儲(chǔ)熱技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于可以解決能源波動(dòng)、不連續(xù)而導(dǎo)致的能源利用率低、設(shè)備效率低等問題，同時(shí)提高企業(yè)對(duì)于新能源的消納能力；進(jìn)一步的，儲(chǔ)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(shè)備設(shè)計(jì)或運(yùn)行在較低的負(fù)荷，從而降低投資和運(yùn)行成本。因此，本文通過梳理分析熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的發(fā)展及其在鋼鐵工藝中的創(chuàng)新應(yīng)用，闡述熔鹽儲(chǔ)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(chǔ)熱技術(shù)原理及特點(diǎn)

　　熔鹽是熔融鹽的簡(jiǎn)稱，指金屬陽(yáng)離子和非金屬陰離子所形成的熔融態(tài)無機(jī)鹽，故也可認(rèn)作離子液體。熔鹽在常溫常壓下為固態(tài)，達(dá)到一定溫度后轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，液態(tài)熔鹽中陰陽(yáng)離子之間的相互作用使其具有特殊的物理及化學(xué)性能，適合作為傳熱儲(chǔ)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(diǎn)

熔鹽體系	主要材料	特點(diǎn)
氯化鹽體系	KCl、MgCl2、NaCl、CaCl2	使用溫度范圍廣，穩(wěn)定性好、工作溫度高、腐蝕性強(qiáng)、成本低
氟化鹽體系	NaF、CaF2、MgF2	高溶點(diǎn)、高溶融熱和低粘度、腐蝕性強(qiáng)、成本高
碳酸鹽體系	K2CO3、Na2CO3、Li2CO3、Ba2CO3	熱力學(xué)穩(wěn)定，化學(xué)穩(wěn)定性差，易發(fā)生化學(xué)分解產(chǎn)生氧，加劇腐蝕
硝酸鹽體系	NaNO3、KNO3、NaNO2	價(jià)格低、腐蝕性小、具有優(yōu)良的傳熱和流動(dòng)特性、工作溫度低

　　作為儲(chǔ)熱材料大規(guī)模應(yīng)用時(shí)，需要熔鹽具有熔點(diǎn)低、分解溫度高、黏度低、熱導(dǎo)率高等特點(diǎn)。

　　（1）低熔點(diǎn)。熔鹽的溫度低于凝固點(diǎn)時(shí)，容易發(fā)生“凍管”，導(dǎo)致系統(tǒng)失效，因此低熔點(diǎn)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(fù)使用，長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

　　（3）高沸點(diǎn)。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(chǔ)熱密度和儲(chǔ)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(dǎo)率。熱導(dǎo)率決定了熔鹽的傳熱性能，較高的熱導(dǎo)率以防止熔融鹽在蓄熱時(shí)因?yàn)榫植窟^熱而發(fā)生分解，并確保其在供熱發(fā)電時(shí)能有效提供熱量。

　　（6）低黏度。熔融鹽流動(dòng)性好，可以減少泵輸送功率，降低運(yùn)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(jià)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(duì)能滿足上述要求，最為適合用作熔鹽儲(chǔ)熱介質(zhì)，由硝酸鉀、硝酸鈉組成的混合熔鹽已成功應(yīng)用在太陽(yáng)能熱發(fā)電站的商業(yè)案例中，因此成為目前應(yīng)用最廣、裝機(jī)容量最大的儲(chǔ)熱材料。

　　2 熔鹽儲(chǔ)熱發(fā)展歷程及相關(guān)行業(yè)成熟應(yīng)用

　　近幾十年來，硝酸熔鹽組作為傳熱儲(chǔ)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(yīng)用，近些年，隨著硝酸熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)的運(yùn)行越來越成熟穩(wěn)定，其儲(chǔ)熱應(yīng)用也逐漸擴(kuò)展到清潔能源供熱、火電深度調(diào)峰、余熱回收等應(yīng)用。

　　2.1 熔鹽儲(chǔ)熱在光熱發(fā)電中的應(yīng)用

　　從20世紀(jì)60年代初期至20世紀(jì)90年代初期，美國(guó)、西班牙等國(guó)大力開展光熱發(fā)電技術(shù)的研究，因此也主導(dǎo)了熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的研究和開發(fā)，1996年美國(guó)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(jiǎn)稱“太陽(yáng)鹽”）作為傳熱儲(chǔ)熱介質(zhì)，該電站長(zhǎng)期運(yùn)行并無重大問題，這奠定了硝酸熔鹽在光熱發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)。

　　 

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

　　 

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

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

　　2.2 熔鹽儲(chǔ)熱在清潔能源供暖中的應(yīng)用

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

　　 

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

　　 

　　圖4：?jiǎn)喂迌?chǔ)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(duì)于太陽(yáng)鹽的溫區(qū)應(yīng)用和防凝的要求較高，因此有研究人員開發(fā)出低熔點(diǎn)熔鹽，大大減少了熔鹽凍堵的風(fēng)險(xiǎn)，降低了防凝運(yùn)維費(fèi)用。2016年到2020年，我國(guó)各地零星建成了一些熔鹽儲(chǔ)熱供熱示范項(xiàng)目，但整體來看，熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)在供暖領(lǐng)域大規(guī)模的商業(yè)化項(xiàng)目寥寥可數(shù)，主要是熔鹽儲(chǔ)熱低溫供暖的成本與傳統(tǒng)能源技術(shù)相比仍相對(duì)較高。好的一面是2021年以來，在“雙碳”目標(biāo)要求下，終端能源電氣化進(jìn)程的加快，以及對(duì)清潔供暖的廣泛關(guān)注，利用棄風(fēng)棄光或谷電加熱熔鹽儲(chǔ)熱供熱技術(shù)可以有效轉(zhuǎn)移棄風(fēng)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(jià)格優(yōu)勢(shì)得到了充分發(fā)揮，因此在熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的在實(shí)現(xiàn)對(duì)燃煤燃?xì)忮仩t替代方面，越來越受到關(guān)注和重視。

　　2.3 熔鹽儲(chǔ)熱在火電靈活性改造中的應(yīng)用

　　由于汽機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行能力要遠(yuǎn)高于鍋爐，所以火電機(jī)組深度調(diào)峰在技術(shù)方面存在的困難主要是低負(fù)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(yùn)行導(dǎo)致大氣污染物排放超標(biāo)的問題。因此利用熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)將鍋爐產(chǎn)生的高溫蒸汽熱量?jī)?chǔ)存起來，削弱原本剛性聯(lián)系的“爐機(jī)耦合”。存儲(chǔ)的熱量根據(jù)需要再返送汽輪機(jī)組發(fā)電，這樣就能在保證鍋爐安全運(yùn)行的同時(shí)，靈活性調(diào)節(jié)汽輪機(jī)運(yùn)行出力，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的靈活運(yùn)行。

　　 

　　圖5：火電機(jī)組熔鹽儲(chǔ)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(chǔ)熱深度調(diào)峰技術(shù)上進(jìn)行布局，2022年12月江蘇國(guó)信靖江電廠熔鹽儲(chǔ)熱調(diào)峰供熱項(xiàng)目投入運(yùn)行，是全國(guó)首個(gè)真正意義上采用電加熱熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的大規(guī)模火電調(diào)峰供熱項(xiàng)目。項(xiàng)目設(shè)計(jì)配套儲(chǔ)熱量75MWh，儲(chǔ)熱用三元鹽1260噸，使用溫度180℃～450℃。根據(jù)公開招標(biāo)信息顯示，華能、國(guó)能、以及多個(gè)地方能源企業(yè)等都在規(guī)劃建設(shè)熔鹽儲(chǔ)熱火電調(diào)峰項(xiàng)目。

　　3 熔鹽儲(chǔ)熱在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用

　　3.1 熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)在鋼鐵行業(yè)中的適用性

　　目前我國(guó)的鋼鐵制造流程主要以長(zhǎng)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(chǔ)運(yùn)、原料處理（燒結(jié)、球團(tuán)等）、焦化、煉鐵、鐵水預(yù)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(zhǔn)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(dòng)性。在鋼鐵制造的能源流中，熱能是位于整個(gè)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(chǔ)存方法可以通過彌合熱量供需缺口，實(shí)現(xiàn)熱能生產(chǎn)和消耗的匹配。儲(chǔ)熱技術(shù)能夠連接所有能源形式，包括機(jī)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(jìn)一步的，儲(chǔ)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(shè)備設(shè)計(jì)或運(yùn)行在較低的負(fù)荷，從而降低投資和運(yùn)行成本。

　　 

　　圖6：熱能在鋼鐵能源鏈中的關(guān)系

　　從各個(gè)環(huán)節(jié)余熱資源分布來看，每個(gè)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(gè)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(gè)鋼鐵余熱資源的50%。儲(chǔ)能在鋼鐵生產(chǎn)一直被應(yīng)用，煤氣系統(tǒng)中的“煤氣柜”作為煤氣緩沖與儲(chǔ)存裝置，在系統(tǒng)中可以視為儲(chǔ)能設(shè)備，這是鋼鐵工業(yè)能源系統(tǒng)中最為重要的蓄能設(shè)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(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用仍然比較少，在新的發(fā)展形勢(shì)下，將成熟的熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)在鋼鐵生產(chǎn)中創(chuàng)新應(yīng)用前景非常廣闊。

　　 

　　 

　　圖7：鋼鐵余熱資源分布情況

　　3.2 熔鹽儲(chǔ)熱在低品位蒸汽提質(zhì)的綜合應(yīng)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(diǎn)，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(shè)備，廣泛煙道汽化余熱鍋爐來回收波動(dòng)性較大的間歇性高溫余熱。將高溫?zé)崮苻D(zhuǎn)化為低品位的低壓飽和蒸汽進(jìn)行發(fā)電，導(dǎo)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(jìn)行回收并存儲(chǔ)，對(duì)冶金過程中多點(diǎn)的低品位飽和蒸汽進(jìn)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(jì)性，同時(shí)提高余熱發(fā)電系統(tǒng)的靈活性，顯著提高經(jīng)濟(jì)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(chǔ)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(dòng)方向與煙氣的流動(dòng)方向相反，低溫熔鹽從煙氣出口進(jìn)入換熱器，與煙氣換熱成為高溫熔鹽，存儲(chǔ)在高溫鹽儲(chǔ)罐中。高溫熔鹽通過熔鹽泵經(jīng)過過熱器，對(duì)煉鋼過程中產(chǎn)生的低品位飽和蒸汽進(jìn)行過熱產(chǎn)生過熱蒸汽，或者設(shè)置過熱器、蒸發(fā)器、預(yù)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(jìn)入低溫熔鹽儲(chǔ)罐,生產(chǎn)的過熱蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。通過熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)將間歇性余熱資源變?yōu)榉�(wěn)定輸出的熱源，整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)可以使高溫余熱保持高品質(zhì)熱能，同時(shí)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(chǔ)熱在煤氣發(fā)電調(diào)峰中的應(yīng)用

　　煤氣發(fā)電在鋼鐵冶煉過程中，主要起到被動(dòng)消納煤氣的作用，所以主動(dòng)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(dòng)參與電網(wǎng)平衡，在應(yīng)對(duì)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(jī)組的運(yùn)行溫度比較匹配，因此利用熔鹽儲(chǔ)熱與煤氣發(fā)電機(jī)組耦合，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤氣發(fā)電機(jī)組靈活性的提升，從而實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)的調(diào)峰功能。

　　 

　　圖9：熔鹽儲(chǔ)熱在煤氣發(fā)電調(diào)峰中應(yīng)用的技術(shù)路線

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

　　2022年6月，建龍集團(tuán)與思安新能源簽訂煤氣綜合利用發(fā)電項(xiàng)目技改工程合同，此項(xiàng)目作為煤氣熔鹽儲(chǔ)熱調(diào)峰應(yīng)用場(chǎng)景在鋼鐵行業(yè)的首個(gè)示范案例。項(xiàng)目擬建設(shè)一套裝機(jī)規(guī)模5MW的燃燒高爐煤氣加熱熔鹽進(jìn)行調(diào)峰和消納新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)儲(chǔ)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(jī)組發(fā)電，可實(shí)現(xiàn)調(diào)峰30000kWh/d。設(shè)計(jì)按機(jī)組日運(yùn)行小時(shí)數(shù)按24小時(shí)，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)按8000小時(shí)計(jì)。新建熔鹽換熱器可實(shí)現(xiàn)副產(chǎn)高溫超高壓13.7MPa，540℃蒸汽，為煤氣發(fā)電項(xiàng)目提供調(diào)峰蒸汽。目前項(xiàng)目正在緊張?jiān)O(shè)計(jì)施工過程中，預(yù)計(jì)今年下半年度成功交付運(yùn)營(yíng)。