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近日，北(bei)京工業(ye)大(da)學(xue)校聘教(jiao)授、博士(shi)生導師、內(nei)蒙古百川光熱科技有(you)限公(gong)司首席技術專家張燦燦出席了由ESPLAZA長(chang)時(shi)儲(chu)(chu)能網、國(guo)家儲(chu)(chu)能技術產教(jiao)融合創(chuang)新(xin)平臺(tai)（華北(bei)電力大(da)學(xue)）共同主辦的2023首屆中國(guo)長(chang)時(shi)儲(chu)(chu)能大(da)會(hui)，并(bing)作主題(ti)報(bao)告《低熔點(dian)寬液體溫(wen)域(yu)高溫(wen)混合熔鹽的研發及(ji)應用》。

▲北京工業(ye)大學教授(shou)張燦燦

一、發展低成本大容量新型長時儲能技術迫在眉睫

2060年，我國風光間歇(xie)性可再生能(neng)源發(fa)電占比將(jiang)逐步提(ti)高(gao)至80%，需(xu)配套足夠容(rong)量的儲(chu)能(neng)系統。目(mu)前抽水蓄能(neng)在全球儲(chu)能(neng)裝(zhuang)機占比86%，但受(shou)地形(xing)條件限制較大。張(zhang)燦燦認(ren)為，我們迫切需(xu)要發(fa)展抽水蓄能(neng)之外的低成本(ben)大容(rong)量新型長時儲(chu)能(neng)技術。

據張(zhang)燦燦介紹，熱(re)(re)能占社會總能耗的51%，儲(chu)熱(re)(re)在碳達峰、碳中和目標實現中將扮演不可(ke)替(ti)代的重要(yao)作用(yong)。就目前來看，顯(xian)熱(re)(re)儲(chu)熱(re)(re)技術(shu)成熟度最高(gao)、應(ying)用(yong)較(jiao)為廣泛；潛(qian)熱(re)(re)儲(chu)熱(re)(re)是研究熱(re)(re)點；熱(re)(re)化(hua)學儲(chu)熱(re)(re)尚(shang)未成熟。而熔鹽儲(chu)熱(re)(re)技術(shu)具有傳熱(re)(re)性能好、使用(yong)成本(ben)較(jiao)低且安(an)全可(ke)靠(kao)的優(you)點，可(ke)以作為大(da)力發展(zhan)的顯(xian)熱(re)(re)儲(chu)熱(re)(re)技術(shu)之一。

二、熔鹽儲熱技術的特點及應用

張(zhang)燦(can)燦(can)表示，單一熔(rong)鹽(yan)液體溫度范圍窄(zhai)，傳熱蓄熱熔(rong)鹽(yan)一般(ban)采用混合熔(rong)鹽(yan)。對(dui)于熔(rong)鹽(yan)在(zai)固態與(yu)熔(rong)化后液態的不(bu)同(tong)狀態，張(zhang)燦(can)燦(can)也給出了直觀(guan)的展示。

    固態熔鹽(yan)                                      液態熔鹽(yan)

關于熔(rong)鹽(yan)儲熱(re)(re)(re)技(ji)術的特點，張(zhang)燦燦解釋，相較于水、導熱(re)(re)(re)油、熱(re)(re)(re)態金(jin)屬(shu)和熱(re)(re)(re)空氣來(lai)說，熔(rong)鹽(yan)的儲熱(re)(re)(re)密度(du)高、成(cheng)本低、傳(chuan)熱(re)(re)(re)系數(shu)高，可以很精準控制溫度(du)，當然(ran)也存在(zai)著熔(rong)點以下可能會發生凝固凍堵管路的問題。

綜合(he)多方因(yin)素來看(kan)，張(zhang)燦燦表示(shi)：“雙罐高溫熔鹽液體顯熱蓄熱是低成(cheng)本、長(chang)壽命、大容(rong)量長(chang)時儲能技(ji)術”。

張燦燦介紹(shao)，熔鹽儲熱技術的應用十分廣泛，在雙(shuang)碳目標實(shi)現中將發揮重要作用。

在(zai)供(gong)電側，熔鹽(yan)儲(chu)熱(re)技術可以應用(yong)于太陽能熱(re)發電、火電廠深度(du)調峰等(deng)清潔能源的生產(chan)。

在電網側，熔鹽(yan)儲(chu)(chu)熱(re)技術于電熱(re)儲(chu)(chu)熱(re)熱(re)電聯(lian)供儲(chu)(chu)能(neng)電站(zhan)、熱(re)泵儲(chu)(chu)熱(re)發電儲(chu)(chu)能(neng)電站(zhan)、壓縮(suo)空氣儲(chu)(chu)能(neng)電站(zhan)等方面都有(you)應用價值。

在用戶(hu)側，熔鹽(yan)儲(chu)熱(re)技術可(ke)以應用于(yu)谷(gu)電或(huo)棄風棄光電加熱(re)儲(chu)熱(re)供(gong)熱(re)/暖、集成(cheng)儲(chu)熱(re)的太陽能供(gong)熱(re)/暖、間歇余熱(re)加熱(re)儲(chu)熱(re)供(gong)熱(re)/暖、分(fen)布式太陽能熱(re)電（冷(leng)）聯(lian)供(gong)等(deng)清潔取(qu)暖方面。

三、低熔點寬液體溫域高溫混合熔鹽的研發

北京工(gong)業(ye)大學(xue)熔(rong)鹽(yan)傳熱蓄熱的(de)研究主要(yao)分為(wei)三個(ge)部分，分別是(shi)：混合(he)熔(rong)鹽(yan)制備與熱物性研究、熔(rong)鹽(yan)對流傳熱機理及設備研發(fa)、混合(he)熔(rong)鹽(yan)傳熱蓄熱系統應用及研發(fa)。

為保證研究的(de)順利推(tui)進(jin)，北京工業大學(xue)設立了完整的(de)熱(re)物性(xing)測試和熔鹽換熱(re)試驗平臺(tai)：

張(zhang)燦燦指(zhi)出，顯熱(re)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)材料(liao)的發展重點是(shi)(shi)提(ti)高儲(chu)(chu)(chu)熱(re)密度(du)，提(ti)高熔鹽儲(chu)(chu)(chu)熱(re)密度(du)一是(shi)(shi)增加(jia)比熱(re)，二是(shi)(shi)提(ti)高溫(wen)(wen)域(yu)。低熔點、高分(fen)解溫(wen)(wen)度(du)、寬溫(wen)(wen)域(yu)、高儲(chu)(chu)(chu)熱(re)密度(du)、低腐蝕、低成(cheng)本是(shi)(shi)熔鹽儲(chu)(chu)(chu)熱(re)材料(liao)的發展方向(xiang)。

北京工(gong)業大學通過在(zai)二元熔(rong)鹽(yan)中添加其他種(zhong)類(lei)熔(rong)鹽(yan)或(huo)替(ti)代(dai)二元熔(rong)鹽(yan)的某種(zhong)組分(fen)(fen)，先(xian)后配(pei)制了二百余種(zhong)混合熔(rong)鹽(yan)配(pei)方，篩(shai)選出幾種(zhong)性能較好的熔(rong)鹽(yan)，張燦(can)燦(can)從價格、熔(rong)點、分(fen)(fen)解溫度(du)等方面(mian)對其進行了詳細的性能對比(bi)。

四、幾種低熔點高性能熔鹽詳細介紹

1、低熔(rong)點含鋰四元熔(rong)鹽(yan)

據張燦燦介紹，研究人員通(tong)過添加硝(xiao)酸(suan)鋰和添加劑A進入太陽(yang)鹽，先后配制了15種四(si)元混合硝(xiao)酸(suan)熔鹽，優(you)選獲得了一(yi)種低(di)熔點四(si)元熔鹽優(you)化配方(fang),該配方(fang)的熔點是97℃，分解溫(wen)度是612℃。

然后，研究人員對(dui)其進(jin)行了1000次高(gao)低溫(wen)熱(re)(re)沖擊試驗和(he)1200小(xiao)時的恒高(gao)溫(wen)試驗，結(jie)果表明該熔鹽大部分(fen)熱(re)(re)物性(xing)在(zai)穩定性(xing)試驗前后主要(yao)熱(re)(re)物性(xing)參數的變化率不超過10％，證明該熔鹽具(ju)有很好(hao)的熱(re)(re)穩定性(xing)，可以在(zai)工程上(shang)長(chang)期使用。

研究人員同時對該(gai)熔鹽的(de)腐蝕性進行(xing)了研究，結果如下：

對于該(gai)配方(fang)的應用(yong)，張燦(can)燦(can)介紹(shao)，北(bei)京(jing)工(gong)業大學采(cai)用(yong)低(di)熔(rong)點四(si)元含鋰熔(rong)鹽代替導熱油做為(wei)吸熱傳熱工(gong)質，在(zai)槽式聚光集(ji)熱傳熱系(xi)統中成功(gong)實現了(le)循環(huan)，并在(zai)校(xiao)內搭建(jian)了(le)集(ji)熱系(xi)統，成功(gong)運行5000小時。

2、LMPS I低成本(ben)低熔(rong)點(dian)無鋰(li)四元(yuan)熔(rong)鹽

研(yan)究人員在HITEC鹽的基礎上添加A添加劑，先后配制了11種無鋰四(si)元硝酸熔(rong)(rong)鹽，優(you)選獲得了一種低(di)成本(ben)低(di)熔(rong)(rong)點(dian)混(hun)合熔(rong)(rong)鹽優(you)化(hua)配方（LMPS I）,該(gai)配方的熔(rong)(rong)點(dian)為86.5℃，分解溫度629.9℃，初晶點(dian)158.4℃。

然后，研究(jiu)人員對其密度(du)、粘度(du)、比熱、導(dao)熱系(xi)數進行了測試，并與Solar Salt進行對比，發現該配方的(de)各(ge)項物性(xing)均優于太陽鹽(yan)。

同(tong)時(shi)進行的600℃恒溫(wen)1008h實驗發現，該四元(yuan)熔(rong)(rong)鹽(yan)熔(rong)(rong)點(dian)隨恒溫(wen)時(shi)間增加，穩(wen)定(ding)性無明顯變化，初晶點(dian)基(ji)本沒有較大波動。而太陽(yang)鹽(yan)分解溫(wen)度波動幅度更大，證明四元(yuan)熔(rong)(rong)鹽(yan)600℃下(xia)性能優(you)于太陽(yang)鹽(yan)。

張燦燦表示，北京工(gong)業大學進一步對LMPS I低(di)(di)成本低(di)(di)熔點無鋰(li)四(si)元(yuan)熔鹽分別(bie)進行(xing)了500次高低(di)(di)溫熱沖擊實(shi)驗、動(dong)態和靜態腐蝕性測試、浸沒(mei)射流沖擊傳熱的實(shi)驗研究，結(jie)果均證明四(si)元(yuan)熔鹽相比太陽鹽更具有穩(wen)定性，在實(shi)際工(gong)程應(ying)用(yong)中(zhong)更能體(ti)現應(ying)用(yong)價值(zhi)。

在(zai)應(ying)用(yong)(yong)場(chang)景(jing)方面，張(zhang)燦(can)燦(can)介紹，改(gai)配方應(ying)用(yong)(yong)于內蒙(meng)古低(di)熔(rong)點熔(rong)鹽(yan)單罐(guan)(guan)蓄熱供熱示范工程(cheng)，該工程(cheng)研發了(le)(le)變截面浸沒(mei)式盤(pan)管與隔板(ban)耦合的(de)單罐(guan)(guan)熔(rong)鹽(yan)蓄熱系統(tong)，解決了(le)(le)傳統(tong)單罐(guan)(guan)蓄熱系統(tong)取熱溫度不(bu)能穩定的(de)難題。

據悉，LMPS I低(di)熔點熔鹽(yan)(yan)已成功應用20噸于(yu)河北(bei)臨城(cheng)8kW集成熔鹽(yan)(yan)傳熱(re)蓄熱(re)的(de)單(dan)螺桿有機朗肯循(xun)環分布式太(tai)陽能(neng)熱(re)發(fa)電示(shi)范(fan)工程、33噸于(yu)可(ke)勝德令(ling)哈熔鹽(yan)(yan)傳熱(re)蓄熱(re)工程驗證平臺(tai)、240噸于(yu)華能(neng)集團魏家峁火電廠熔鹽(yan)(yan)傳熱(re)儲(chu)熱(re)調峰示(shi)范(fan)工程。

3、LMPS II低(di)熔點二元混合硝酸熔鹽(yan)

研究人員先后配制(zhi)了(le)十九(jiu)種不同配比的(de)混(hun)合(he)熔(rong)(rong)鹽，優選獲得(de)了(le)一種低熔(rong)(rong)點二元(yuan)混(hun)合(he)熔(rong)(rong)鹽配方，其(qi)熔(rong)(rong)點為(wei)118℃，分解點為(wei)569℃，熔(rong)(rong)點遠低于目(mu)前常用的(de)Solar Salt和Hitec。

張燦燦表示，北京工業(ye)大學進(jin)行(xing)了低成本低熔(rong)點(dian)二元混合熔(rong)鹽(yan)的(de)(de)(de)1200h恒溫500℃不同階段取樣的(de)(de)(de)熱(re)(re)物性測試，比較了低成本二元混合熔(rong)鹽(yan)比熱(re)(re)、熔(rong)點(dian)、熱(re)(re)分解(jie)點(dian)、粘(zhan)度、導熱(re)(re)系(xi)數(shu)等熱(re)(re)物性參數(shu)在恒溫1200h前后的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)，結(jie)果表明低成本二元混合熔(rong)鹽(yan)的(de)(de)(de)熱(re)(re)物性參數(shu)的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)率在±10%以內。

在腐蝕(shi)性實驗中，300℃和500℃條件下，不(bu)銹(xiu)鋼316L的平(ping)均腐蝕(shi)速率分別約為(wei)0.002和0.008mm/y，腐蝕(shi)速率較低。同時進行了受迫對流傳熱試(shi)驗，獲(huo)得了二元(yuan)熔鹽對流熔鹽的關聯式：

據張燦(can)(can)燦(can)(can)介紹(shao)，LMPS II低熔(rong)(rong)點(dian)二元混合硝酸熔(rong)(rong)鹽已成功應用(yong)于首(shou)個(ge)低谷電加熱(re)(re)熔(rong)(rong)鹽蓄(xu)熱(re)(re)綠(lv)色供暖示范(fan)工程，使用(yong)450t低熔(rong)(rong)點(dian)熔(rong)(rong)鹽，為(wei)居民供暖7.5萬(wan)㎡，2016年11月建成運行。同時(shi)也(ye)有200t低熔(rong)(rong)點(dian)熔(rong)(rong)鹽為(wei)河北臨城熔(rong)(rong)鹽蓄(xu)熱(re)(re)谷電加熱(re)(re)1.8萬(wan)平米建筑(zhu)供熱(re)(re)示范(fan)工程供暖1.8萬(wan)㎡。

4、HLMPS I低熔(rong)點高分解溫度三元熔(rong)鹽

HLMPS I配方(fang)熔點為138.6℃，分解溫度可以達(da)到(dao)734℃。與上述幾種(zhong)配方(fang)不同的(de)是(shi)，該熔鹽的(de)比熱(re)(re)、粘度、導熱(re)(re)、密度等(deng)熱(re)(re)物(wu)性檢測(ce)具(ju)有第三方(fang)的(de)檢測(ce)報告，檢測(ce)效(xiao)果良好(hao)。

張燦(can)燦(can)進一(yi)步指出，對此配方，北京工業(ye)大(da)學分(fen)別(bie)進行了恒(heng)高溫1000h和(he)(he)高低(di)溫熱沖(chong)擊500次的(de)穩(wen)定(ding)性測試(shi)，熔(rong)(rong)鹽的(de)熱物性變化不(bu)大(da)。在HLMPS I熔(rong)(rong)鹽腐蝕(shi)性實(shi)驗中，結(jie)果表明N06625、Sanicro25和(he)(he)347H鋼在高溫下具(ju)有較好的(de)抗(kang)腐蝕(shi)性。

張燦燦分(fen)別介(jie)紹了HLMPS I低熔(rong)(rong)點高(gao)(gao)分(fen)解溫(wen)度(du)三元熔(rong)(rong)鹽在濟源鋼(gang)鐵高(gao)(gao)溫(wen)熔(rong)(rong)鹽淬火(huo)鋼(gang)絲(si)(si)生產線和(he)寶武鋼(gang)鐵南(nan)通高(gao)(gao)溫(wen)熔(rong)(rong)鹽淬火(huo)鋼(gang)絲(si)(si)生產線上的應用(yong)，主要用(yong)途是冷卻鋼(gang)絲(si)(si)，使用(yong)量分(fen)別為(wei)45t和(he)10t。

張燦(can)(can)燦(can)(can)最后(hou)總結(jie)表示(shi)：熔(rong)(rong)鹽(yan)儲(chu)(chu)熱(re)(re)是(shi)低成本長(chang)壽命大容量(liang)的長(chang)時儲(chu)(chu)能(neng)技術，在核電、太陽能(neng)熱(re)(re)發(fa)電、谷(gu)電或棄風(feng)棄光熔(rong)(rong)鹽(yan)蓄熱(re)(re)式供(gong)熱(re)(re)、火電廠調峰(feng)調頻、熔(rong)(rong)鹽(yan)蓄熱(re)(re)調峰(feng)電站、間(jian)歇高溫工業(ye)余熱(re)(re)蓄熱(re)(re)、高溫工業(ye)傳熱(re)(re)等領域都有(you)應用價值(zhi)，市場空(kong)間(jian)巨(ju)大。

北京(jing)工業大學(xue)(xue)在國(guo)家重點(dian)研(yan)發(fa)(fa)計劃、973和(he)(he)(he)863、國(guo)家自然科學(xue)(xue)基金等6千多(duo)萬(wan)元科研(yan)經費支持下(xia)，先后開發(fa)(fa)了(le)6種低熔(rong)點(dian)寬(kuan)液體溫域混合熔(rong)鹽配方，大幅(fu)提(ti)高(gao)了(le)熔(rong)鹽的儲能密度，降(jiang)低了(le)儲能材料(liao)和(he)(he)(he)系統(tong)的投資，降(jiang)低了(le)系統(tong)凍堵風險和(he)(he)(he)防(fang)凍堵代價，滿足了(le)高(gao)參數高(gao)效儲熱發(fa)(fa)電和(he)(he)(he)高(gao)溫傳熱的需求。

團隊研(yan)發的低熔(rong)(rong)點寬液體溫域高溫混合熔(rong)(rong)鹽先后在火(huo)電廠(chang)靈活性改造，低谷電加熱(re)(re)熔(rong)(rong)鹽蓄熱(re)(re)供暖示范(fan)工程，熔(rong)(rong)鹽傳熱(re)(re)蓄熱(re)(re)的單(dan)螺桿有(you)機朗肯(ken)循環分布式太陽(yang)能熱(re)(re)發電示范(fan)工程等項目中進行了(le)應用，運行性能優良。