CSPPLAZA光熱發電網訊：“固體顆粒儲放熱技術方案靈活，熱源的選擇性多，放熱方式靈活，可換熱參數范圍廣泛；由于擁有很大的工作溫度區間，該技術既可用于發電也可用于生產工業蒸汽；同時還可以實現模塊化配置，并通過就地取材等措施實現低成本儲熱。”

6月22-23日，由中國清潔供熱平臺主辦的2021年第三屆中國儲熱大會在常州召開，東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司（簡稱東方鍋爐）技術中心儲熱高工李有霞作了題為“固體顆粒儲放熱技術”的主題演講。

為何要研究固體顆粒儲熱技術？

固體顆粒儲熱其實是一種顯熱儲熱技術，原理和熔鹽儲熱一樣，利用能量來源加熱低溫顆粒升溫，將能量轉換為高溫顆粒顯熱儲存；當需要釋放能量時，將存儲的高溫顆粒與用熱介質進行換熱，從而釋放所儲存的能量。

圖：工作原理

據李有霞介紹，東方鍋爐最初開始研究該技術是源于光熱發電，希望通過固體顆粒儲熱技術來進一步提高光熱發電系統工質溫度，進而提升電廠效率。

該技術主要有以下幾方面優勢：與常規的導熱油、熔鹽、水蒸氣和空氣等介質相比（詳見下表），固體顆粒使用溫度上限可以達到1000℃左右，運行溫度高且無溫度下限，不存在凝固風險；固體顆粒耐熱性能好，儲能密度大；材料價格便宜，無毒無害，循環性好，可常壓運行，儲熱成本低。

表：太陽能熱發電系統中各種工作介質對比

有哪些技術痛點？東鍋選擇如何應對？

相對于其它流體介質而言固體顆粒存在傳熱和流動性能不佳，輸送也相對困難的技術問題。

李有霞表示，東方鍋爐致力于固體顆粒儲放熱技術開發，旨在將其推廣至高溫光熱發電領域及中高溫用熱領域。為此，結合上述技術難點，東方鍋爐針對性開發出固體顆粒儲熱和放熱換熱器、高低溫儲罐以及固體顆粒輸送設備等核心裝備。

首先，東方鍋爐開發出一種多級流化床顆粒換熱器，可以很好解決固體顆粒傳熱困難的問題。該換熱器內設置多個倉室，每一個倉室之內布置換熱管，換熱管內是工質，儲熱時候是熱源工質，放熱時為用熱工質，管外顆粒在流化風作用下呈流態化和管內工質進行換熱。

據李有霞介紹，上述設計可大大提升換熱系數，使固體顆粒和工質換熱呈逆流換熱。多級受熱面匹配設計，能夠實現預熱、蒸發和過熱等多種參數的輸出。同時，從床層設計上來說，東方鍋爐綜合流化床設計經驗，降低了流化床床層，進而降低流化風壓頭，并對流化風系統也進行優化設計，以減小熱損失。

東方鍋爐在流化床鍋爐物料流化換熱方面具有豐富的設計經驗與運行業績，為多級流化床固體顆粒換熱器的設計奠定了堅實的基礎。

目前，東方鍋爐已成功為科技部重點研發計劃2018YFB1501003“超臨界CO2高效換熱研究”項目設計并供貨了固體顆粒與sCO2換熱器（詳見下圖）。

其次是顆粒輸送問題。東方鍋爐依托集團公司大型科研項目建成了粉體特性測試基礎實驗室和工業試驗平臺進行固體顆粒氣力輸送技術開發。該平臺具備粉體輸送技術輸出、發料罐等關鍵設備的研發設計，與工程（技術）服務能力。已具有漠沙及其他類物料多項輸送業績。

該平臺的輸送能力為10t/d～220t/d，達到了工業化應用的輸送等級；輸送壓力可達0.3～5.3Mpa；設計固氣比為5～30 kg（固）/kg(氣)；輸送氣源可選氮氣、二氧化碳、空氣等；可以輸送煤粉、漠沙、石油焦、生物質等粉體與顆粒物料。目前，東方鍋爐已依托該平臺的基礎研究工作設計出可靠的氣體輸送系統。

最后是固體顆粒材質選擇方面。李有霞介紹稱，針對工作溫度500℃以下的中低溫領域，東方鍋爐篩選合適粒徑的漠沙作為儲熱介質，成本低廉；針對與火電靈活性改造耦合的應用場景，東方鍋爐則測試了循環灰的性能，可以直接用循環灰作為儲熱顆粒；在超臨界二氧化碳系統方面，選擇了一種可耐高溫、且表面經過特殊處理的顆粒材料。

適用于哪些應用場景？

1、火電靈活性改造——利用固體顆粒儲熱技術可中高溫運行的特點將熱電聯產機組進行熱電解耦。

應用原理：可采用“純儲熱+邊儲邊放+純放熱”等靈活的運行模式在機組高負荷時間段富裕的蒸汽用于加熱固體顆粒儲存蒸汽熱，在機組低負荷供熱不足時對外供汽供熱，實現熱電解耦。

李有霞表示，當前可再生能源大比例增加，好多機組都面臨深度調峰的需求，結合固體顆粒儲熱技術可以運用不同的汽源，把進汽輪機做功的蒸汽量減下來用于儲熱，實現深度調峰，而且，相比電加熱技術，這樣操作可以直接將熱能儲存起來并按需對外供熱，省去了熱—電—熱的效率損失。

2、配套光熱發電系統建設可再生能源基地；利用棄風棄光電能，助力可再生能源消納。

圖：配套光熱發電建設可再生能源基地（左）/結合棄風棄光助力消納（右）

李有霞表示，與超臨界二氧化碳光熱發電系統配套也是固體顆粒儲熱技術的一個重要應用方向。在可再生能源在整個能源體系快速增加的當下，我們需要構建可再生能源基地，最好是自己帶有儲熱系統，實現自我調峰，而不是靠傳統的煤電調峰，這時“高溫光熱發電系統+固體顆粒儲熱技術”便有了用武之地。

同時，也可以將固體顆粒儲熱技術與風力/光伏可再生能源發電技術相結合，利用棄風棄光電力加熱固體顆粒，實現在用能高峰時間段利用固體顆粒所儲存的熱能加熱水工質產生高溫蒸汽外供或發電，最終達到助力可再生能源消納的目的。

3、高溫余熱利用領域。可以將煉鋼企業的一些爐渣、轉爐煙氣等高溫余熱源通過固體顆粒儲熱技術進行能量回收儲存，并根據需要對外提供高溫蒸汽、供熱或發電，以改善余熱發電或者供汽的經濟性。