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儲熱系統技術可有效提升熱能綜合利用效率
發布者：葉鋒 | 來源：科學時報 | 0評論 | 6869查看 | 2013-05-15 09:46:00    
　　目前(qian)，許(xu)多(duo)能(neng)(neng)(neng)源(yuan)利(li)用(yong)系(xi)統中(zhong)都存在著(zhu)能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)供應和需求不(bu)匹配的矛盾，造成能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)利(li)用(yong)不(bu)合理和大量(liang)(liang)浪(lang)費。如太(tai)陽能(neng)(neng)(neng)、工業余熱等(deng)能(neng)(neng)(neng)源(yuan)利(li)用(yong)效率較低，不(bu)僅浪(lang)費資源(yuan)，也對(dui)大氣(qi)環境造成不(bu)可忽(hu)視的熱污染(ran)。

　　為此，提高能源轉換和利用率就成為各國實施可持續發展戰略必須優先考慮的重大課題，而發展儲熱技術進行熱能的綜合有效利用至關重要。

可利用資源豐富

　　太陽能是可再生能源中最重要的基本能源，它“取之不盡、用之不竭”且分布廣泛、無污染，是經濟型的清潔能源。

　　太陽每秒能夠釋放能量391×1021 kW，即使輻射到地球表面的能量只有其二十二億分之一，也相當于全世界發電量的8萬倍。

　　我國是太陽能相對富有的國家，全國2/3以上的地區，太陽能年輻射量超過6 GJ·m2，年日照時數2200 h以上。我國每年地球表面接收的太陽輻射能約為50×1019 kJ，相當于1700億噸標準煤。如此豐富的太陽能資源也為我國開發利用太陽能發電提供了良好的條件。

　　工業余熱主要來自冶金、建材、化工等行業。2010年的統計數據表明，工業余熱資源最高約占其燃料總熱量的67%，其中可回收率達60%，而我國余熱資源的整體利用率較低，大型鋼鐵企業余熱利用率約在30%~50%左右。

　　我國工業余熱資源利用率的提升空間很大。以冶金行業為例，2010年我國粗鋼產量為6.27億噸，產生煙氣蘊涵能量相當于3000萬噸標煤，鋼鐵渣產生量約為2.8億噸，蘊涵的熱能相當于1000萬噸標煤。目前，國內鋼鐵企業煙氣余熱利用率約為30%，鋼鐵渣余熱利用率幾乎為零。如果能將煙氣余熱利用率提高至90%，鋼鐵熔渣余熱利用率提高至60%，每年可以節省2160萬噸標煤，減排CO2約5000萬噸，可發電33億kWh。

　　可見余熱回收是我國能源戰略的重大需求，具有不可估量的經濟效益，對我國的經濟發展、社會進步和國家能源安全具有重要意義。但是，無論是太陽能還是工業余熱資源，都存在間歇性和不穩定性的問題，嚴重阻礙了有關技術的推廣和應用。

急需中高溫潛熱儲熱技術

　　采用儲熱技術可緩解熱能供求在時間上、強度上和空間上不匹配的矛盾，是熱能系統優化運行的重要手段。儲熱主要包括顯熱儲熱、潛熱儲熱和化學反應儲熱三種形式。

　　化學反應儲熱由于系統復雜、技術難度大，可操作性不強，目前仍處于實驗研究階段；顯熱儲熱技術雖然得到了廣泛應用，但由于儲熱材料單位體積儲熱密度低導致儲熱材料用量大，使得大容量儲熱系統體積龐大，過程復雜，成本較高。

　　潛熱儲熱是利用儲熱材料相變過程釋放或吸收的潛熱進行熱量的存儲和釋放。相比于顯熱儲熱技術，潛熱儲熱具有單位體積儲熱密度大的優點，且在相變溫度范圍內具有較大能量的吸收和釋放，存儲和釋放溫度范圍窄，有利于充熱放熱過程的溫度穩定。

　　為了提高能量轉換效率和降低成本，太陽能熱利用技術正朝著更高工作溫度發展，熱發電的工作溫度已經超過600℃，而大量工業余熱的溫度也非常高（如轉爐煙氣溫度為1600℃左右）。

　　這些都迫切需要研究和開發中高溫潛熱儲熱技術。盡管國內外眾多學者很早就從材料、過程等不同層次開展研究，但迄今為止，仍然沒有成熟的中高溫潛熱儲熱系統穩定運行。

　　經過國內外多家研究單位多年來在該領域的深入研究，并結合國內外技術發展現狀和趨勢，認為中高溫潛熱儲熱技術主要面臨以下突出問題。

　　首先，缺乏具有儲熱密度高、導熱能力強等綜合性能的中高溫潛熱儲熱材料。潛熱儲熱技術的基礎是相變材料，目前關于石蠟、水合鹽為主的低溫儲熱材料。

　　其次，中高溫相變儲熱材料以無機鹽和合金為主。選擇候選材料一方面需要深入了解材料相變過程的熱力學規律和動力學機理，另一方面需要從強化傳熱和高效儲熱兩個方面去揭示微結構對材料熱性能的影響規律。

　　除此以外，液—固相變材料的封裝以及材料服役過程中熱性能的衰變性也是中高溫相變材料研究中不可或缺的內容，這往往是該類材料研發中存在的瓶頸問題。

高性能儲熱材料待開發

　　國內外多位科學家都對金屬作為儲熱材料進行了研究。1980 年，Birchenall等測量分析了由地球上儲量豐富的Al、Cu、Mg、Si 和Zn 組成的二元和三元合金的熱物性，發現相變溫度在780～850 K 范圍內且富含Si或Al 的合金的儲熱密度最高，隨后鋁、硅基合金相變儲熱材料得到了廣泛研究。

　　無機鹽材料來源廣泛、相變焓值大、價格適中，特別適合用作中高溫相變儲熱材料。研究人員對溫度高于450 ℃的熔鹽的熱物性進行了研究，并將溫度范圍為220℃~290 ℃的無機共晶鹽的應用拓展到了太陽能熱發電領域，通過差式掃描量熱等測試方法，測定了熔鹽的熱物性。

　　另外，許多熔鹽體系的相變前后的體積變化率超過10%，較大的體積變化率增大了熔鹽相變材料體系內空穴，影響了儲/釋熱速率，同時增加了儲熱系統設備的設計難度，降低了儲熱效率。為此，研究人員對熔鹽相變儲熱材料與不銹鋼的兼容性進行了研究，結果表明不銹鋼對大多數熔鹽有較好的防腐蝕效果。

　　同時，在三元鋁基合金相變材料的循環性能以及與容器的兼容性；氟化物熔鹽與鈷、鎳以及難熔金屬元素合金鋼的兼容性；氫氧化鋰與結構合金材料的兼容性等方面，科學家也都進行了研究。

　　盡管中高溫相變儲熱材料的研究已經取得了部分成果，但是金屬及合金相變材料的成本較高、單位質量儲熱密度受到限制，加上金屬合金相變材料相變后化學活性較強，嚴重的高溫腐蝕大大限制了其在中高溫儲熱領域的廣泛應用。

　　熔鹽作為相變儲熱材料，相變焓較大、儲熱密度高、價格適中，在中高溫儲熱應用領域具有較大的發展潛力。但是熔鹽導熱性不佳且與金屬合金相變材料都存在較嚴重的高溫腐蝕等問題，仍然是制約其規模應用的難題。

　　因此，開發高性能儲熱材料及其制備方法是中高溫儲熱材料研究的必然趨勢，也是儲熱技術發展的必然途徑。

　　太陽能、工業余熱的分散性和大能級跨度以及可再生能源的間歇性等，都需要中高溫相變儲熱技術。大規模儲熱技術的研究涉及到材料科學、化學工程、機械工程、傳熱傳質學與多相流動等多個學科的交叉領域。開發高性能中高溫相變儲熱材料對中高溫儲熱領域，尤其太陽能熱發電、工業余熱回收等領域有著重要意義。

（作者單位：中國科學院過程工程研究所）
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