熔盐,优选获得了一种低成本低熔点混合熔盐优化配方(LMPS I),该配方的熔点为86.5℃,分解温度629.9℃,初晶点158.4℃。


然后,研究人员对其密度、粘度、比热、导热系数进行了测试,并与Solar Salt进行对比,发现该配方的各项物性均优于太阳盐。


image.png


同时进行的600℃恒温1008h实验发现,该四元熔盐熔点随恒温时间增加,稳定性无明显变化,初晶点基本没有较大波动。而太阳盐分解温度波动幅度更大,证明四元熔盐600℃下性能优于太阳盐。


张灿灿表示,北京工业大学进一步对LMPS I低成本低熔点无锂四元熔盐分别进行了500次高低温热冲击实验、动态和静态腐蚀性测试、浸没射流冲击传热的实验研究,结果均证明四元熔盐相比太阳盐更具有稳定性,在实际工程应用中更能体现应用价值。


在应用场景方面,张灿灿介绍,改配方应用于内蒙古低熔点熔盐单罐蓄热供热示范工程,该工程研发了变截面浸没式盘管与隔板耦合的单罐熔盐蓄热系统,解决了传统单罐蓄热系统取热温度不能稳定的难题。


image.png


据悉,LMPS I低熔点熔盐已成功应用20吨于河北临城8kW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、33吨于可胜德令哈熔盐传热蓄热工程验证平台、240吨于华能集团魏家峁火电厂熔盐传热储热调峰示范工程。


3、LMPS II低熔点二元混合硝酸熔盐


研究人员先后配制了十九种不同配比的混合熔盐,优选获得了一种低熔点二元混合熔盐配方,其熔点为118℃,分解点为569℃,熔点远低于目前常用的Solar Salt和Hitec。


张灿灿表示,北京工业大学进行了低成本低熔点二元混合熔盐的1200h恒温500℃不同阶段取样的热物性测试,比较了低成本二元混合熔盐比热、熔点、热分解点、粘度、导热系数等热物性参数在恒温1200h前后的变化,结果表明低成本二元混合熔盐的热物性参数的变化率在±10%以内。


在腐蚀性实验中,300℃和500℃条件下,不锈钢316L的平均腐蚀速率分别约为0.002和0.008mm/y,腐蚀速率较低。同时进行了受迫对流传热试验,获得了二元熔盐对流熔盐的关联式:


image.png


据张灿灿介绍,LMPS II低熔点二元混合硝酸熔盐已成功应用于首个低谷电加热熔盐蓄热绿色供暖示范工程,使用450t低熔点熔盐,为居民供暖7.5万㎡,2016年11月建成运行。同时也有200t低熔点熔盐为河北临城熔盐蓄热谷电加热1.8万平米建筑供热示范工程供暖1.8万㎡。


image.png


4、HLMPS I低熔点高分解温度三元熔盐


HLMPS I配方熔点为138.6℃,分解温度可以达到734℃。与上述几种配方不同的是,该熔盐的比热、粘度、导热、密度等热物性检测具有第三方的检测报告,检测效果良好。


image.png


张灿灿进一步指出,对此配方,北京工业大学分别进行了恒高温1000h和高低温热冲击500次的稳定性测试,熔盐的热物性变化不大。在HLMPS I熔盐腐蚀性实验中,结果表明N06625、Sanicro25和347H钢在高温下具有较好的抗腐蚀性。


image.png


张灿灿分别介绍了HLMPS I低熔点高分解温度三元熔盐在济源钢铁高温熔盐淬火钢丝生产线和宝武钢铁南通高温熔盐淬火钢丝生产线上的应用,主要用途是冷却钢丝,使用量分别为45t和10t。


张灿灿最后总结表示:熔盐储热是低成本长寿命大容量的长时储能技术,在核电、太阳能热发电、谷电或弃风弃光熔盐蓄热式供热、火电厂调峰调频、熔盐蓄热调峰电站、间歇高温工业余热蓄热、高温工业传热等领域都有应用价值,市场空间巨大。


北京工业大学在国家重点研发计划、973和863、国家自然科学基金等6千多万元科研经费支持下,先后开发了6种低熔点宽液体温域混合熔盐配方,大幅提高了熔盐的储能密度,降低了储能材料和系统的投资,降低了系统冻堵风险和防冻堵代价,满足了高参数高效储热发电和高温传热的需求。


团队研发的低熔点宽液体温域高温混合熔盐先后在火电厂灵活性改造,低谷电加热熔盐蓄热供暖示范工程,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等项目中进行了应用,运行性能优良。

最新评论
0人参与
马上参与
最新资讯