熔鹽儲熱技術(shù)在鋼鐵工業(yè)中應用的現(xiàn)狀及進展

我國是鋼鐵大國，鋼鐵行業(yè)作為高耗能行業(yè)，隨著國家能源體制改革逐步深化、政府對鋼鐵能源結(jié)構(gòu)調(diào)整要求提高、市場驅(qū)動鋼鐵產(chǎn)品多變造成能源結(jié)構(gòu)改變，鋼鐵生產(chǎn)既面臨能源、資源、環(huán)境的強約束，又面臨節(jié)能技術(shù)突破遭遇瓶頸，而低碳清潔能源比例低、集中式能源供應系統(tǒng)柔性不足、能源回收與能源轉(zhuǎn)換效率提升難、鋼鐵生產(chǎn)和能源利用時空匹配難等問題更加突出的現(xiàn)狀。因此，在“雙碳”目標壓力下，鋼鐵綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展亟須節(jié)能新理論、節(jié)能新技術(shù)。通過工藝能源消耗的過程節(jié)能提效，引入新能源優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高能源調(diào)度靈活性降低用能成本，是實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)減碳提升競爭力的重要路徑。

儲熱技術(shù)優(yōu)勢在于可以解決能源波動、不連續(xù)而導致的能源利用率低、設備效率低等問題，同時提高企業(yè)對于新能源的消納能力；進一步的，儲熱技術(shù)通過與工藝相結(jié)合，提升企業(yè)整體能源調(diào)度靈活性，可以允許工藝設備設計或運行在較低的負荷，從而降低投資和運行成本。因此，本文通過梳理分析熔鹽儲熱技術(shù)的發(fā)展及其在鋼鐵工藝中的創(chuàng)新應用，闡述熔鹽儲熱技術(shù)在鋼鐵行業(yè)能源的綜合利用提效中的可行性，所起到的重要作用以及未來的發(fā)展前景。

1 熔鹽儲熱技術(shù)原理及特點

熔鹽是熔融鹽的簡稱，指金屬陽離子和非金屬陰離子所形成的熔融態(tài)無機鹽，故也可認作離子液體。熔鹽在常溫常壓下為固態(tài)，達到一定溫度后轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，液態(tài)熔鹽中陰陽離子之間的相互作用使其具有特殊的物理及化學性能，適合作為傳熱儲熱的媒介。根據(jù)陰離子種類的不同，常見熔鹽大致分為氟化鹽、氯化鹽、碳酸鹽、硫酸鹽和硝酸鹽等。

表1 熔鹽分類及特點

作為儲熱材料大規(guī)模應用時，需要熔鹽具有熔點低、分解溫度高、黏度低、熱導率高等特點。

（1）低熔點。熔鹽的溫度低于凝固點時，容易發(fā)生“凍管”，導致系統(tǒng)失效，因此低熔點的熔鹽材料可以降低保溫能耗。

（2）高分解溫度。熔鹽的分解溫度決定了其上限使用溫度，較高分解溫度可以保證熔鹽能夠反復使用，長期穩(wěn)定工作。

（3）高沸點。較低的飽和蒸氣壓有利于保證系統(tǒng)的安全。

（4）大比熱容。比熱容可以決定熔鹽材料的儲熱密度和儲熱能力，較大的比熱容使熔融鹽在相同傳熱量下用量較少。

（5）高熱導率。熱導率決定了熔鹽的傳熱性能，較高的熱導率以防止熔融鹽在蓄熱時因為局部過熱而發(fā)生分解，并確保其在供熱發(fā)電時能有效提供熱量。

（6）低黏度。熔融鹽流動性好，可以減少泵輸送功率，降低運行成本。

（7）弱腐蝕性。熔融鹽與容器、管路材料相容性好，安全性高。

（8）低成本。原料易得，價格低廉，有利于減小系統(tǒng)投資成本。

因此在目前常用的熔鹽材料中，硝酸鹽體系相對能滿足上述要求，最為適合用作熔鹽儲熱介質(zhì)，由硝酸鉀、硝酸鈉組成的混合熔鹽已成功應用在太陽能熱發(fā)電站的商業(yè)案例中，因此成為目前應用最廣、裝機容量最大的儲熱材料。

2 熔鹽儲熱發(fā)展歷程及相關(guān)行業(yè)成熟應用

近幾十年來，硝酸熔鹽組作為傳熱儲熱介質(zhì)被大眾熟知，是由于其在光熱電站上的大規(guī)模應用，近些年，隨著硝酸熔鹽儲熱系統(tǒng)的運行越來越成熟穩(wěn)定，其儲熱應用也逐漸擴展到清潔能源供熱、火電深度調(diào)峰、余熱回收等應用。

2.1 熔鹽儲熱在光熱發(fā)電中的應用

從20世紀60年代初期至20世紀90年代初期，美國、西班牙等國大力開展光熱發(fā)電技術(shù)的研究，因此也主導了熔鹽儲熱技術(shù)的研究和開發(fā)，1996年美國加利福尼亞Solar Two光熱發(fā)電站采用二元硝酸熔鹽Solar Salt（40wt%KNO3-60wt%NaNO3）（后簡稱“太陽鹽”）作為傳熱儲熱介質(zhì)，該電站長期運行并無重大問題，這奠定了硝酸熔鹽在光熱發(fā)電領域的應用基礎。

圖1：美國SolarTwo光熱電站（注：來源互聯(lián)網(wǎng)）

圖2：美國SolarTwo光熱電站系統(tǒng)原理（注：來源互聯(lián)網(wǎng)）

隨后，國內(nèi)外建設的光熱電站基本都選用Solar Salt作為儲熱介質(zhì)，西班牙的Andasol 1-3分別在2009年、2010年和2011年實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，是歐洲的第一個商業(yè)化光熱電站；GemaSolar電站2011年9月底成功投運，是首個實現(xiàn)24h發(fā)電的太陽能光熱電站。2014年2月投運的美國Ivanpah電站，是目前全球最大的光熱電站，2016年6月投運的摩洛哥的Noor電站，是由我國企業(yè)作為總包方建設的光熱電站。2016年9月我國開始第一批太陽能熱發(fā)電示范項目建設開始，目前已經(jīng)建成投運的電站有8座，都采用了雙罐熔鹽儲熱技術(shù)，利用太陽鹽作為儲熱介質(zhì)。從發(fā)展趨勢上看，從21世紀初期至今，光熱電站的發(fā)展逐漸從美國、西班牙等發(fā)達國家，轉(zhuǎn)向南非、中國、印度等新興市場，截至2022年全球光熱發(fā)電建成裝機容量增至約6892MW。

2.2 熔鹽儲熱在清潔能源供暖中的應用

熔鹽儲熱在清潔能源供暖中應用的主要技術(shù)路線是雙罐熔鹽儲熱和單罐熔鹽儲熱兩種，雙罐儲熱供暖系統(tǒng)適用于大型供暖項目，單罐儲熱供暖系統(tǒng)適用于小型供暖項目。熔鹽儲熱供暖系統(tǒng)在低谷電時通過熔鹽電加熱器加熱熔鹽并進行存儲，峰電供暖時則通過換熱系統(tǒng)將儲存的熱能傳遞給水，實現(xiàn)供暖功能。

圖3：雙罐儲能供暖系統(tǒng)工作原理（注：來源互聯(lián)網(wǎng)）

圖4：單罐儲能供暖系統(tǒng)工作原理（注：來源互聯(lián)網(wǎng)）

由于供暖溫度較低，對于太陽鹽的溫區(qū)應用和防凝的要求較高，因此有研究人員開發(fā)出低熔點熔鹽，大大減少了熔鹽凍堵的風險，降低了防凝運維費用。2016年到2020年，我國各地零星建成了一些熔鹽儲熱供熱示范項目，但整體來看，熔鹽儲熱技術(shù)在供暖領域大規(guī)模的商業(yè)化項目寥寥可數(shù)，主要是熔鹽儲熱低溫供暖的成本與傳統(tǒng)能源技術(shù)相比仍相對較高。好的一面是2021年以來，在“雙碳”目標要求下，終端能源電氣化進程的加快，以及對清潔供暖的廣泛關(guān)注，利用棄風棄光或谷電加熱熔鹽儲熱供熱技術(shù)可以有效轉(zhuǎn)移棄風棄光或富余的低谷電力，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和電能的使用率，也增加了供熱安全保障和品質(zhì)，又使谷電的價格優(yōu)勢得到了充分發(fā)揮，因此在熔鹽儲熱技術(shù)的在實現(xiàn)對燃煤燃氣鍋爐替代方面，越來越受到關(guān)注和重視。

2.3 熔鹽儲熱在火電靈活性改造中的應用

由于汽機低負荷運行能力要遠高于鍋爐，所以火電機組深度調(diào)峰在技術(shù)方面存在的困難主要是低負荷工況下鍋爐不能穩(wěn)定燃燒以及脫硝系統(tǒng)不能正常運行導致大氣污染物排放超標的問題。因此利用熔鹽儲熱系統(tǒng)將鍋爐產(chǎn)生的高溫蒸汽熱量儲存起來，削弱原本剛性聯(lián)系的“爐機耦合”。存儲的熱量根據(jù)需要再返送汽輪機組發(fā)電，這樣就能在保證鍋爐安全運行的同時，靈活性調(diào)節(jié)汽輪機運行出力，實現(xiàn)機組的靈活運行。

圖5：火電機組熔鹽儲熱系統(tǒng)深度調(diào)峰工藝圖

隨著新能源消納的壓力越來越大，近兩年各大火電企業(yè)都在熔鹽儲熱深度調(diào)峰技術(shù)上進行布局，2022年12月江蘇國信靖江電廠熔鹽儲熱調(diào)峰供熱項目投入運行，是全國首個真正意義上采用電加熱熔鹽儲熱技術(shù)的大規(guī)�；痣娬{(diào)峰供熱項目。項目設計配套儲熱量75MWh，儲熱用三元鹽1260噸，使用溫度180℃～450℃。根據(jù)公開招標信息顯示，華能、國能、以及多個地方能源企業(yè)等都在規(guī)劃建設熔鹽儲熱火電調(diào)峰項目。

3 熔鹽儲熱在鋼鐵行業(yè)的應用

3.1 熔鹽儲熱技術(shù)在鋼鐵行業(yè)中的適用性

目前我國的鋼鐵制造流程主要以長流程為主，具有典型的耗散結(jié)構(gòu)特征，全流程包括原料和能源的儲運、原料處理（燒結(jié)、球團等）、焦化、煉鐵、鐵水預處理、煉鋼、鋼水二次冶金、凝固成形、鑄坯再加熱、軋鋼及深加工等諸多工序的準連續(xù)或間歇生產(chǎn)過程，使得其制造流程中存在多種能源形式以及能源介質(zhì)的寬幅波動性。在鋼鐵制造的能源流中，熱能是位于整個能源流的中心，在一次能源和二次能源之間建立聯(lián)系。因此，熱能儲存方法可以通過彌合熱量供需缺口，實現(xiàn)熱能生產(chǎn)和消耗的匹配。儲熱技術(shù)能夠連接所有能源形式，包括機械能、電能、化石燃料和光能等，通過減少熱損失、余熱回收等方式，提高能源利用率。進一步的，儲熱技術(shù)通過與冶金工藝相結(jié)合，提升鋼鐵制造流程整體能源調(diào)度靈活性，可以允許工藝設備設計或運行在較低的負荷，從而降低投資和運行成本。

圖6：熱能在鋼鐵能源鏈中的關(guān)系

從各個環(huán)節(jié)余熱資源分布來看，每個環(huán)節(jié)均有余熱產(chǎn)生，余熱資源種類較為豐富，主要包含余壓、煙氣、煤氣和顯熱等，主要集中在煉鐵、煉鋼等工藝環(huán)節(jié)。煉鐵、煉鋼工藝環(huán)節(jié)產(chǎn)生的余熱資源占整個鋼鐵余熱資源的60%；各工藝環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的煤氣資源占整個鋼鐵余熱資源的50%。儲能在鋼鐵生產(chǎn)一直被應用，煤氣系統(tǒng)中的“煤氣柜”作為煤氣緩沖與儲存裝置，在系統(tǒng)中可以視為儲能設備，這是鋼鐵工業(yè)能源系統(tǒng)中最為重要的蓄能設施；蒸汽系統(tǒng)中，蒸汽蓄能器也是一種重要的蓄能裝置。但是目前儲能技術(shù)的應用仍然比較少，在新的發(fā)展形勢下，將成熟的熔鹽儲熱系統(tǒng)在鋼鐵生產(chǎn)中創(chuàng)新應用前景非常廣闊。

圖7：鋼鐵余熱資源分布情況

3.2 熔鹽儲熱在低品位蒸汽提質(zhì)的綜合應用

目前，冶金企業(yè)利用余熱產(chǎn)生蒸汽的技術(shù)主要有：干熄焦、燒結(jié)環(huán)冷余熱發(fā)電、轉(zhuǎn)爐煤氣汽化冷卻、電爐煙氣余執(zhí)回收和加熱爐煙氣汽化冷卻等。然而，這些余熱蒸汽品質(zhì)普遍較低，且受生產(chǎn)工藝影響，某些蒸汽還具有間歇性和周期性的特點，這不僅限制了蒸汽后續(xù)利用，也降低了余熱回收效果。如目前煉鋼的電爐、轉(zhuǎn)爐等設備，廣泛煙道汽化余熱鍋爐來回收波動性較大的間歇性高溫余熱。將高溫熱能轉(zhuǎn)化為低品位的低壓飽和蒸汽進行發(fā)電，導致余熱資源得不到充分利用。因此，利用熔鹽將間歇性和周期性的高溫余熱進行回收并存儲，對冶金過程中多點的低品位飽和蒸汽進行過熱，或者直接轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定可持續(xù)的高溫蒸汽，使發(fā)電功率和能源利用效率得到大幅提升，改善余熱發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性，同時提高余熱發(fā)電系統(tǒng)的靈活性，顯著提高經(jīng)濟效益。

圖8：低品位蒸汽過熱提質(zhì)綜合利用技術(shù)路線

煉鋼過程中產(chǎn)生的高溫余熱采用熔鹽作為換熱儲熱介質(zhì)，通過煙氣-熔鹽換熱器加熱熔鹽。熔鹽在換熱器中的流動方向與煙氣的流動方向相反，低溫熔鹽從煙氣出口進入換熱器，與煙氣換熱成為高溫熔鹽，存儲在高溫鹽儲罐中。高溫熔鹽通過熔鹽泵經(jīng)過過熱器，對煉鋼過程中產(chǎn)生的低品位飽和蒸汽進行過熱產(chǎn)生過熱蒸汽，或者設置過熱器、蒸發(fā)器、預熱器,高溫熔鹽與水換熱生產(chǎn)過熱蒸汽，高溫熔鹽經(jīng)過換熱后成為低溫熔鹽,進入低溫熔鹽儲罐,生產(chǎn)的過熱蒸汽驅(qū)動汽輪機發(fā)電。通過熔鹽儲熱系統(tǒng)將間歇性余熱資源變?yōu)榉�(wěn)定輸出的熱源，整個循環(huán)系統(tǒng)可以使高溫余熱保持高品質(zhì)熱能，同時也可提質(zhì)低品位蒸汽,有效降低企業(yè)的用能成本,大幅提高鋼鐵廠高溫余熱的回收利用效率。

3.3 熔鹽儲熱在煤氣發(fā)電調(diào)峰中的應用

煤氣發(fā)電在鋼鐵冶煉過程中，主要起到被動消納煤氣的作用，所以主動調(diào)節(jié)能力較弱，因此鋼鐵企業(yè)作為重要的電力用戶主動參與電網(wǎng)平衡，在應對未來新能源更大規(guī)模、更高質(zhì)量發(fā)展中，起到的作用就較弱。熔鹽可利用的最高溫度，與目前煤氣發(fā)電機組的運行溫度比較匹配，因此利用熔鹽儲熱與煤氣發(fā)電機組耦合，實現(xiàn)對煤氣發(fā)電機組靈活性的提升，從而實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)的調(diào)峰功能。

圖9：熔鹽儲熱在煤氣發(fā)電調(diào)峰中應用的技術(shù)路線

雙罐熔鹽儲熱系統(tǒng)與原煤氣發(fā)電系統(tǒng)并聯(lián)運行，通過存儲煤氣燃燒產(chǎn)生的熱量，控制向汽輪機輸送的主蒸汽參數(shù)，實現(xiàn)調(diào)峰目的。儲熱系統(tǒng)與原煤氣發(fā)電系統(tǒng)協(xié)作運行，儲熱系統(tǒng)給水由原煤氣發(fā)電系統(tǒng)供應，儲熱系統(tǒng)煙氣并入原煤氣發(fā)電系統(tǒng)，儲熱系統(tǒng)產(chǎn)生蒸汽并入原煤氣發(fā)電系統(tǒng)。儲熱時原本進入余熱鍋爐燃燒發(fā)電的煤氣，取一部分煤氣進入儲熱系統(tǒng)對低溫熔鹽進行加熱，實現(xiàn)源煤氣發(fā)電系統(tǒng)的出力降低；放熱時原發(fā)電系統(tǒng)鍋爐給水經(jīng)過儲熱系統(tǒng)中鹽水換熱器進行加熱，產(chǎn)生蒸汽并入原煤氣發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)原煤氣發(fā)電機組出力升高。

2022年6月，建龍集團與思安新能源簽訂煤氣綜合利用發(fā)電項目技改工程合同，此項目作為煤氣熔鹽儲熱調(diào)峰應用場景在鋼鐵行業(yè)的首個示范案例。項目擬建設一套裝機規(guī)模5MW的燃燒高爐煤氣加熱熔鹽進行調(diào)峰和消納新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)設計儲熱6h，放熱6h，產(chǎn)生高溫超高壓參數(shù)的蒸汽，并入煤氣發(fā)電機組發(fā)電，可實現(xiàn)調(diào)峰30000kWh/d。設計按機組日運行小時數(shù)按24小時，年運行小時數(shù)按8000小時計。新建熔鹽換熱器可實現(xiàn)副產(chǎn)高溫超高壓13.7MPa，540℃蒸汽，為煤氣發(fā)電項目提供調(diào)峰蒸汽。目前項目正在緊張設計施工過程中，預計今年下半年度成功交付運營。

圖10：建龍煤氣綜合利用發(fā)電技改項目現(xiàn)場施工圖

4、未來發(fā)展前景和展望

硝酸熔鹽儲熱技術(shù)作為目前大規(guī)模儲能技術(shù)中應用較為成熟穩(wěn)定的技術(shù)，正受到越來越多的重視，并且在清潔能源供熱、火電深度調(diào)峰、余熱回收等領域有了一定規(guī)�；�的應用。在新的發(fā)展形勢下，鋼鐵企業(yè)節(jié)能提效的力度加大，需要在傳統(tǒng)節(jié)能的理念上進行創(chuàng)新，儲熱技術(shù)在不同的技術(shù)利用余熱余能中是一個強大的熱管理工具，根據(jù)前期的實踐證明，熔鹽儲熱系統(tǒng)在鋼廠中的創(chuàng)新應用，能夠給鋼鐵企業(yè)帶來多種益處。

一是穩(wěn)定煤氣、燒結(jié)、轉(zhuǎn)爐等波動較大余熱余能資源的熱能輸出，提高余熱發(fā)電機組發(fā)電效率。以長流程為主鋼鐵制造流程具有典型的耗散結(jié)構(gòu)特征，使得能源流“質(zhì)”和“量”具有寬幅波動性，不利于能源的高效利用。利用熔鹽儲熱可以在余熱余能資源“質(zhì)”和“量”增大時進行存儲，減少放散和浪費，在余熱余能資源“質(zhì)”和“量”減少時進行放熱，維持用熱設備的穩(wěn)定運行；同時還能解決生產(chǎn)側(cè)短時故障帶來的緊急停機、系統(tǒng)防凍等功能問題，通過穩(wěn)定余熱余能資源“質(zhì)”和“量”的穩(wěn)定性，保證用能設備高效運行，減少放散，從而提高整體能源利用率。

二是在差別電價約束下，利用峰谷價差生產(chǎn)，保證生產(chǎn)的同事降低企業(yè)生產(chǎn)成本。由于峰谷價差越來越大，企業(yè)生產(chǎn)成本壓力很大，雖然在保證生產(chǎn)的同時企業(yè)會采用避峰生產(chǎn)的措施，但充分利用峰谷價差進一步降低成本仍有很大的空間。利用電網(wǎng)的谷價電生產(chǎn)，由熔鹽儲熱系統(tǒng)將余熱余能資源儲存，在電價高峰時段用儲存的余熱余能資源發(fā)電，企業(yè)少用電網(wǎng)的峰價電，通過峰谷套利的形式獲得穩(wěn)定的經(jīng)濟效益。在不影響生產(chǎn)，不影響能源流穩(wěn)定的情況下，進一步擴大生產(chǎn)成本下降空間，儲熱在大規(guī)模調(diào)峰應用具有較大的優(yōu)勢。

三是在減產(chǎn)減排降耗約束下，通過調(diào)峰服務，促進可再生能源消納，降低單位產(chǎn)能的碳排放，避免大量壓縮產(chǎn)能，減少企業(yè)損失。在碳排放量結(jié)構(gòu)方面，工業(yè)碳排放是繼發(fā)電之后第二大排放部門，鋼鐵企業(yè)則是工業(yè)碳排放的最大行業(yè)。2021年1月26日，國務院新聞發(fā)布會披露，工信部與國家發(fā)改委等相關(guān)部門正在研究制定新的產(chǎn)能置換辦法和項目備案的指導意見，逐步建立以碳排放、 污染物排放、能耗總量為依據(jù)的存量約束機制，因此短期壓減產(chǎn)能是一條行之有效的措施。因此，在供給側(cè)和需求側(cè)改革雙重壓力下，鋼鐵企業(yè)通過配置熔鹽儲熱系統(tǒng)增加企業(yè)用能調(diào)節(jié)靈活性，實現(xiàn)新能源的大幅消納，從而優(yōu)化用能結(jié)構(gòu)，將是未來企業(yè)生存的重要手段。

四是參與電力輔助服務，進行需求側(cè)響應，通過低成本電力和服務補貼，增加企業(yè)收益。在促進可再生能源消納的要求下，用戶側(cè)參與輔助服務市場的調(diào)峰服務，是目前電力體制改革中重要的一項工作，已經(jīng)有示范區(qū)在運行。如甘肅電力需求側(cè)輔助服務市場投運以來，張掖、武威、蘭州地區(qū)5家企業(yè)參與市場交易，涉及碳化硅、鐵合金等行業(yè)，增加調(diào)峰能力20萬千瓦，增發(fā)新能源578萬千瓦時，用戶側(cè)收益102.46萬元，用戶側(cè)參與交易時段內(nèi)用電成本降低0.18元/千瓦時。以往部分地區(qū)出現(xiàn)短時、區(qū)域性缺電時，往往需啟動有序用電措施，對部分工業(yè)進行限電，不可避免會影響企業(yè)正常生產(chǎn)，利用儲熱在限電時發(fā)電，盡量減少因為限電影響企業(yè)生產(chǎn)，降低企業(yè)損失。

在能源密集型制造業(yè)中，鋼鐵制造行業(yè)是迄今為止最受關(guān)注的行業(yè)，在“碳達峰”“碳中和”的背景下，及鋼鐵節(jié)能空間日趨變窄的嚴峻形勢下,通過充分發(fā)揮儲熱系統(tǒng)在構(gòu)建多能互補的綜合能源體系中的作用，提高余熱余能資源利用率，加大可再生能源應用比例,加快推進鋼鐵能效提升及能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，同時降低CO2排放和能源成本，這是未來提升企業(yè)競爭力的重要途徑。