摘要：熔鹽是一種理想的儲熱介質，具有低黏度、低蒸汽壓、穩定性高、儲熱密度高等優點，因此熔鹽儲熱技術可以廣泛應用于太陽能光熱發電、火電機組的調峰調頻、供暖與余熱回收利用等領域。但目前對熔鹽儲熱關鍵技術的研究普遍是以太陽能光熱發電為中心展開的，針對其他場景的研究與應用還不夠充分。

在不同的應用場景下，熔鹽的工作溫度區間、加熱方式、關鍵部件的選擇和系統流程的布置都有區別。概述了熔鹽儲熱技術的優勢特點與技術關鍵，總結了在不同場景下的研究現狀和最新的應用示范，分析了目前熔鹽儲熱技術需要加強研究的關鍵方面，并提出了未來的發展趨勢與目標。

引言

隨著可再生能源并網規模的迅猛發展，其間歇性與不穩定性對電力系統的安全穩定運行產生影響，因此急需配置儲能系統消納可再生能源電力。2022年2月10日國家發展改革委員會、國家能源局發布的《“十四五”新型儲能發展實施方案》中指出，新型儲能是構建新型電力系統的重要技術和基礎裝備，是實現碳達峰碳中和目標的重要支撐。建設火電機組抽汽蓄能等依托常規電源的新型儲能技術，推進源網荷儲一體化協同發展。

熔鹽作為一種中高溫傳熱蓄熱介質，與常規高溫傳熱流體相比具有飽和蒸汽壓較低、高溫穩定性能優越、低黏度小、比熱容大的優勢，因此熔鹽儲熱系統具有適用范圍廣、綠色環保、安全穩定等優點，是目前大規模、長時間中高溫儲熱技術的首選，不僅適用于太陽能熱發電，還可以應用于火電的靈活性改造，余熱回收利用、清潔供暖等，是構建未來新型儲能系統的關鍵技術之一。

本文重點介紹熔鹽儲熱技術的特點，分析目前熔鹽儲熱技術在火電領域應用的研究進展，最后總結并展望熔鹽儲熱技術的未來發展趨勢。

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熔鹽儲熱技術特點

1.1熔鹽儲熱的優勢

如今儲能技術主要分為機械儲能、電化學儲能、儲熱、電磁儲能及化學能儲能等，其發展現狀、優缺點、容量范圍等見表1。機械儲能的應用受限于位置環境，其中飛輪儲能更適用于啟動時間要求較高的快速調頻領域，且成本較高。電化學儲能技術既包括較成熟的鋰電池技術，也包括液流電池和鈉硫電池等新興技術。

鋰電池技術目前仍存在能量密度低、循環壽命短和安全性差等問題。液流電池與鈉硫電池作為新興的高效大容量儲能電池，具有一定的應用前景，但成本還需要進一步控制。電磁儲能和化學儲能目前還處于研發試驗階段，距離大規模應用還有一段距離。與電化學儲能和機械儲能技術相比，儲熱技術的壽命更長、成本更低，比儲電更加安全穩定，并且在太陽能光熱發電領域廣泛應用，積累了豐富經驗。

在儲熱技術中，熔鹽是一種比較理想的儲熱介質。相比水儲熱，熔鹽儲熱的工作溫度區間更寬，可以在中高溫儲熱場景使用，因此熔鹽儲熱技術可以在多種場景下應用。相比固體儲熱，熔鹽儲熱具有穩定、壽命長、換熱難度小等優勢。綜上，熔鹽儲熱具有大規模、長時間、安全穩定以及不受選址限制的特點，是構建未來新型電力系統中極有前途的儲能技術之一。

表1各種儲能技術的特點

1.2熔鹽儲熱應用的關鍵

現階段，熔鹽儲熱技術要實現大規模應用還有一些關鍵技術問題需要解決。首先，熔鹽材料是熔鹽儲熱技術的根本，其熱物性參數尚且存在熔點高、比熱容低、熱導率低等不足，直接影響儲熱系統的運行，并導致儲能系統占地面積及成本居高不下。

近年來，國內外專家學者對高比熱容、低熔點熔鹽的制備及熔鹽熱物性參數提升進行了研究，發現在熔鹽材料中添加可溶性添加劑或納米材料顆粒可以顯著提升熔鹽的儲熱性能。Hatem等將CuO納米顆粒摻雜于三元硝酸熔鹽（KNO3+NaNO2+NaNO3），也被稱為HiTec鹽。

并分析了摻雜前后比熱容、熔點和潛熱、熱穩定性的變化，如圖1所示。結果表明，摻雜0.1%質量分數的CuO的HiTec鹽，比熱容提高了5.6%，潛熱提高了30.0%，熱穩定性提高了9.0%。

其次，熔鹽換熱器是熔鹽儲熱系統中的關鍵部件之一，其設計不僅要考慮換熱效率，還要考慮熔鹽的腐蝕性，以及溫度變化時熔鹽可能凝固造成換熱器堵塞等問題。因此熔鹽換熱器的設計也是近年來的研究熱點。最后，在熔鹽儲熱系統集成方面還有一些關鍵技術，如高電壓等級的電加熱熔鹽加熱器、耐腐蝕與高溫的熔鹽泵、閥門、管道及熔鹽儲罐的設計選型與單罐、雙罐、多罐系統的研發設計等。

圖1（a）HiTec鹽，HTC-0.1，HTC-1，HTC-3和HTC-5在液相中的比熱容（b）比熱容測量的平均值（c）熔點曲線與潛熱變化趨勢（d）熔鹽的熱穩定性測試

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太陽能光熱發電

熔鹽儲熱已成功應用于多個國內外的太陽能光熱電站，以槽式導熱油傳熱熔鹽儲熱和熔鹽塔式光熱電站最為常見。

2009年，配置熔鹽儲熱的西班牙安達索爾槽式光熱發電站成功投入運行，成為全球首個商業化聚光太陽能電站。2010年，意大利阿基米德建成以熔鹽作為儲熱傳熱介質的4.9 MW槽式聚光太陽能光熱電站。2013年，國內的青海中控德令哈10.0 MW塔式熔鹽光熱電站實現并網發電，是我國首座成功投運的規模化儲能光熱電站。2018年，北京首航敦煌100.0 MW塔式熔鹽光熱電站的建成，標志著我國自主研發的太陽能光熱發電技術向商業化運行邁出了成功的一步。

相比國外，我國的太陽能光熱發電處于示范電站階段，商業化運行也處于初級發展階段，因此熔鹽儲熱應用于太陽能光熱發電有著廣闊的市場空間。

目前，常見的光熱電站按光熱和熔鹽的耦合方式可分為間接與直接2種，系統結構如圖2所示。2種系統流程的區別在于，間接熔鹽儲熱系統需要設置換熱裝置進行換熱，通常采用導熱油或水蒸氣作為傳熱介質，而直接熔鹽儲能不需要換熱裝置。因此，間接熔鹽儲熱的工作溫度一般在400℃以下，直接熔鹽儲熱的工作溫度適用于400-500℃。

圖2常見光熱電站熔鹽儲熱結構

現階段光熱電站的冷卻方式以空冷機組為主，但機組發電仍采用水蒸氣朗肯循環。許多專家學者研究了基于S-CO2布雷頓循環的太陽能光熱發電系統，以CO2替代水蒸氣作為傳熱介質。但在系統運行時最高溫度可達800℃，通常選用耐高溫且性能穩定的氯化鹽和碳酸鹽，使系統獲得循環效率高、系統緊湊、靈活性高等優點，更適我國缺少水資源的合西部地區。

王智等通過Ebsilon軟件模擬了青海塔里木地區30 MW再壓縮S-CO2塔式太陽能光熱布雷頓循環系統，如圖3a所示。他們設計了45%LiCl+55%KCl的熔鹽儲熱系統，總結出熔鹽儲滿熱量在各月所需時長與兩分兩至日系統供能情況，結果發現5—7月熔鹽系統的儲熱時間最短，11月到次年1月儲熱時間最長，在無光源狀態下機組可滿發10小時，如圖3b所示。冬至日熔鹽儲熱系統無法儲滿熱，無光照下系統持續運行發電功率僅為17.34 MW，如圖3c所示。

圖3（a）再壓縮S-CO2塔式太陽能光熱布雷頓循環系統流程（b）不同月份熔鹽儲熱系統的儲熱時長（c）兩分兩至日熔鹽儲熱系統供能情況

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煤電靈活性改造

圖4高溫熔鹽儲熱系統耦合燃煤機組

在太陽能光熱發電領域廣泛應用的二元硝酸鹽（60%NaNO3+40%KNO3），其工作溫度區間為221-565℃，剛好匹配火電系統的溫度參數，因此熔鹽儲熱技術也適用于煤電的靈活性改造。以熱電聯產機組為例，此類機組需要長期向外供熱，在調峰時段，機組的電負荷出力嚴重受限，調峰深度受到供熱負荷的影響，受到“以熱定電”的約束。

將熔鹽儲熱系統加入機組的熱力系統，在適合的時段加熱熔鹽，待到調峰時段通過高溫熔鹽放熱供暖，從而切除機組的熱負荷，實現“熱電解耦”的同時提高機組運行的靈活性。圖4展示了在煤電機組的鍋爐和汽輪機之間耦合大容量高溫熔鹽儲熱系統，為煤電機組靈活性改造提供了新的策略。

2022年12月，全球首套煤電機組耦合熔鹽儲熱示范工程在江蘇國信靖江發電有限公司順利投入運行，機組調峰容量達到75%額定負荷，標志著熔鹽儲熱技術在煤電領域的應用取得新的突破。

近年來，許多專家學者通過軟件模擬（如Ebsilon，Aspenplus等）的方法對熔鹽儲熱系統耦合燃煤機組實現調峰調頻進行了深入研究，選擇的機組類型為350，600，660 MW的燃煤機組，熔鹽的加熱方式主要分為電加熱和機組的蒸汽加熱，見表2。

表2近年來對熔鹽儲熱系統耦合燃煤機組模擬的研究

鄒小剛等發現在他們設計的多種不同耦合流程中，電加熱熔鹽系統的循環熱效率是最高的。劉金愷等設計幾種不同的電加熱與蒸氣加熱熔鹽耦合煤電系統的方案，通過計算后發現電加熱熔鹽儲熱，在放熱時通過熔鹽加熱旁路給水的方案，具有最佳的負荷調節能力，但電加熱造成大量的?損失。

從表2中的模擬分析結果可以看出，熔鹽儲熱系統耦合煤電系統可以明顯提高調峰能力、拓寬機組的運行區間及響應速度等參數。王惠杰等模擬了塔式太陽能耦合燃煤機組，結果表明耦合之后可以降低燃煤機組的煤耗，同時熔鹽儲熱系統消納了更多的太陽能。

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熔鹽儲熱供暖與余熱利用

利用夜間低谷電價時段的電能加熱熔鹽，待頂峰電價時段需要供熱時，將熔鹽儲存的熱量放出，通過換熱器加熱給水并實現供暖。放熱后的冷熔鹽再儲存于儲罐中，待到低谷電價時加熱，重復循環使用，不僅實現了移峰填谷，還能消納新能源發電，為電網的安穩運行提供保障，又能在一定程度上減少排放。系統原理如圖5a所示。2016年，河北辛集的全球首座熔鹽蓄熱低谷電供暖項目投入運行，每年可節約燃煤699 t，減少CO2排放1 889 t，具有出色的環保效益。

在我國鋼鐵行業的生產過程中，存在大量可回收的余熱，將這些余熱回收用于發電、居民供暖將獲得可觀的收益。以煉鋼爐為例，耦合熔鹽儲熱系統實現發電的系統原理如圖5b所示，煉鋼過程中產生的高溫煙氣在煙腔內將低溫熔鹽加熱至高溫，高溫熔鹽通過過熱器、蒸發器、預熱器將給水加熱成過熱蒸汽并驅動汽輪機發電。

圖5（a）谷電-熔鹽儲熱供熱系統（b）煉鋼爐耦合熔鹽儲熱發電系統

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結論與展望

熔鹽儲熱具有儲能容量大、儲存周期長、成本低等優點，是大規模儲能的理想選擇。熔鹽儲熱已廣泛應用于太陽能光熱發電，及火電機組的靈活性改造、供暖與余熱回收利用等場景，并有一些代表性的示范項目，但在一些關鍵技術方面還有待提升。在熔鹽材料方面，應研發出更加適合商業化的熔鹽材料。并且以熔鹽為工質的相關設備缺乏完善的制造標準和規范。在火電機組靈活性改造方面，標準尚未明確，以及對實際改造中將面臨的問題缺少研究。

未來，熔鹽材料的成本得到明顯降低，同時儲熱密度大大提高。熔鹽儲熱系統的關鍵設備形成明確的制造標準，系統集成形成規范的評價體系，應用于各場景的技術實現統一配套。熔鹽儲熱技術將實現大規模的商業化，成為新型電力系統中成熟的儲能技術之一。

本文轉自《綜合智慧能源》，作者：張鐘平，劉亨，謝玉榮，趙大周，牟敏，陳橋。