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近日，北京工業(yè)大學(xué)校聘教授、博士生導(dǎo)師、內(nèi)蒙古百川光熱科技有限公司首席技術(shù)專家張燦燦出席了由ESPLAZA長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能網(wǎng)、國(guó)家儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺(tái)（華北電力大學(xué)）共同主辦的2023首屆中國(guó)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能大會(huì)，并作主題報(bào)告《低熔點(diǎn)寬液體溫域高溫混合熔鹽的研發(fā)及應(yīng)用》。

▲北京工業(yè)大學(xué)教授張燦燦

一、發(fā)展低成本大容量新型長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)迫在眉睫

2060年，我國(guó)風(fēng)光間歇性可再生能源發(fā)電占比將逐步提高至80%，需配套足夠容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)。目前抽水蓄能在全球儲(chǔ)能裝機(jī)占比86%，但受地形條件限制較大。張燦燦認(rèn)為，我們迫切需要發(fā)展抽水蓄能之外的低成本大容量新型長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)。

據(jù)張燦燦介紹，熱能占社會(huì)總能耗的51%，儲(chǔ)熱在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)中將扮演不可替代的重要作用。就目前來看，顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)成熟度最高、應(yīng)用較為廣泛；潛熱儲(chǔ)熱是研究熱點(diǎn)；熱化學(xué)儲(chǔ)熱尚未成熟。而熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)具有傳熱性能好、使用成本較低且安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，可以作為大力發(fā)展的顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)之一。

二、熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用

張燦燦表示，單一熔鹽液體溫度范圍窄，傳熱蓄熱熔鹽一般采用混合熔鹽。對(duì)于熔鹽在固態(tài)與熔化后液態(tài)的不同狀態(tài)，張燦燦也給出了直觀的展示。

    固態(tài)熔鹽                                      液態(tài)熔鹽

關(guān)于熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的特點(diǎn)，張燦燦解釋，相較于水、導(dǎo)熱油、熱態(tài)金屬和熱空氣來說，熔鹽的儲(chǔ)熱密度高、成本低、傳熱系數(shù)高，可以很精準(zhǔn)控制溫度，當(dāng)然也存在著熔點(diǎn)以下可能會(huì)發(fā)生凝固凍堵管路的問題。

綜合多方因素來看，張燦燦表示：“雙罐高溫熔鹽液體顯熱蓄熱是低成本、長(zhǎng)壽命、大容量長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)”。

張燦燦介紹，熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，在雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)中將發(fā)揮重要作用。

在供電側(cè)，熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)可以應(yīng)用于太陽能熱發(fā)電、火電廠深度調(diào)峰等清潔能源的生產(chǎn)。

在電網(wǎng)側(cè)，熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)于電熱儲(chǔ)熱熱電聯(lián)供儲(chǔ)能電站、熱泵儲(chǔ)熱發(fā)電儲(chǔ)能電站、壓縮空氣儲(chǔ)能電站等方面都有應(yīng)用價(jià)值。

在用戶側(cè)，熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)可以應(yīng)用于谷電或棄風(fēng)棄光電加熱儲(chǔ)熱供熱/暖、集成儲(chǔ)熱的太陽能供熱/暖、間歇余熱加熱儲(chǔ)熱供熱/暖、分布式太陽能熱電（冷）聯(lián)供等清潔取暖方面。

三、低熔點(diǎn)寬液體溫域高溫混合熔鹽的研發(fā)

北京工業(yè)大學(xué)熔鹽傳熱蓄熱的研究主要分為三個(gè)部分，分別是：混合熔鹽制備與熱物性研究、熔鹽對(duì)流傳熱機(jī)理及設(shè)備研發(fā)、混合熔鹽傳熱蓄熱系統(tǒng)應(yīng)用及研發(fā)。

為保證研究的順利推進(jìn)，北京工業(yè)大學(xué)設(shè)立了完整的熱物性測(cè)試和熔鹽換熱試驗(yàn)平臺(tái)：

張燦燦指出，顯熱儲(chǔ)熱材料的發(fā)展重點(diǎn)是提高儲(chǔ)熱密度，提高熔鹽儲(chǔ)熱密度一是增加比熱，二是提高溫域。低熔點(diǎn)、高分解溫度、寬溫域、高儲(chǔ)熱密度、低腐蝕、低成本是熔鹽儲(chǔ)熱材料的發(fā)展方向。

北京工業(yè)大學(xué)通過在二元熔鹽中添加其他種類熔鹽或替代二元熔鹽的某種組分，先后配制了二百余種混合熔鹽配方，篩選出幾種性能較好的熔鹽，張燦燦從價(jià)格、熔點(diǎn)、分解溫度等方面對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的性能對(duì)比。

四、幾種低熔點(diǎn)高性能熔鹽詳細(xì)介紹

1、低熔點(diǎn)含鋰四元熔鹽

據(jù)張燦燦介紹，研究人員通過添加硝酸鋰和添加劑A進(jìn)入太陽鹽，先后配制了15種四元混合硝酸熔鹽，優(yōu)選獲得了一種低熔點(diǎn)四元熔鹽優(yōu)化配方,該配方的熔點(diǎn)是97℃，分解溫度是612℃。

然后，研究人員對(duì)其進(jìn)行了1000次高低溫?zé)釠_擊試驗(yàn)和1200小時(shí)的恒高溫試驗(yàn)，結(jié)果表明該熔鹽大部分熱物性在穩(wěn)定性試驗(yàn)前后主要熱物性參數(shù)的變化率不超過10％，證明該熔鹽具有很好的熱穩(wěn)定性，可以在工程上長(zhǎng)期使用。

研究人員同時(shí)對(duì)該熔鹽的腐蝕性進(jìn)行了研究，結(jié)果如下：

對(duì)于該配方的應(yīng)用，張燦燦介紹，北京工業(yè)大學(xué)采用低熔點(diǎn)四元含鋰熔鹽代替導(dǎo)熱油做為吸熱傳熱工質(zhì)，在槽式聚光集熱傳熱系統(tǒng)中成功實(shí)現(xiàn)了循環(huán)，并在校內(nèi)搭建了集熱系統(tǒng)，成功運(yùn)行5000小時(shí)。

2、LMPS I低成本低熔點(diǎn)無鋰四元熔鹽

研究人員在HITEC鹽的基礎(chǔ)上添加A添加劑，先后配制了11種無鋰四元硝酸熔鹽，優(yōu)選獲得了一種低成本低熔點(diǎn)混合熔鹽優(yōu)化配方（LMPS I）,該配方的熔點(diǎn)為86.5℃，分解溫度629.9℃，初晶點(diǎn)158.4℃。

然后，研究人員對(duì)其密度、粘度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，并與Solar Salt進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該配方的各項(xiàng)物性均優(yōu)于太陽鹽。

同時(shí)進(jìn)行的600℃恒溫1008h實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該四元熔鹽熔點(diǎn)隨恒溫時(shí)間增加，穩(wěn)定性無明顯變化，初晶點(diǎn)基本沒有較大波動(dòng)。而太陽鹽分解溫度波動(dòng)幅度更大，證明四元熔鹽600℃下性能優(yōu)于太陽鹽。

張燦燦表示，北京工業(yè)大學(xué)進(jìn)一步對(duì)LMPS I低成本低熔點(diǎn)無鋰四元熔鹽分別進(jìn)行了500次高低溫?zé)釠_擊實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)腐蝕性測(cè)試、浸沒射流沖擊傳熱的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果均證明四元熔鹽相比太陽鹽更具有穩(wěn)定性，在實(shí)際工程應(yīng)用中更能體現(xiàn)應(yīng)用價(jià)值。

在應(yīng)用場(chǎng)景方面，張燦燦介紹，改配方應(yīng)用于內(nèi)蒙古低熔點(diǎn)熔鹽單罐蓄熱供熱示范工程，該工程研發(fā)了變截面浸沒式盤管與隔板耦合的單罐熔鹽蓄熱系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)單罐蓄熱系統(tǒng)取熱溫度不能穩(wěn)定的難題。

據(jù)悉，LMPS I低熔點(diǎn)熔鹽已成功應(yīng)用20噸于河北臨城8kW集成熔鹽傳熱蓄熱的單螺桿有機(jī)朗肯循環(huán)分布式太陽能熱發(fā)電示范工程、33噸于可勝德令哈熔鹽傳熱蓄熱工程驗(yàn)證平臺(tái)、240噸于華能集團(tuán)魏家峁火電廠熔鹽傳熱儲(chǔ)熱調(diào)峰示范工程。

3、LMPS II低熔點(diǎn)二元混合硝酸熔鹽

研究人員先后配制了十九種不同配比的混合熔鹽，優(yōu)選獲得了一種低熔點(diǎn)二元混合熔鹽配方，其熔點(diǎn)為118℃，分解點(diǎn)為569℃，熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于目前常用的Solar Salt和Hitec。

張燦燦表示，北京工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了低成本低熔點(diǎn)二元混合熔鹽的1200h恒溫500℃不同階段取樣的熱物性測(cè)試，比較了低成本二元混合熔鹽比熱、熔點(diǎn)、熱分解點(diǎn)、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)等熱物性參數(shù)在恒溫1200h前后的變化，結(jié)果表明低成本二元混合熔鹽的熱物性參數(shù)的變化率在±10%以內(nèi)。

在腐蝕性實(shí)驗(yàn)中，300℃和500℃條件下，不銹鋼316L的平均腐蝕速率分別約為0.002和0.008mm/y，腐蝕速率較低。同時(shí)進(jìn)行了受迫對(duì)流傳熱試驗(yàn)，獲得了二元熔鹽對(duì)流熔鹽的關(guān)聯(lián)式：

據(jù)張燦燦介紹，LMPS II低熔點(diǎn)二元混合硝酸熔鹽已成功應(yīng)用于首個(gè)低谷電加熱熔鹽蓄熱綠色供暖示范工程，使用450t低熔點(diǎn)熔鹽，為居民供暖7.5萬㎡，2016年11月建成運(yùn)行。同時(shí)也有200t低熔點(diǎn)熔鹽為河北臨城熔鹽蓄熱谷電加熱1.8萬平米建筑供熱示范工程供暖1.8萬㎡。

4、HLMPS I低熔點(diǎn)高分解溫度三元熔鹽

HLMPS I配方熔點(diǎn)為138.6℃，分解溫度可以達(dá)到734℃。與上述幾種配方不同的是，該熔鹽的比熱、粘度、導(dǎo)熱、密度等熱物性檢測(cè)具有第三方的檢測(cè)報(bào)告，檢測(cè)效果良好。

張燦燦進(jìn)一步指出，對(duì)此配方，北京工業(yè)大學(xué)分別進(jìn)行了恒高溫1000h和高低溫?zé)釠_擊500次的穩(wěn)定性測(cè)試，熔鹽的熱物性變化不大。在HLMPS I熔鹽腐蝕性實(shí)驗(yàn)中，結(jié)果表明N06625、Sanicro25和347H鋼在高溫下具有較好的抗腐蝕性。

張燦燦分別介紹了HLMPS I低熔點(diǎn)高分解溫度三元熔鹽在濟(jì)源鋼鐵高溫熔鹽淬火鋼絲生產(chǎn)線和寶武鋼鐵南通高溫熔鹽淬火鋼絲生產(chǎn)線上的應(yīng)用，主要用途是冷卻鋼絲，使用量分別為45t和10t。

張燦燦最后總結(jié)表示：熔鹽儲(chǔ)熱是低成本長(zhǎng)壽命大容量的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)，在核電、太陽能熱發(fā)電、谷電或棄風(fēng)棄光熔鹽蓄熱式供熱、火電廠調(diào)峰調(diào)頻、熔鹽蓄熱調(diào)峰電站、間歇高溫工業(yè)余熱蓄熱、高溫工業(yè)傳熱等領(lǐng)域都有應(yīng)用價(jià)值，市場(chǎng)空間巨大。

北京工業(yè)大學(xué)在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、973和863、國(guó)家自然科學(xué)基金等6千多萬元科研經(jīng)費(fèi)支持下，先后開發(fā)了6種低熔點(diǎn)寬液體溫域混合熔鹽配方，大幅提高了熔鹽的儲(chǔ)能密度，降低了儲(chǔ)能材料和系統(tǒng)的投資，降低了系統(tǒng)凍堵風(fēng)險(xiǎn)和防凍堵代價(jià)，滿足了高參數(shù)高效儲(chǔ)熱發(fā)電和高溫傳熱的需求。

團(tuán)隊(duì)研發(fā)的低熔點(diǎn)寬液體溫域高溫混合熔鹽先后在火電廠靈活性改造，低谷電加熱熔鹽蓄熱供暖示范工程，熔鹽傳熱蓄熱的單螺桿有機(jī)朗肯循環(huán)分布式太陽能熱發(fā)電示范工程等項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用，運(yùn)行性能優(yōu)良。