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蓄能罐、儲熱罐、熔鹽罐

太陽能熱發電技術從上世紀八十年代發展至今,對充當其傳熱介質的材料進行了多樣化的嘗試,包括水和蒸汽、空氣、液態金屬、導熱油及熔鹽等。隨著光熱發電技術的革新,所需要的傳熱介質使用溫度愈來愈高,要求的傳熱能力也愈來愈強。

 

熔鹽是優良的傳熱儲能介質,在建筑供暖、谷電制熱、風電消納等方面都具有一定的應用前景。由于其具有較高的使用溫度、高熱穩定性、高比熱容、高對流傳熱系數、低粘度、低飽和蒸汽壓、低價格等“四高三低”的優勢,成為目前光熱發電領域中認可度最高的傳儲熱介質之一。




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據統計,在首批20個光熱發單示范項目中,18個采用熔鹽儲能。已備案新增92個光熱發電站清單中,86個采用熔鹽儲能。然而,光熱電站中所使用的熔鹽在品質與價格方面都與常見農用化肥(硝酸鉀和硝酸鈉為常見的化肥原料)有較大差別,同時熔鹽在生產與使用過程中因自身特性導致的一系列問題已成為業內關注的重點。

目前,首批示范項目建設的陸續展開也將對熔鹽產品開展集中式采購。本文將從熔鹽品質界定入手,針對熔鹽的不同生產方式、腐蝕問題、首批示范項目采購標準、槽式與塔式項目對熔鹽的不同要求以及低熔點熔鹽未來發展形勢等方面進行了深入的分析與解答,以為示范項目熔鹽采購提供一些參考。

 

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熔鹽品質好壞如何界定?

根據應用領域的要求不同,所使用的熔鹽產品亦有所區別。常見的光熱熔鹽品種有二元鹽(40%KNO3+60%NaNO3)、三元鹽(53%KNO3+7%NaNO3+40%NaNO2)和低熔點熔鹽產品等。對于光熱發電而言,二元熔鹽的應用較為廣泛及成熟。

據CSPPLAZA記者了解,以使用二元熔鹽為例,槽式電站的使用量約是塔式電站的2.5倍左右。對于50MW、配置8小時儲能的塔式電站,熔鹽需求量約為1.2萬噸,對于50MW、配置8小時儲能的槽式電站,熔鹽需求量約為3萬噸。然而,在光熱電站對熔鹽需求量如此之高的情況下,中國當前對光熱電站所使用熔鹽的測試方法、測試項目、組分指標的要求尚沒有統一的衡量標準,容易導致熔鹽市場魚龍混雜,以次充好。

 

熔鹽通過選取不同類別的單體原材料(單晶鹽),嚴格按照一定比例復配形成性能穩定的混合共晶鹽。在熔鹽所選用的單晶鹽中,若雜質離子(如氯離子、硫酸根離子、銨根離子、碳酸根離子等)含量不能嚴格把關,將會導致最終的產品性能大打折扣,從而影響儲換熱效率,嚴重時可能腐蝕設備管道造成熔鹽泄露事故,或者堵塞管道導致電站癱瘓。因此,雜質含量是評判熔鹽品質的重要指標,高品質的熔鹽產品才能更好地對電站安全性負責。

深圳市愛能森科技有限公司(以下簡稱愛能森)首席專家曾智勇向CSPPLAZA記者介紹,現階段,高純度的熔鹽制備仍有較大難度,需要特定工藝去除雜質離子。因此,在選擇產品供應商時,可從以下幾個方面來界定產品品質:

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一、產品主成分含量及其它雜質離子含量,可通過產品的組分檢測來實現界定。研究發現,純度高的產品較之低純度產品的熔點可降低3℃以上,上限分解溫度提高13℃左右,同時粘度及腐蝕性也可大大降低,劣化分解形成沉淀使設備結垢的風險隨之降低。

二、產品含水量,即干燥程度。含水量的高低將會影響儲熱能力和采購成本。

三、產品的復配均勻度,這與復配的工藝及精細度有關。可從產品的色澤、顆粒均勻度粗略判斷,再通過產品的性能測試進一步判斷,如熔點、上限使用溫度、粘度、導熱、密度等參數。

 

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 除上述各項成分含量以及性能檢測外,熔鹽在光熱電站實際應用過程中性能的良好發揮才是熔鹽產品高品質的最有力證明。熔鹽質量好壞以是否能夠滿足光熱電站熔鹽相關系統和設備25年以上安全、穩定、高效運行為準,主要分為兩方面:

一、熔鹽本身做為蓄熱工質的質量保證。主要要求熔鹽在長期使用過程中物理化學性能保持穩定,比重、比熱、粘度等各項熱物性參數變化小,揮發量小。

二、熔鹽對過流部件及設備的影響。主要包括熔鹽罐、熔鹽泵、熔鹽管路、閥門、接觸式測試設備、熔鹽吸熱器、熔鹽-導熱油換熱器、熔鹽-水工質預熱器、蒸發、過熱和再熱器等熔鹽流經設備的腐蝕、形變和熱應力破壞等影響,需要保證這些設備在設計使用壽命內的正常工作。

 

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現場混合熔化VS直產混合熔鹽,孰優孰劣?

通常情況下,熔鹽供應可采用現場混合熔化或者直接供應混合熔鹽的方式。硝酸鉀和硝酸鈉早期主要應用于工業及農業,對產品品質要求相對光熱發電領域較低。市場上的供應商以單體為主,基本沒有復合熔鹽的供應商。所以,早期國外的光熱電站建設時,大多直接選購硝酸鉀和硝酸鈉,再進行現場復配。但進入光熱電站系統的最終熔鹽產品不是硝酸鉀單體、也不是硝酸鈉單體,而是二者按照一定比例復配后形成的混合共晶鹽。CSPPLAZA記者根據受訪各方反饋總結了兩種方式的優缺點。

 

 

 

在實際情況中,可對上述兩種情況作出相應的取舍。建議參考供應廠商和項目地理位置綜合考慮,如硝酸鉀和硝酸鈉生產廠家較近,可保證兩種原料連續供貨,則可采用現場混鹽的方式;如硝酸鉀和硝酸鈉生產廠家較遠,可采用直接供應混合熔鹽的方式。

 

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腐蝕問題究竟有多嚴重?

“儲熱熔鹽中硝酸鉀和硝酸鈉的氯離子和硫酸根離子尤其需要注意,它好比人類血管中的膽固醇,輕則造成堵塞,重則危及安全,尤其高溫條件下氯離子對設備的腐蝕性更是成幾何倍數增加,嚴重影響著生產安全和運行壽命。

通常而言,熔鹽的腐蝕性會對熔鹽罐、熔鹽泵、熔鹽電加熱器、罐體內測試元件、熔鹽管路、閥門、熔鹽吸熱器、連接軟管、法蘭等產生一定的化學腐蝕或者應力腐蝕,由于熔鹽使用過程中極大的溫差變化而造成的應力腐蝕可以導致熔鹽罐焊縫破裂。

 

熔鹽的腐蝕性主要是對接觸到熔鹽的設備產生腐蝕。其腐蝕機理較為復雜,有晶間腐蝕(局部腐蝕的一種)、點腐蝕等形式。腐蝕產生的原因也較多,包括對材質的選擇、施工工藝、生產管理等多個方面。

金利達鉀業田野補充道:“據有關資料顯示,在同種材質條件下,高溫中氯離子每增高10PPM將增加腐蝕性8-12%,超過界限值將大大減少設計壽命。降低熔鹽對儲熱設備的腐蝕問題,就需要采用低氯低硫的熔鹽產品。

針對降低腐蝕可采取的措施,愛能森曾智勇分享了以下幾點:

一、提高熔鹽產品的品質,尤其是降低易引起腐蝕的氯離子、硫酸根離子等,降低易沉積、結垢的雜質離子等。

二、選用合適的具有較強抗腐蝕性的材料制作設備,并且在設備制造和使用之前對設備進行防腐蝕處理。

三、運行過程中,做好溫度監測,避免局部過熱使熔鹽劣化變質而加劇對設備的腐蝕。

四、對于有些熔鹽產品,還需要使用惰性氣體進行保護。

 

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首批示范項目業主采購熔鹽應重點關注哪些因素?

一、確保采購產品質量

熔鹽的品質決定著儲能系統能否安全運行,是整個儲能系統的核心。首批示范項目是國家重點支持的光熱項目,項目一定要確保質量第一,因此項目所使用的材料必須嚴格把控質量,在采購熔鹽時應當考慮熔鹽供應商的實力,其生產能力能否滿足供貨要求,產品品質能否達到光熱應用要求。

對此,新疆硝石辛玲提出了4個參考點:1)企業生產規模,經營狀況,資金保障能力,是否專業;2)企業產品和生產的穩定性,安全性及環保特性;3)企業產品是否符合熔鹽技術指標;4)企業的項目供貨經驗、應用案例等。

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二、保障安全性

2016年10月和2017年初,國際上投入商業化運行的兩個塔式熔鹽電站新月沙丘與Gemasolar電站相繼曝出熔鹽泄露事故,除了修復費用帶來的經濟損失外,因事故導致的電站停運而帶來的售電收入損失更是巨大,給整個光熱發電行業敲響了警鐘。因此,熔鹽的安全管理至關重要,絕不可輕視。

 

同時,熔鹽不可儲存于露天環境,應儲存于符合GB50016‐2014建筑設計防火規范中規定的甲類倉庫要求,每個倉庫的最大允許占地面積為750平方米。對于業主方而言,要滿足3萬噸熔鹽的儲存,至少需要12個750平方米的甲類倉庫。業主方可預先將熔鹽儲存于離電站距離較近的供應商處或者另外租賃甲類倉庫,可減少一次性固定投資,減少儲存過程中的安全風險,確保電站安全投產。

 

三、控制采購成本

熔鹽價格在一定程度上可反映產品質量,然而熔鹽市場價格波動主要還是受需求量的變化而變化,環保要求的日益嚴格將會導致環保方面的投資增加,從而增加生產成本。因此,金利達鉀業田野認為,成本控制需要通過采購單位提出更準確的采購標準來控制熔鹽采購成本,不同標準的熔鹽產品價格相差較大,熔鹽企業可提供多種質量標準的熔鹽供客戶選擇;直接采購混合熔鹽,或者尋求第三方專業熔鹽服務企業提供兩種熔鹽、混配、熔化、罐體預熱以及熔鹽全部使用周期內的質量保證。

四、合理安排采購時間

“因為儲熱熔鹽僅是硝酸鉀和硝酸鈉作為工業原料使用的領域之一,并非所有的產能都集中在光熱發電領域,例如煙花、光玻強化等領域同樣有極大的需求量,光熱儲能熔鹽采購一般需求量大,要求的供貨周期短且利潤較低。在采購集中爆發期,可能會出現供應不足的情況,需要各采購單位提前溝通、訂貨。”金利達鉀業田野認為首批示范項目需提前采購,以保證項目的順利推進。

 

槽、塔項目的運行溫度差異對熔鹽產品的要求有何不同?

目前塔式光熱電站熔鹽的工作溫度一般在550℃以上,而槽式光熱電站一般不超過400℃,受訪企業普遍認為雖然塔式電站更高的運行溫度會導致熔鹽揮發量高于槽式電站,但光熱電站中熔鹽使用壽命基本與電站同步,一般在25年至30年左右,運行過程中會損耗部分熔鹽,需定時補充。超過使用壽命的熔鹽可由熔鹽生產企業經冷卻凝固后作為化工原料再次提純使用。

 

然而運行溫度的差異是否會對熔鹽的性能產生影響?這種差異的存在對熔鹽產品的具體要求又有何不同?部分受訪企業根據自身經驗,提出了各自的看法。

 

首先,由于熔鹽中許多氣體雜質只有在500℃以上才會出現,因此在雜質要求上,槽式電站熔鹽使用的要求更低,比如堿金屬Mg離子,400℃以下不會產生沉積,不需要特別考慮,而在塔式電站上就必須限制Mg離子含量;再次,除了溫度,還與使用的方式有關,比如鑫能項目是二次反射塔式系統,集熱器置于地面,太陽光直接照射熔鹽完成吸熱,這樣使用的熔鹽,對其指標又有完全不同的新要求。

金利達鉀業田野則建議,塔式電站運行溫度相對較高,可選擇沸點較高的熔鹽作為主要的選型方案之一,而槽式電站運行溫度相對較低,更適合使用低熔點熔鹽產品。

 

“對于塔式光熱電站來講,熔鹽的運行溫度相對槽式更高,所以塔式光熱電站對于熔鹽的熱穩定性、上限使用溫度、保溫措施、設備材質、應對腐蝕及應力的要求相對更高。電站方在采購熔鹽產品時,對產品品質應嚴格把關,確保滿足電站需求。”愛能森曾智勇如是表示。

低熔點熔鹽將成發展趨勢?

目前光熱電站中二元鹽應用較多,也更為成熟,但其凝固點較高、引起系統凍堵風險較大的特性對光熱系統的保溫和精細化控制都提出了較高的要求,許多企業和研究機構都在研究一些可能更適合光熱發電系統的熔鹽產品,其中低熔點熔鹽逐漸成為熱點

 

目前主流的熔鹽產品研究方向在于擴大儲熱空間或增加沸點和凝固點之間的溫度差,但是部分低溫熔鹽在降低熔點的同時,沸點也在降低,儲熱空間維持在300-400攝氏度左右。就目前熔鹽開發技術而言,尚未開發出熔點較低、沸點較高的熔鹽產品,這將是各熔鹽生產企業研究的主要方向之一。

 

低熔點熔鹽相對傳統二元熔鹽,熔點較低,對系統的保溫要求沒有那么苛刻,在使用中可有效降低管道凍堵風險,降低塔式儲熱系統在惡劣環境下對設備和保溫的苛刻要求,提升系統的環境適應性,提高儲熱系統的安全性及經濟性;更重要的是帶來技術性變革:低熔點熔鹽產品可替代槽式及線性菲涅爾系統中的導熱油,做傳熱、儲熱雙重功能,無需熱交換,熱損小;提升系統上限溫度,從而提升槽式的系統效率。此外,愛能森研發的新型低熔點熔鹽已成功應用于宿遷光電科技中心,成為全球首個采用多元低熔點熔鹽儲能項目。自2016年12月成功并網發電以來,該系統截止目前運行正常,驗證了低熔點熔鹽在光熱領域應用的可行性。

 

采用低熔點熔鹽可有效防止熔鹽凍堵問題的出現。首先,低熔點熔鹽的熔點較低,就拿熔點為116℃的低熔點熔鹽而言,其熔點較二元熔鹽低100℃左右,這本身就大大降低了熔鹽凍堵的風險。其次,熔鹽凍堵一般發生在夜間沒有陽光照射的情況下,因夜間集熱管和罐壁的輻射散熱損失與溫度的四次方成比例,采用低熔點熔鹽大大降低了夜間的散熱損失,使熔鹽降溫速度明顯下降。除此之外,采用低熔點熔鹽后防凝泵的功率大幅度下降,對伴熱及電加熱設備的要求也大大降低,因此,百吉瑞劉斌認為采用低熔點熔鹽不僅降低了熔鹽凍堵的風險,還使夜間防凝運維費用大幅度降低,在電站全生命周期內帶來可觀收益。

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