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二、选择固体粒子作为传热和储热介质
塔式热发电选择固体粒子传热始于上世纪八十年代,最早由美国桑迪亚实验室提出, 千年后被业界重新提起。
为什么固体粒子做传热介质被再次重视?关键是熔盐介质存在的局限性,特别是在 应用中暴露出经济型差、电站寄生损耗大、事故率高是根本原因。采用固体粒子则可以 实现以下目标:
1、适应塔式热发电不稳定的光照辐射焦斑;
2、能应对温度瞬变冲击,规避熔盐介质一怕凝固二怕气化的风险;
3、可提高工况温度到 600 至 1000 度,以满足超临界二氧化碳高效发电之需;
4、固体颗粒不会像熔盐发生冻结,消除了伴热成本以及相关的维护和寄生电源损耗:
5、固体颗粒没有腐蚀性,减少了对传热管道和储热设备的防护成本。
借鉴桑迪亚塔式固体粒子技术,以及欧盟 NEXT-CSP 项目选择橄榄石即镁硅酸盐的 经验,建议我国选择便于流化的粉煤灰或水泥粉末做塔式传热和储热介质。
粉煤灰系燃煤电厂固体废弃物,主要组分为:SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2 等,目前主要应用在建筑和公路交通基础设施。粉煤灰原本就是燃煤电厂流化床或煤粉 锅炉的传热介质,工况温度在 800 至 1000 度,且粉煤灰球磨后就可以再利用,其粒度 可恢复与现有超临界燃煤发电一样;粉煤灰同样适宜作高温储热介质,而且粉煤灰系脱 硫产物,对环境友好,成本相比熔盐更低。(见表 1)
欧盟资助协议编号的 727762 项目,在《作为传热流体和储存材料的悬浮颗粒的评 估》报告中对不同的固体粒子性能做了分析,其分数排序为从 0(最差)到 5 或 10(最好)。
三、固体粒子接收器的选择
固体粒子传热遵循热辐射基本理论,严格地讲,辐射换热与导热、对流换热不同, 无需冷热物体接触,热平衡的建立依赖物体间辐射热的发射和吸收。
固体粒子接收器最早在美国阿尔伯克基市的桑迪亚国家太阳热测试设施(NSTTF)进 行实验,接收塔高 61 米,接收器透孔高 6.3 米,宽 1.85 米,深 1.5 米。粒子从透腔上 方料斗排出释放,粒子通过空腔自由下落,在动态中粒子接收聚焦于空腔前方透射的太 阳光辐射热。一般的理解是,热辐射在静态中通过被照射物体表面涂敷的高效选 择性吸收涂层以获得最大热吸收效果,让落砂在动态中直接吸收光辐射效果好吗? 2020 年 9 月美国能源部拨付桑迪亚 75 万美元,拟与德国 DLR 合作实验其设计的转笼式 接收器。
欧盟 NEXT-CSP 计划专注于管内微粒技术的研发,并由法国承担欧盟“CSP2”的固 体粒子金属管道传热流体接收器研究,其方案采用的是 40 只 3 米长金属管组成的接收器, 其中金属管的外径为 50.8 mm,每根管之间的间距为 14.2 mm,涂敷 Pyromark 2500©选 择性吸收涂料,管后设置耐火板,以反射通过管缝隙进入背面耐火板的光辐射,实验温 度在 800 至 900 度,满足超临界二氧化碳布雷顿发电机组工况要求。它的设计理念与美 国桑迪亚和德国DLR的粒子下落式不同,它通过底部高压风将流化粒子送入接收器管道, 高温粒子由上部落入储热罐,再经流化床锅炉换热进入冷罐。
目前技术挑战和发展的重点是设计一种可以在高温状态下具有良好性能和可靠性 的固体粒子接收器。美国桑迪亚的固体粒子实验限于颗粒的自由下落,以及通过窗口吸 收光照热辐射热能,暴露的问题就是效率低且固体颗粒损失严重。由法国承担的欧盟 “CSP2 计划”选择固体颗粒橄榄石即镁硅酸盐金属管道传热流体接收器,除此之外还一 并对固体粒子流化床换热装置进行了实验。
根据固体粒子传热储热特点,建议接收器采用陶瓷材料制作,以模块方式组装,模 块外表层涂敷耐高温的选择性热吸收涂料,模块中心为固体粒子或粉煤灰的热辐照通道, 其温度和流速由底部阀门控制,粉煤灰在密闭通道通过辐射热获得高温,再通过流化床 锅炉换热(图2)。
图2 自主设计塔式光热发电模块式陶瓷接收器
四、固体粒子循环流化床换热
在塔式光热发电装置中使用流态化颗粒作为传热介质,与传统的液体传热介质相比 有许多优点。流态化颗粒可在远高于 1000℃的温度下保持热稳定性,并消除传热流体的 冻结风险。相对于最先进的液体传热介质,用于传热和储热的固体颗粒成本极低,为塔 式光热发电带来了巨大的成本效益。总之,流态颗粒具有高温度、高热动力、低成本优 势。在提高定日镜光学效率的同时,适当布局塔式太阳能镜场,可以大幅提高太阳能通 量,保证固体粒子辐照温度达到近千度高温。循环流化床在我国燃煤电站广泛使用,技 术成熟,经验丰富,稍加改造即可直接移植塔式光热发电系统,如果结合粉煤灰固体粒 子接收器统一设计,投资成本会大幅降低。
美国 NREL 和 Babcock & Wilcox 公司共同提出的可适应多种动力装置的塔式固体粒 子光热发电装置和流化床换热系统的示意图如图 12 所示,带有一个结合流化床加热的 近黑体封闭粒子接收器、交换器和固体粒子热能储存装置。欧盟的下一代光热发电技术 同样选择了流化床换热,但他们更注意考察所选择的固体粒子的在磨损、比热容等方面 分析和选择。
五、固体粒子接收器与镜场布局
为最大限度吸收光热辐射,接收器可采用带固体粒子通道的陶瓷模块构筑接收器墙 体,墙体外表面涂敷耐高温和具有极低发射率的选择性热吸收涂层,可大大减少热辐射 损失,或陶瓷墙体模块包裹陶瓷管道,通过墙体自身具有的储热功能应对不稳定的光照 和焦斑跳变。接收塔可借鉴南非 Khi Solar One 50 兆瓦 DSG 塔式光热电站设计模式,固体 粒子接收器也采用三面体布置,定日镜镜场相应为东、西、北三个扇形镜场,分别对应 三个固体粒子接收墙体。且定日镜面积由远及近为 50 平米至 20 平米,以兼顾不同远近 定日镜的辐射强度实现均衡。通过优化镜场布局,降低初始投资。该设计比较适合我国纬度高、海拔高、环境温度低的环境。
结 语
目前塔式光热发电站在传热和存储介质方面有多种选择,但每一种介质都有特定的 限制条件和应用特点。拿熔盐来说,因受限于化学性质,它的上限温度在 565℃左右, 而结晶点在 230℃,导致系统的热电转换效率受限,为防止熔盐凝固还要增加很多电伴 热设备,无端增大电站寄生损耗。采用创新型的流态化的耐火颗粒作为传储热介质,可 将系统工作温度提升到 600 至 1000℃,大幅提升光热发电效率。根据国外的实验结果, 预计采用流态化固体粒子作为传热储热介质,光热发电系统的理论发电效率将比目前最 先进的熔盐塔式光热电站高出约 20%,同时发电成本降低约 25%,并显著降低存储介质 的成本和电站初始投资。但是欲实现这个目标,不仅要精心选择固体粒子,还要考虑塔 式接收器的可靠性和制造成本、以及蓄热罐、流化床悬浮粒子热交换器、超临界二氧化 碳发电机组、固体粒子传输设备、冷料罐、电力或燃气互补储热等的设计和配套,特别 是将其集成在塔式聚光发电系统中还需要做很多功课。可喜的是我国已经启动了这些工 作。
总之,塔式光热发电前景诱人,技术路线多种多样,核心是能否结合国情,走我们 自己的路。一句话,这是前无古人的事业,也为年轻一代光热技术人员留出足够大的创 新空间。该文仅为抛砖引玉,但愿为国内塔式光热发电技术创新尽绵薄之力。
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