储热技术的研究与应用(可研基础)

储热技术的研究与应用

余热利用分析报告

第一章工业热能现状及利用率

1.1余热能源现状

当前，我国能源利用仍然存在着利用效率低、经济效益差，生态环境压力大的主要问题。节能减排、降低能耗、提高能源综合利用率作为能源发展战略规划的重要内容，是解决我国能源问题的根本途径，处于优先发展的地位。

实现节能减排、提高能源利用率的目标主要依靠工业领域。我国工业领域能源消耗量约占全国能源消耗总量的70％，主要工业产品单位能耗平均比国际先进水平高出30％左右。除了生产工艺相对落后、产业结构不合理的因素外，工业余热利用率低，能源没有得到充分综合利用是造成能耗高的重要原因。

我国能源利用率仅为33％左右，比发达国家低约10％。至少50％的工业耗能以各种形式的余热被直接废弃。因此从另一角度看，我国工业余热资源丰富，广泛存在于工业各行业生产过程中，余热资源约占其燃料消耗总量的17％～67％，其中可回收率达60％，余热利用率提升空间大，节能潜力巨大。工业余热回收利用又被认为是一种“新能源”，近年来成为推进我国节能减排工作的重要内容。

工业余热来源于各种工业炉窑热能动力装置、热能利用设备、余热利用装置和各种有反应热产生的化工过程等。目前，各行业的余热总资源约占其燃料消耗总量的17％～67％，可回收利用的余热资源

约为余热总资源的60％。合理充分利用工业余热可以降低单位产品能耗，取得可观的经济效益。

工业余热按其能量形态可以分为三大类，即可燃性余热、载热性余热和有压性余热。

1）可燃性余热

可燃性余热是指能用工艺装置排放出来的、具有化学热值和物理显热，还可作燃料利用的可燃物，即排放的可燃废气、废液、废料等，如放散的高炉气、焦炉气、转炉气、油田伴生气、炼油气、矿井瓦斯、炭黑尾气、纸浆黑液、甘蔗渣、木屑、可燃垃圾等。

2）载热性余热

常见的大多数余热是载热性余热，它包括排出的废气和产品、物料、废物、工质等所带走的高温热以及化学反应热等，如锅炉与窑炉的烟道气，燃气轮机、内燃机等动力机械的排气，焦炭、钢铁铸件、水泥、炉渣的高温显热，凝结水、冷却水、放散热风等带走的显热，以及排放的废气潜热等。

3）有压性余热

有压性余热通常又叫余压（能），它是指排气排水等有压液体的能量。另外，因为工业余热的温度是衡量其质量（品位）的重要标尺，而其温度的高低亦影响了余热回收利用的方式，所以余热也通常按温度高低分为：高温余热，T ≥650℃；中温余热，230

℃≤T

余热资源来源广泛、温度范围广、存在形式多样. 从利用角度看，余

热资源一般具有以下共同点：由于工艺生产过程中存在周期性、间断性或生产波动，导致余热量不稳定；余热介质性质恶劣，如烟气中含尘量大或含有腐蚀性物质；余热利用装置受场地等固有条件限制。

1.2余热现状

见附件

第二章储热技术的发展及储热材料分类

2.1储热材料的分类

目前，主要有三种储热方式，包括显热储热、潜热储热（也称为相变储热）和热化学反应储热。

2.1.1显热储热

是利用材料所固有的热容进行的热量储存形式。

目前主要应用的显热储热材料有硅质、镁质耐火砖，三氧化二铁、铸钢铸铁、水、导热油、沙石等热容较大的物质，其中，水的比热大，成本低，主要用于低温储热；导热油、硝酸盐的沸点比较高，可用于太阳能中温储热。

这种蓄热方式原理简单、技术较成熟、材料来源丰富且成本低廉，因此广泛地应用于化工、冶金、热动等热能储存与转化领域。但这类材料储能密度低、不适宜工作在较高温度环境中。

2.1.2热化学反应储热

是利用可逆化学反应，通过热能与化学热的转化来进行储能的。 目前已经研究过70多种热化学反应，但很理想的反应体系并不多。典型的热化学反应储能体系有无机氢氧化物分解，氨的分解、碳

酸化合物分解、甲烷-二氧化碳催化重整、铵盐热分解、有机物的氢化和脱氢反应等。热化学反应储能的主要优点是蓄热量大，使用的温度范围比较宽，不需要绝缘的储热罐，而且如果反应过程能用催化剂或反应物控制，可长期储存热量，特别适用于太阳能热发电中的太阳热能储存。但该技术实现化学反应系统与储热系统的结合还处于研究阶段，距离规模应用尚远。

2.1.3相变储热

是利用相变材料在物态变化时，吸收或放出大量潜热而进行的。通常按照相变形式和相变温度的不同，相变储热材料可进行进一步的细分。

根据相变形式的不同，相变材料可分为固-固相变、固-液相变、固-气相变和液-气相变。其中固-气相变和液-气相变两种形式，虽有很大的相变潜热，但由于相变过程中大量气体的存在，使材料体积变化较大，难以实际应用。固-固相变、固-液相变是研究和实际中采用较多的相变类型。然而，固-固相变储能材料的开发时间相对较短，大量的研究工作还没深入开展，因此其应用范围没有固-液相变材料宽广。

按照相变温度范围的不同，相变材料又分为高温、中温、低温相变储热材料。各温度范围间并没有明显清晰的界限，常发生较大范围的重叠，但因实际应用时需要储存的热源有一定的温度范围，这种按相变温度分类的方法更实用。一般的，把相变温度为120℃和400℃作为低、中、高温相变储热材料的温度节点。

低温相变储热——相变温度在120℃以下，此类材料在建筑和日常生活中的应用较为广泛，包括空调制冷、太阳能低温热利用及供暖空调系统，尤其以热水应用的最为广泛。这类相变材料主要包括无机水合盐、有机物和高分子等。在此应用温度范围内的蓄热技术基本成熟。

中温相变储热——相变温度范围为120～400℃。中温相变储热材料的效率相对较低，体积和质量相对庞大，适合大规模应用，主要针对地面民用领域，经常作为其他设备或应用场合的加热源，可用于太阳能热发电、移动蓄热等相关领域。这类材料有硝酸盐、硫酸盐和碱类。另外，通过将2种或2种以上无机或有机类相变材料结合在一起进行复合也是制备中温相变储热材料的一种可行途径。

高温相变储热——相变温度在400℃以上，主要应用于小功率电站、太阳能发电、工业余热回收等方面，一般分为3类：盐与复合盐、金属与合金和高温复合相变材料。

2.2相变储热技术的发展

相变储能是材料科学与能源科学的交又学科，相变储能技术是解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾，用于满足人们在工程和产品的技术经济要求而又提高能源利用率的有效手段，因此它在电力系统调峰、航空航天、太阳能利用、余热回收、采暖空调及家用电器工业等领域，可以得到广泛的应用 。

从20世纪70年代开始，国际上较集中地进行这一领域的研究到现在，相变材料及相变储能技木得到了极大的发展，各发达国家在探

索高储能密度，性能稳定和具有高性能价格比的共品盐，合金和复合相变材料的研究上和相变储能技术应用上已渐成体系，少部分相变材料和技术应用已经商业化， 而且正在打进我国的市场，与此同时，也出版了相当数量的论文和材料手册及少量的专著，从20世纪70年代未期起，我国开始对相变材料和相变储能技术展开研究，因为难度较大，所以研究工作是零散的。而较全面和系统的研究则从20世纪80 年代中后期开始，在中国科学院和少数高等院校进行。由于得到国家自然科学基金委员会，中国科学院和各部委的支持，十多年来，我国在这一领域的研究取得了长足的进步，但是，应该看到，与发达国家相比，我们的差距仍是存在的，这种差距也表现在相变储能领域的科技文献和专著较少。

最近的两年，能源的紧张和能源利用中的环境污染间题促使人们强烈要求使用具有间歇性的太阳能，风能或廉价电力等清沽能源以及工业余热资源。与此同时，我国为了克服电力负荷峰谷差严重的现状， 在全国实行峰谷电价政策来鼓励工业和民间在采暖，制冷空调，热水供应，热风干燥及其他方面使用谷期电力，这都对相变储能技术的实际应用提出了挑战，人们希望具有体积小，寿命长，性能稳定和性价比良好的相变储能装置付之实用或代持体积庞大的蓄热式电锅炉。同时可再生能源利用的迅猛发展，也要求具有先进的储能技术。国民经济和市场的追切要求，激起了科技界、工业企业界研究和开发相变材料和相变储能技术的热潮。

2.3相变储能技术的原理

热能可通过物质(材料的显热或者潜热(相变热) 来储存, 显热储能系统在储能和释能过程是利用材料的比热容和材料的温度变化来进行的, 在不大的温变范围, 材料的比热容是基本不变的, 因此, 显热储能的最大优点是在系统有效的使用寿命周期内, 其储能和释能过程是完全可逆的, 而目, 在系统运行过程中, 技术上需要考虑的不稳定因素较少, 因此, 显热储存系统结构简单, 运行方便, 但是, 其最重要的缺点是储能密度较小, 即单位体积所能储存的能量较少, 这就使得储能装置的体积往往过于庞大。

潜热储存, 即相变储能是利用物态转变过程中伴随的能量吸收和释放而进行的, 潜热储存比显热储存具有高得多的储能密度, 以水为例, 水在大气圧力下, 水沸腾其潜热约为2260kJ/kg,冰融化其潜热是355kJ/kg,而水在一个大气压下, 从20℃加热到40℃, 温差为20℃的显热仅为84kJ/kg,这就可以看出这两种储能方式效果的明显差别 。

那么, 相変储能技术的基本原理是什么?

物质从一种状态变到另一种状态叫相变, 物质的相变通常存在以下几种相变形式: 固一气、 液一气、 固一液, 而第四种固--固则是属于从一种结晶形式转变为另一形式的相转変, 相变过程一般是一等温或近似等温过程。相变过程中伴有能量的吸收或释放, 这部分能量称为相变潜热。相变潜热一般较大, 不同物质其相变潜热差别较大, 无机水合盐和有机酸的相变潛热在100~300kJ/kg,无机盐LiF 可高达1044kJ/k9,金属在40o~510kJ/kg之间, 利用这个特点, 我们可以在物质

升温过程吸收的相变潜热, 加上吸收的显热一起储存起来加以利用。

第三章相变储热材料的研究及应用方向

3.1技术研究

随着社会经济的发展，人类对能源的需求日益增加。为此，人们开始寻找绿色可再生能源去取代地球上日趋匮乏的资源，例如太阳能、风能、地热能等。然而，这些能源的间歇性给人类的利用带来极大不便，如何将能源进行很好的储存就显得尤为重要。

目前在热能领域，尽管多数采用显热方式进行储能，但其储热量小，放热不恒温、储热装置庞大等缺点已经影响了其进一步的应用。是否能够找到一种储热量大，且吸/放热量时其温度保持不变的材料呢？潜热储能（相变储能）方式的发现恰好解决了显热储能的缺憾。

国外对相变储能材料的研究工作始于20世纪60年代。最早是以节能为目的，从太阳能和风能的利用及废热回收，经过不断的发展，逐渐扩展到化工、航天、电子等领域。近年来最主要的研究和应用集中在建筑物的集中空调、采暖及被动式太阳房等领域。国外研究机构和科研人员对蓄热材料的理论研究工作，尤其是对蓄热材料的组成、蓄热容量随热循环变化情况、相变寿命、储存设备等进行了详细的研究，在实际应用上也取得了很大进展。

相对于已经进入实用阶段的发达国家，我国在20世纪70年代末80年代初才开始对蓄热材料进行研究，所以国内相变储能材料的理论和应用研究还比较薄弱。上世纪90年代中期以来，国内研究重点开始转向有机相变材料和复合定形相变材料的研究开发。

相变储能材料是基础, 因此在相变储能技术领域. 首先是研究和开发相变潜热大, 性能稳定和性价比高的相变材料。其次是应用, 主要涉及储能元件、储能换热器和储能系统的相变传热，相变材料与換热流体的对流相合換热, 材料的腐蚀与防护系统的设计等方面。

从20世纪70年代起, 国内外对传统的无机盐、无机水合盐、金属等相变材料进行了连续和系统的研究和应用。在我国, 20世纪70年代末80年代初, 中国科技大学、华中师范大学、中国科学院广州能源研究所等单位就开始了对无机盐、 无机水合盐、 金属等相变材料研究的工作。从2008年开始, 正在进行的 863计划研究将金属相变储能锅炉应用于太阳能热发电，20世纪90年代, 人们开始对有机相变材料进行研究, 包括测试相变材料的热物理性质、化学稳定性及对环保的影响等。

3.2具体应用

（1）通信、电力、信息领域

传统的设备冷却主要应用空调进行冷却, 这就导致大量的电力消耗。如果利用相变材料和冷却设备的相互交替进行冷却或相变空调冷却，大大的节省了电力的消耗。

传统的设备一般放在机房内，不论是城市还是野外建设一个机房都会面临占地面积大、耗时、耗材等问题，建好的机房还需要安装制冷备，完成这样的过程是非常不容易的。如果能把设备直放在一个恒温的机柜内这些问题迎刃而解，室外一体机柜即可代传统的机房。

（2）高舒适性纺织品领域

将微胶囊相变材料与纤维进行混合得到智能纤维相变材料，它可根据外界温度的变化，对人体皮肤表层做出相应的吸热或放热，从而使体表温度波动相对较小，进而提高舒适感、增强抵御恶劣环境的作用。目前，已利用这种技术研制出自调温被褥、自调温服装、自调温窗帘等产品。

（3）节能建筑领域

微胶囊相变材料可用于室内地板、墙体、天花板，相变材料玻璃等。相变材料通过与室内环境进行热量交换，使室内保持人体感觉较为舒适的温度。

（4）救生领域

将相变材料填装于设计好的救生舱中并配备一定的食品营养补给，放置于井下煤矿作业的固定地方。当发生意外时，作业人员快速进入相变救生舱，相变材料可提供一个舒适环境的作用，配备的食品延长了逃生人员的存活几率。同时，救生舱的固定位置也给营救节省了搜救时间，更有利营救的开展。

（5）用于冷却循环液

将微胶囊添加到冷却循环液中，悬浮的冷却液极大的提高了热传递能力和热储存能力。实验证明，含有微胶囊的冷却液其传热能力是单纯水的3倍多。

（6）废热回收

高温相变相变材料，可将工业上产生的大量废热予以储存，然后将其转移到生活、工作、生产等需要热量的领域，例如生活供暖，生

活用热水等。

（7）农业领域

将含水的相变材料胶囊与种子一起埋入土壤，以保证种子能够在沙漠等环境恶劣地区发芽生长。同时也可用于温室大棚，相变材料的吸热和放热功能，可以使白天和夜晚的棚内温度保持相对恒定，更好的促进农作物生长。

（8）其他领域

低温的相变材料可用于冷藏运输，食品保鲜等。生物细胞组织以及血液等需在低温、恒温条件下冷藏和运输。微胶囊与聚氨酯制成的泡沫材料可用于汽车内装饰，可使得阳光下的汽车内温度降低，从而可以降低夏季空调的使用量和提高刚进入汽车时的舒适性。同时，也可以将其涂于患者的手术部位，保持更适宜的温度和湿度，加速伤口愈合，减少感染。

第四章储热技术的发展前景

4.1政策背景

（1）中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年（2016—2020 年）规划纲要中指出支持战略性新兴产业发展。支持新一代信息技术、新能源汽车、生物技术、绿色低碳、高端装备与材料、数字创意等领域的产业发展壮大。大力推进先进半导体、机器人、增材制造、智能系统、新一代航空装备、空间技术综合服务系统、智能交通、精准医疗、高效储能与分布式能源系统、智能材料、高效节能环保、虚拟现实与互动影视等新兴前沿领域创新和产业化，形成一

批新增长点。

（2）《能源发展十三五规划》中主要任务之一就是实施多能互补集成优化工程。加强终端供能系统统筹规划和一体化建设，在新城镇、新工业园区、新建大型公用设施（机场、车站、医院、学校等）、商务区和海岛地区等新增用能区域，实施终端一体化集成供能工程，因地制宜推广天然气热电冷三联供、分布式再生能源发电、地热能供暖制冷等供能模式，加强热、电、冷、气等能源生产耦合集成和互补利用。在既有工业园区等用能区域，推进能源综合梯级利用改造，推广应用上述供能模式，加强余热余压、工业副产品、生活垃圾等能源资源回收及综合利用。利用大型综合能源基地风能、太阳能、水能、煤炭、天然气等资源组合优势，推进风光水火储多能互补工程建设运行。

实施电能替代工程。在新能源富集地区利用低谷富余电实施储能供暖。

（3）《电力发展十三五规划》中指出加强自主攻关，开展大容量机电储能、熔盐蓄热储能、高效化学电池储能等多种储能示范应用，大幅降低单位千瓦建设成本，力争接近抽水蓄能电站水平，加快推广应用。

实施电能替代，优化能源消费结构。立足能源清洁化发展和大气污染防治，以电能替代散烧煤、燃油为抓手，不断提高电能占终端能源消费比重、可再生能源占电力消费比重及电煤占煤炭消费比重。重点在居民采暖、生产制造、交通运输、电力供应与消费四个领域，推

广或试点电采暖、地能热泵、工业电锅炉（窑炉）、农业电排灌、船舶岸电、机场桥载设备、电蓄能调峰等。

（4）为贯彻落实《国务院关于印发大气污染防治行动计划的通知》（国发[2013]37号）、国家发展改革委等部门《关于印发的通知》（发改环资

[2014]2984号）、住房城乡建设部《关于印发“十二五”绿色建筑和绿色生态城区发展规划的通知》（建科 [2013]53号）等有关规定，充分回收利用低品位余热资源用于城镇供热，提高能源利用效率，减少煤炭消耗，改善空气质量，国家发展改革委、住房城乡建设部研究制定了《余热暖民工程实施方案》。旨在实现充分回收利用低品位余热资源用于城镇供热, 提高能源利用效率的同时, 减少煤炭消耗, 改善空气质量。