近日，北京工業(yè)大學校聘教授、博士生導師、內蒙古百川光熱科技有限公司首席技術專家張燦燦出席了由ESPLAZA長時儲能網、國家儲能技術產教融合創(chuàng)新平臺（華北電力大學）共同主辦的2023首屆中國長時儲能大會，并作主題報告《低熔點寬液體溫域高溫混合熔鹽的研發(fā)及應用》。

▲北京工業(yè)大學教授張燦燦

一、發(fā)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能系統(tǒng)。目前抽水蓄能在全球儲能裝機占比86%，但受地形條件限制較大。張燦燦認為，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時儲能技術。

據張燦燦介紹，熱能占社會總能耗的51%，儲熱在碳達峰、碳中和目標實現中將扮演不可替代的重要作用。就目前來看，顯熱儲熱技術成熟度最高、應用較為廣泛；潛熱儲熱是研究熱點；熱化學儲熱尚未成熟。而熔鹽儲熱技術具有傳熱性能好、使用成本較低且安全可靠的優(yōu)點，可以作為大力發(fā)展的顯熱儲熱技術之一。

二、熔鹽儲熱技術的特點及應用

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

關于熔鹽儲熱技術的特點，張燦燦解釋，相較于水、導熱油、熱態(tài)金屬和熱空氣來說，熔鹽的儲熱密度高、成本低、傳熱系數高，可以很精準控制溫度，當然也存在著熔點以下可能會發(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、長壽命、大容量長時儲能技術”。

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

在供電側，熔鹽儲熱技術可以應用于太陽能熱發(fā)電、火電廠深度調峰等清潔能源的生產。

在電網側，熔鹽儲熱技術于電熱儲熱熱電聯供儲能電站、熱泵儲熱發(fā)電儲能電站、壓縮空氣儲能電站等方面都有應用價值。

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

三、低熔點寬液體溫域高溫混合熔鹽的研發(fā)

北京工業(yè)大學熔鹽傳熱蓄熱的研究主要分為三個部分，分別是：混合熔鹽制備與熱物性研究、熔鹽對流傳熱機理及設備研發(fā)、混合熔鹽傳熱蓄熱系統(tǒng)應用及研發(fā)。

為保證研究的順利推進，北京工業(yè)大學設立了完整的熱物性測試和熔鹽換熱試驗平臺：

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

北京工業(yè)大學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，張燦燦從價格、熔點、分解溫度等方面對其進行了詳細的性能對比。

四、幾種低熔點高性能熔鹽詳細介紹

1、低熔點含鋰四元熔鹽

據張燦燦介紹，研究人員通過添加硝酸鋰和添加劑A進入太陽鹽，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四元熔鹽優(yōu)化配方,該配方的熔點是97℃，分解溫度是612℃。

然后，研究人員對其進行了1000次高低溫熱沖擊試驗和1200小時的恒高溫試驗，結果表明該熔鹽大部分熱物性在穩(wěn)定性試驗前后主要熱物性參數的變化率不超過10％，證明該熔鹽具有很好的熱穩(wěn)定性，可以在工程上長期使用。

研究人員同時對該熔鹽的腐蝕性進行了研究，結果如下：

對于該配方的應用，張燦燦介紹，北京工業(yè)大學采用低熔點四元含鋰熔鹽代替導熱油做為吸熱傳熱工質，在槽式聚光集熱傳熱系統(tǒng)中成功實現了循環(huán)，并在校內搭建了集熱系統(tǒng)，成功運行5000小時。

2、LMPS I低成本低熔點無鋰四元熔鹽

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

然后，研究人員對其密度、粘度、比熱、導熱系數進行了測試，并與Solar Salt進行對比，發(fā)現該配方的各項物性均優(yōu)于太陽鹽。

同時進行的600℃恒溫1008h實驗發(fā)現，該四元熔鹽熔點隨恒溫時間增加，穩(wěn)定性無明顯變化，初晶點基本沒有較大波動。而太陽鹽分解溫度波動幅度更大，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)大學進一步對LMPS I低成本低熔點無鋰四元熔鹽分別進行了500次高低溫熱沖擊實驗、動態(tài)和靜態(tài)腐蝕性測試、浸沒射流沖擊傳熱的實驗研究，結果均證明四元熔鹽相比太陽鹽更具有穩(wěn)定性，在實際工程應用中更能體現應用價值。

在應用場景方面，張燦燦介紹，改配方應用于內蒙古低熔點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。

據悉，LMPS I低熔點熔鹽已成功應用20噸于河北臨城8kW集成熔鹽傳熱蓄熱的單螺桿有機朗肯循環(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證平臺、240噸于華能集團魏家峁火電廠熔鹽傳熱儲熱調峰示范工程。

3、LMPS II低熔點二元混合硝酸熔鹽

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二元混合熔鹽配方，其熔點為118℃，分解點為569℃，熔點遠低于目前常用的Solar Salt和Hitec。

張燦燦表示，北京工業(yè)大學進行了低成本低熔點二元混合熔鹽的1200h恒溫500℃不同階段取樣的熱物性測試，比較了低成本二元混合熔鹽比熱、熔點、熱分解點、粘度、導熱系數等熱物性參數在恒溫1200h前后的變化，結果表明低成本二元混合熔鹽的熱物性參數的變化率在±10%以內。

在腐蝕性實驗中，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。同時進行了受迫對流傳熱試驗，獲得了二元熔鹽對流熔鹽的關聯式：

據張燦燦介紹，LMPS II低熔點二元混合硝酸熔鹽已成功應用于首個低谷電加熱熔鹽蓄熱綠色供暖示范工程，使用450t低熔點熔鹽，為居民供暖7.5萬㎡，2016年11月建成運行。同時也有200t低熔點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低熔點高分解溫度三元熔鹽

HLMPS I配方熔點為138.6℃，分解溫度可以達到734℃。與上述幾種配方不同的是，該熔鹽的比熱、粘度、導熱、密度等熱物性檢測具有第三方的檢測報告，檢測效果良好。

張燦燦進一步指出，對此配方，北京工業(yè)大學分別進行了恒高溫1000h和高低溫熱沖擊500次的穩(wěn)定性測試，熔鹽的熱物性變化不大。在HLMPS I熔鹽腐蝕性實驗中，結果表明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低熔點高分解溫度三元熔鹽在濟源鋼鐵高溫熔鹽淬火鋼絲生產線和寶武鋼鐵南通高溫熔鹽淬火鋼絲生產線上的應用，主要用途是冷卻鋼絲，使用量分別為45t和10t。

張燦燦最后總結表示：熔鹽儲熱是低成本長壽命大容量的長時儲能技術，在核電、太陽能熱發(fā)電、谷電或棄風棄光熔鹽蓄熱式供熱、火電廠調峰調頻、熔鹽蓄熱調峰電站、間歇高溫工業(yè)余熱蓄熱、高溫工業(yè)傳熱等領域都有應用價值，市場空間巨大。

北京工業(yè)大學在國家重點研發(fā)計劃、973和863、國家自然科學基金等6千多萬元科研經費支持下，先后開發(fā)了6種低熔點寬液體溫域混合熔鹽配方，大幅提高了熔鹽的儲能密度，降低了儲能材料和系統(tǒng)的投資，降低了系統(tǒng)凍堵風險和防凍堵代價，滿足了高參數高效儲熱發(fā)電和高溫傳熱的需求。

團隊研發(fā)的低熔點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朗肯循環(huán)分布式太陽能熱發(fā)電示范工程等項目中進行了應用，運行性能優(yōu)良。