儲熱技術(shù)的研究及應(yīng)用(可研基礎(chǔ))

1、儲熱技術(shù)的研究與應(yīng)用余熱利用分析報告第一章工業(yè)熱能現(xiàn)狀及利用率1.1余熱能源現(xiàn)狀當前，我國能源利用仍然存在著利用效率低、經(jīng)濟效益差，生態(tài)環(huán)境壓力大的主要問題。節(jié)能減排、降低能耗、提高能源綜合利用率作為能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃的重要內(nèi)容，是解決我國能源問題的根本途徑，處于優(yōu)先發(fā)展的地位。實現(xiàn)節(jié)能減排、提高能源利用率的目標主要依靠工業(yè)領(lǐng)域。我國工業(yè)領(lǐng)域能源消耗量約占全國能源消耗總量的70，主要工業(yè)產(chǎn)品單位能耗平均比國際先進水平高出30左右。除了生產(chǎn)工藝相對落后、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理的因素外，工業(yè)余熱利用率低，能源沒有得到充分綜合利用是造成能耗高的重要原因。我國能源利用率僅為33左右，比發(fā)達國家低約10。至少50

2、的工業(yè)耗能以各種形式的余熱被直接廢棄。因此從另一角度看，我國工業(yè)余熱資源豐富，廣泛存在于工業(yè)各行業(yè)生產(chǎn)過程中，余熱資源約占其燃料消耗總量的1767，其中可回收率達60，余熱利用率提升空間大，節(jié)能潛力巨大。工業(yè)余熱回收利用又被認為是一種“新能源”，近年來成為推進我國節(jié)能減排工作的重要內(nèi)容。工業(yè)余熱來源于各種工業(yè)爐窯熱能動力裝置、熱能利用設(shè)備、余熱利用裝置和各種有反應(yīng)熱產(chǎn)生的化工過程等。目前，各行業(yè)的余熱總資源約占其燃料消耗總量的1767，可回收利用的余熱資源約為余熱總資源的60。合理充分利用工業(yè)余熱可以降低單位產(chǎn)品能耗，取得可觀的經(jīng)濟效益。工業(yè)余熱按其能量形態(tài)可以分為三大類，即可燃性余熱、載熱性

3、余熱和有壓性余熱。1）可燃性余熱可燃性余熱是指能用工藝裝置排放出來的、具有化學熱值和物理顯熱，還可作燃料利用的可燃物，即排放的可燃廢氣、廢液、廢料等，如放散的高爐氣、焦爐氣、轉(zhuǎn)爐氣、油田伴生氣、煉油氣、礦井瓦斯、炭黑尾氣、紙漿黑液、甘蔗渣、木屑、可燃垃圾等。2）載熱性余熱常見的大多數(shù)余熱是載熱性余熱，它包括排出的廢氣和產(chǎn)品、物料、廢物、工質(zhì)等所帶走的高溫熱以及化學反應(yīng)熱等，如鍋爐與窯爐的煙道氣，燃氣輪機、內(nèi)燃機等動力機械的排氣，焦炭、鋼鐵鑄件、水泥、爐渣的高溫顯熱，凝結(jié)水、冷卻水、放散熱風等帶走的顯熱，以及排放的廢氣潛熱等。 3）有壓性余熱有壓性余熱通常又叫余壓（能），它是指排氣排水等有壓液體

4、的能量。另外，因為工業(yè)余熱的溫度是衡量其質(zhì)量（品位）的重要標尺，而其溫度的高低亦影響了余熱回收利用的方式，所以余熱也通常按溫度高低分為：高溫余熱，T650；中溫余熱，230T650；低溫余熱，T230。 余熱資源來源廣泛、溫度范圍廣、存在形式多樣.從利用角度看，余熱資源一般具有以下共同點：由于工藝生產(chǎn)過程中存在周期性、間斷性或生產(chǎn)波動，導致余熱量不穩(wěn)定；余熱介質(zhì)性質(zhì)惡劣，如煙氣中含塵量大或含有腐蝕性物質(zhì)；余熱利用裝置受場地等固有條件限制。1.2余熱現(xiàn)狀見附件第二章儲熱技術(shù)的發(fā)展及儲熱材料分類2.1儲熱材料的分類目前，主要有三種儲熱方式，包括顯熱儲熱、潛熱儲熱（也稱為相變儲熱）和熱化學反應(yīng)儲熱。

5、2.1.1顯熱儲熱是利用材料所固有的熱容進行的熱量儲存形式。目前主要應(yīng)用的顯熱儲熱材料有硅質(zhì)、鎂質(zhì)耐火磚，三氧化二鐵、鑄鋼鑄鐵、水、導熱油、沙石等熱容較大的物質(zhì)，其中，水的比熱大，成本低，主要用于低溫儲熱；導熱油、硝酸鹽的沸點比較高，可用于太陽能中溫儲熱。這種蓄熱方式原理簡單、技術(shù)較成熟、材料來源豐富且成本低廉，因此廣泛地應(yīng)用于化工、冶金、熱動等熱能儲存與轉(zhuǎn)化領(lǐng)域。但這類材料儲能密度低、不適宜工作在較高溫度環(huán)境中。2.1.2熱化學反應(yīng)儲熱是利用可逆化學反應(yīng)，通過熱能與化學熱的轉(zhuǎn)化來進行儲能的。目前已經(jīng)研究過70多種熱化學反應(yīng)，但很理想的反應(yīng)體系并不多。典型的熱化學反應(yīng)儲能體系有無機氫氧化物分解

6、，氨的分解、碳酸化合物分解、甲烷-二氧化碳催化重整、銨鹽熱分解、有機物的氫化和脫氫反應(yīng)等。熱化學反應(yīng)儲能的主要優(yōu)點是蓄熱量大，使用的溫度范圍比較寬，不需要絕緣的儲熱罐，而且如果反應(yīng)過程能用催化劑或反應(yīng)物控制，可長期儲存熱量，特別適用于太陽能熱發(fā)電中的太陽熱能儲存。但該技術(shù)實現(xiàn)化學反應(yīng)系統(tǒng)與儲熱系統(tǒng)的結(jié)合還處于研究階段，距離規(guī)模應(yīng)用尚遠。2.1.3相變儲熱是利用相變材料在物態(tài)變化時，吸收或放出大量潛熱而進行的。通常按照相變形式和相變溫度的不同，相變儲熱材料可進行進一步的細分。根據(jù)相變形式的不同，相變材料可分為固-固相變、固-液相變、固-氣相變和液-氣相變。其中固-氣相變和液-氣相變兩種形式，雖有

7、很大的相變潛熱，但由于相變過程中大量氣體的存在，使材料體積變化較大，難以實際應(yīng)用。固-固相變、固-液相變是研究和實際中采用較多的相變類型。然而，固-固相變儲能材料的開發(fā)時間相對較短，大量的研究工作還沒深入開展，因此其應(yīng)用范圍沒有固-液相變材料寬廣。按照相變溫度范圍的不同，相變材料又分為高溫、中溫、低溫相變儲熱材料。各溫度范圍間并沒有明顯清晰的界限，常發(fā)生較大范圍的重疊，但因?qū)嶋H應(yīng)用時需要儲存的熱源有一定的溫度范圍，這種按相變溫度分類的方法更實用。一般的，把相變溫度為120和400作為低、中、高溫相變儲熱材料的溫度節(jié)點。低溫相變儲熱相變溫度在120以下，此類材料在建筑和日常生活中的應(yīng)用較為廣泛，

8、包括空調(diào)制冷、太陽能低溫熱利用及供暖空調(diào)系統(tǒng)，尤其以熱水應(yīng)用的最為廣泛。這類相變材料主要包括無機水合鹽、有機物和高分子等。在此應(yīng)用溫度范圍內(nèi)的蓄熱技術(shù)基本成熟。中溫相變儲熱相變溫度范圍為120400。中溫相變儲熱材料的效率相對較低，體積和質(zhì)量相對龐大，適合大規(guī)模應(yīng)用，主要針對地面民用領(lǐng)域，經(jīng)常作為其他設(shè)備或應(yīng)用場合的加熱源，可用于太陽能熱發(fā)電、移動蓄熱等相關(guān)領(lǐng)域。這類材料有硝酸鹽、硫酸鹽和堿類。另外，通過將2種或2種以上無機或有機類相變材料結(jié)合在一起進行復合也是制備中溫相變儲熱材料的一種可行途徑。高溫相變儲熱相變溫度在400以上，主要應(yīng)用于小功率電站、太陽能發(fā)電、工業(yè)余熱回收等方面，一般分為3

9、類：鹽與復合鹽、金屬與合金和高溫復合相變材料。2.2相變儲熱技術(shù)的發(fā)展相變儲能是材料科學與能源科學的交又學科，相變儲能技術(shù)是解決能量供求在時間和空間上不匹配的矛盾，用于滿足人們在工程和產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟要求而又提高能源利用率的有效手段，因此它在電力系統(tǒng)調(diào)峰、航空航天、太陽能利用、余熱回收、采暖空調(diào)及家用電器工業(yè)等領(lǐng)域，可以得到廣泛的應(yīng)用 。從20世紀70年代開始，國際上較集中地進行這一領(lǐng)域的研究到現(xiàn)在，相變材料及相變儲能技木得到了極大的發(fā)展，各發(fā)達國家在探索高儲能密度，性能穩(wěn)定和具有高性能價格比的共品鹽，合金和復合相變材料的研究上和相變儲能技術(shù)應(yīng)用上已漸成體系，少部分相變材料和技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)商業(yè)化，

10、 而且正在打進我國的市場，與此同時，也出版了相當數(shù)量的論文和材料手冊及少量的專著，從20世紀70年代未期起，我國開始對相變材料和相變儲能技術(shù)展開研究，因為難度較大，所以研究工作是零散的。而較全面和系統(tǒng)的研究則從20世紀80 年代中后期開始，在中國科學院和少數(shù)高等院校進行。由于得到國家自然科學基金委員會，中國科學院和各部委的支持，十多年來，我國在這一領(lǐng)域的研究取得了長足的進步，但是，應(yīng)該看到，與發(fā)達國家相比，我們的差距仍是存在的，這種差距也表現(xiàn)在相變儲能領(lǐng)域的科技文獻和專著較少。最近的兩年，能源的緊張和能源利用中的環(huán)境污染間題促使人們強烈要求使用具有間歇性的太陽能，風能或廉價電力等清沽能源以及工

11、業(yè)余熱資源。與此同時，我國為了克服電力負荷峰谷差嚴重的現(xiàn)狀， 在全國實行峰谷電價政策來鼓勵工業(yè)和民間在采暖，制冷空調(diào)，熱水供應(yīng)，熱風干燥及其他方面使用谷期電力，這都對相變儲能技術(shù)的實際應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)，人們希望具有體積小，壽命長，性能穩(wěn)定和性價比良好的相變儲能裝置付之實用或代持體積龐大的蓄熱式電鍋爐。同時可再生能源利用的迅猛發(fā)展，也要求具有先進的儲能技術(shù)。國民經(jīng)濟和市場的追切要求，激起了科技界、工業(yè)企業(yè)界研究和開發(fā)相變材料和相變儲能技術(shù)的熱潮。2.3相變儲能技術(shù)的原理熱能可通過物質(zhì)(材料的顯熱或者潛熱(相變熱)來儲存,顯熱儲能系統(tǒng)在儲能和釋能過程是利用材料的比熱容和材料的溫度變化來進行的, 在不

12、大的溫變范圍, 材料的比熱容是基本不變的, 因此, 顯熱儲能的最大優(yōu)點是在系統(tǒng)有效的使用壽命周期內(nèi), 其儲能和釋能過程是完全可逆的, 而目,在系統(tǒng)運行過程中,技術(shù)上需要考慮的不穩(wěn)定因素較少,因此,顯熱儲存系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,運行方便, 但是, 其最重要的缺點是儲能密度較小, 即單位體積所能儲存的能量較少, 這就使得儲能裝置的體積往往過于龐大。潛熱儲存, 即相變儲能是利用物態(tài)轉(zhuǎn)變過程中伴隨的能量吸收和釋放而進行的, 潛熱儲存比顯熱儲存具有高得多的儲能密度, 以水為例, 水在大氣圧力下, 水沸騰其潛熱約為2260kJ/kg,冰融化其潛熱是355kJ/kg,而水在一個大氣壓下,從20加熱到40,溫差為20

13、的顯熱僅為84kJ/kg,這就可以看出這兩種儲能方式效果的明顯差別 。那么, 相変儲能技術(shù)的基本原理是什么?物質(zhì)從一種狀態(tài)變到另一種狀態(tài)叫相變, 物質(zhì)的相變通常存在以下幾種相變形式: 固一氣、 液一氣、 固一液, 而第四種固-固則是屬于從一種結(jié)晶形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪恍问降南噢D(zhuǎn)変,相變過程一般是一等溫或近似等溫過程。相變過程中伴有能量的吸收或釋放,這部分能量稱為相變潛熱。相變潛熱一般較大,不同物質(zhì)其相變潛熱差別較大,無機水合鹽和有機酸的相變潛熱在100300kJ/kg,無機鹽LiF可高達1044kJ/k9,金屬在40o510kJ/kg之間,利用這個特點,我們可以在物質(zhì)升溫過程吸收的相變潛熱, 加上吸收

14、的顯熱一起儲存起來加以利用。第三章相變儲熱材料的研究及應(yīng)用方向3.1技術(shù)研究隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人類對能源的需求日益增加。為此，人們開始尋找綠色可再生能源去取代地球上日趨匱乏的資源，例如太陽能、風能、地熱能等。然而，這些能源的間歇性給人類的利用帶來極大不便，如何將能源進行很好的儲存就顯得尤為重要。目前在熱能領(lǐng)域，盡管多數(shù)采用顯熱方式進行儲能，但其儲熱量小，放熱不恒溫、儲熱裝置龐大等缺點已經(jīng)影響了其進一步的應(yīng)用。是否能夠找到一種儲熱量大，且吸/放熱量時其溫度保持不變的材料呢？潛熱儲能（相變儲能）方式的發(fā)現(xiàn)恰好解決了顯熱儲能的缺憾。國外對相變儲能材料的研究工作始于20世紀60年代。最早是以節(jié)能為目

15、的，從太陽能和風能的利用及廢熱回收，經(jīng)過不斷的發(fā)展，逐漸擴展到化工、航天、電子等領(lǐng)域。近年來最主要的研究和應(yīng)用集中在建筑物的集中空調(diào)、采暖及被動式太陽房等領(lǐng)域。國外研究機構(gòu)和科研人員對蓄熱材料的理論研究工作，尤其是對蓄熱材料的組成、蓄熱容量隨熱循環(huán)變化情況、相變壽命、儲存設(shè)備等進行了詳細的研究，在實際應(yīng)用上也取得了很大進展。 相對于已經(jīng)進入實用階段的發(fā)達國家，我國在20世紀70年代末80年代初才開始對蓄熱材料進行研究，所以國內(nèi)相變儲能材料的理論和應(yīng)用研究還比較薄弱。上世紀90年代中期以來，國內(nèi)研究重點開始轉(zhuǎn)向有機相變材料和復合定形相變材料的研究開發(fā)。相變儲能材料是基礎(chǔ), 因此在相變儲能技術(shù)領(lǐng)域

16、. 首先是研究和開發(fā)相變潛熱大,性能穩(wěn)定和性價比高的相變材料。其次是應(yīng)用,主要涉及儲能元件、儲能換熱器和儲能系統(tǒng)的相變傳熱，相變材料與換熱流體的對流相合換熱, 材料的腐蝕與防護系統(tǒng)的設(shè)計等方面。從20世紀70年代起,國內(nèi)外對傳統(tǒng)的無機鹽、無機水合鹽、金屬等相變材料進行了連續(xù)和系統(tǒng)的研究和應(yīng)用。在我國, 20世紀70年代末80年代初,中國科技大學、華中師范大學、中國科學院廣州能源研究所等單位就開始了對無機鹽、 無機水合鹽、 金屬等相變材料研究的工作。從2008年開始, 正在進行的 863計劃研究將金屬相變儲能鍋爐應(yīng)用于太陽能熱發(fā)電，20世紀90年代,人們開始對有機相變材料進行研究,包括測試相變材

17、料的熱物理性質(zhì)、化學穩(wěn)定性及對環(huán)保的影響等。3.2具體應(yīng)用（1）通信、電力、信息領(lǐng)域傳統(tǒng)的設(shè)備冷卻主要應(yīng)用空調(diào)進行冷卻,這就導致大量的電力消耗。如果利用相變材料和冷卻設(shè)備的相互交替進行冷卻或相變空調(diào)冷卻，大大的節(jié)省了電力的消耗。傳統(tǒng)的設(shè)備一般放在機房內(nèi)，不論是城市還是野外建設(shè)一個機房都會面臨占地面積大、耗時、耗材等問題，建好的機房還需要安裝制冷備，完成這樣的過程是非常不容易的。如果能把設(shè)備直放在一個恒溫的機柜內(nèi)這些問題迎刃而解，室外一體機柜即可代傳統(tǒng)的機房。（2）高舒適性紡織品領(lǐng)域?qū)⑽⒛z囊相變材料與纖維進行混合得到智能纖維相變材料，它可根據(jù)外界溫度的變化，對人體皮膚表層做出相應(yīng)的吸熱或放熱，從

18、而使體表溫度波動相對較小，進而提高舒適感、增強抵御惡劣環(huán)境的作用。目前，已利用這種技術(shù)研制出自調(diào)溫被褥、自調(diào)溫服裝、自調(diào)溫窗簾等產(chǎn)品。（3）節(jié)能建筑領(lǐng)域微膠囊相變材料可用于室內(nèi)地板、墻體、天花板，相變材料玻璃等。相變材料通過與室內(nèi)環(huán)境進行熱量交換，使室內(nèi)保持人體感覺較為舒適的溫度。（4）救生領(lǐng)域?qū)⑾嘧儾牧咸钛b于設(shè)計好的救生艙中并配備一定的食品營養(yǎng)補給，放置于井下煤礦作業(yè)的固定地方。當發(fā)生意外時，作業(yè)人員快速進入相變救生艙，相變材料可提供一個舒適環(huán)境的作用，配備的食品延長了逃生人員的存活幾率。同時，救生艙的固定位置也給營救節(jié)省了搜救時間，更有利營救的開展。（5）用于冷卻循環(huán)液將微膠囊添加到冷卻循

19、環(huán)液中，懸浮的冷卻液極大的提高了熱傳遞能力和熱儲存能力。實驗證明，含有微膠囊的冷卻液其傳熱能力是單純水的3倍多。（6）廢熱回收高溫相變相變材料，可將工業(yè)上產(chǎn)生的大量廢熱予以儲存，然后將其轉(zhuǎn)移到生活、工作、生產(chǎn)等需要熱量的領(lǐng)域，例如生活供暖，生活用熱水等。（7）農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)⒑南嘧儾牧夏z囊與種子一起埋入土壤，以保證種子能夠在沙漠等環(huán)境惡劣地區(qū)發(fā)芽生長。同時也可用于溫室大棚，相變材料的吸熱和放熱功能，可以使白天和夜晚的棚內(nèi)溫度保持相對恒定，更好的促進農(nóng)作物生長。（8）其他領(lǐng)域低溫的相變材料可用于冷藏運輸，食品保鮮等。生物細胞組織以及血液等需在低溫、恒溫條件下冷藏和運輸。微膠囊與聚氨酯制成的泡沫材料

20、可用于汽車內(nèi)裝飾，可使得陽光下的汽車內(nèi)溫度降低，從而可以降低夏季空調(diào)的使用量和提高剛進入汽車時的舒適性。同時，也可以將其涂于患者的手術(shù)部位，保持更適宜的溫度和濕度，加速傷口愈合，減少感染。第四章儲熱技術(shù)的發(fā)展前景4.1政策背景（1） 中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年（20162020 年）規(guī)劃綱要中指出支持戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。支持新一代信息技術(shù)、新能源汽車、生物技術(shù)、綠色低碳、高端裝備與材料、數(shù)字創(chuàng)意等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大。大力推進先進半導體、機器人、增材制造、智能系統(tǒng)、新一代航空裝備、空間技術(shù)綜合服務(wù)系統(tǒng)、智能交通、精準醫(yī)療、高效儲能與分布式能源系統(tǒng)、智能材料、高效節(jié)能環(huán)保、虛擬現(xiàn)實與互動影視等新興前沿領(lǐng)域創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化，形成一批新增長點。（2） 能源發(fā)展十三五規(guī)劃中主要任務(wù)之一就是實施多能互補集成優(yōu)化工程。加強終端供能系統(tǒng)統(tǒng)籌規(guī)劃和一體化建設(shè)，在新城鎮(zhèn)、新工業(yè)園區(qū)、新建大型公用設(shè)施（機場、車站、醫(yī)院、學校等）、商務(wù)區(qū)和海島地區(qū)等新增用能區(qū)域，實施終端一體化集成供能工程，因地制宜推廣天然氣熱電冷三聯(lián)供、分布式再生能源發(fā)電、地熱能供暖制冷