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<650℃；低温余热，T<230℃。

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