宽温区、低成本、可模块化！带你深入了解固体颗粒储放热技术
“固体颗粒储放热技术方案灵活，热源的选择性多，放热方式灵活，可换热参数范围广泛；由于拥有很大的工作温度区间，该技术既可用于发电也可用于生产工业蒸汽；同时还可以实现模块化配置，并通过就地取材等措施实现低成本储热。”
6月22-23日，由中国清洁供热平台主办的2021年第三届中国储热大会在常州召开，东方电气集团东方锅炉股份有限公司（简称东方锅炉）技术中心储热高工李有霞作了题为“固体颗粒储放热技术”的主题演讲。
为何要研究固体颗粒储热技术？
固体颗粒储热其实是一种显热储热技术，原理和熔盐储热一样，利用能量来源加热低温颗粒升温，将能量转换为高温颗粒显热储存；当需要释放能量时，将存储的高温颗粒与用热介质进行换热，从而释放所储存的能量。
▲工作原理
据李有霞介绍，东方锅炉最初开始研究该技术是源于光热发电，希望通过固体颗粒储热技术来进一步提高光热发电系统工质温度，进而提升电厂效率。
该技术主要有以下几方面优势：与常规的导热油、熔盐、水蒸气和空气等介质相比（详见下表），固体颗粒使用温度上限可以达到1000℃左右，运行温度高且无温度下限，不存在凝固风险；固体颗粒耐热性能好，储能密度大；材料价格便宜，无毒无害，循环性好，可常压运行，储热成本低。
▲太阳能热发电系统中各种工作介质对比
有哪些技术痛点？如何应对？
相对于其它流体介质而言固体颗粒存在传热和流动性能不佳，输送也相对困难的技术问题。
李有霞表示，东方锅炉致力于固体颗粒储放热技术开发，旨在将其推广至高温光热发电领域及中高温用热领域。为此，结合上述技术难点，东方锅炉针对性开发出固体颗粒储热和放热换热器、高低温储罐以及固体颗粒输送设备等核心装备。
首先，东方锅炉开发出一种多级流化床颗粒换热器，可以很好解决固体颗粒传热困难的问题。该换热器内设置多个仓室，每一个仓室之内布置换热管，换热管内是工质，储热时候是热源工质，放热时为用热工质，管外颗粒在流化风作用下呈流态化和管内工质进行换热。
据李有霞介绍，上述设计可大大提升换热系数，使固体颗粒和工质换热呈逆流换热。多级受热面匹配设计，能够实现预热、蒸发和过热等多种参数的输出。同时，从床层设计上来说，东方锅炉综合流化床设计经验，降低了流化床床层，进而降低流化风压头，并对流化风系统也进行优化设计，以减小热损失。
东方锅炉在流化床锅炉物料流化换热方面具有丰富的设计经验与运行业绩，为多级流化床固体颗粒换热器的设计奠定了坚实的基础。
目前，东方锅炉已成功为科技部重点研发计划2018YFB1501003“超临界CO?高效换热研究”项目设计并供货了固体颗粒与sCO?换热器（详见下图）。
其次是颗粒输送问题。东方锅炉依托集团公司大型科研项目建成了粉体特性测试基础实验室和工业试验平台进行固体颗粒气力输送技术开发。该平台具备粉体输送技术输出、发料罐等关键设备的研发设计，与工程（技术）服务能力。已具有漠沙及其他类物料多项输送业绩。
该平台的输送能力为10t/d～220t/d，达到了工业化应用的输送等级；输送压力可达0.3～5.3Mpa；设计固气比为5～30 kg（固）/kg(气)；输送气源可选氮气、二氧化碳、空气等；可以输送煤粉、漠沙、石油焦、生物质等粉体与颗粒物料。目前，东方锅炉已依托该平台的基础研究工作设计出可靠的气体输送系统。
最后是固体颗粒材质选择方面。李有霞介绍称，针对工作温度500℃以下的中低温领域，东方锅炉筛选合适粒径的漠沙作为储热介质，成本低廉；针对与火电灵活性改造耦合的应用场景，东方锅炉则测试了循环灰的性能，可以直接用循环灰作为储热颗粒；在超临界二氧化碳系统方面，选择了一种可耐高温、且表面经过特殊处理的颗粒材料。
适用于哪些应用场景？
1、火电灵活性改造——利用固体颗粒储热技术可中高温运行的特点将热电联产机组进行热电解耦。
应用原理：可采用“纯储热+边储边放+纯放热”等灵活的运行模式在机组高负荷时间段富裕的蒸汽用于加热固体颗粒储存蒸汽热，在机组低负荷供热不足时对外供汽供热，实现热电解耦。
李有霞表示，当前可再生能源大比例增加，好多机组都面临深度调峰的需求，结合固体颗粒储热技术可以运用不同的汽源，把进汽轮机做功的蒸汽量减下来用于储热，实现深度调峰，而且，相比电加热技术，这样操作可以直接将热能储存起来并按需对外供热，省去了热—电—热的效率损失。
2、配套光热发电系统建设可再生能源基地；利用弃风弃光电能，助力可再生能源消纳。
▲配套光热发电建设可再生能源基地（左）/结合弃风弃光助力消纳（右）
李有霞表示，与超临界二氧化碳光热发电系统配套也是固体颗粒储热技术的一个重要应用方向。在可再生能源在整个能源体系快速增加的当下，我们需要构建可再生能源基地，最好是自己带有储热系统，实现自我调峰，而不是靠传统的煤电调峰，这时“高温光热发电系统+固体颗粒储热技术”便有了用武之地。
同时，也可以将固体颗粒储热技术与风力/光伏可再生能源发电技术相结合，利用弃风弃光电力加热固体颗粒，实现在用能高峰时间段利用固体颗粒所储存的热能加热水工质产生高温蒸汽外供或发电，最终达到助力可再生能源消纳的目的。
3、高温余热利用领域。可以将炼钢企业的一些炉渣、转炉烟气等高温余热源通过固体颗粒储热技术进行能量回收储存，并根据需要对外提供高温蒸汽、供热或发电，以改善余热发电或者供汽的经济性。
