作者：李洪濤 1 張帥 1李旭東 1紀運廣 1 孫明旭 1李欣 2

　　單位：1. 河北科技大學機械工程學院；2. 國網河北能源技術服務有限公司

　　引用：李洪濤,張帥,李旭東等.單罐式儲能換熱系統在熱風無紡布工藝中的應用[J].儲能科學與技術,2022,11(07):2250-2257.

　　DOI：10./j.cnki.2095-

　　4239.2022.0106

　　摘 要 電費是無紡布纖維定型過程中除原料外的第二大生產成本，如何使其降低成為提高產品盈利的關鍵措施之一。基于國家為鼓勵電力的削峰填谷實施的“峰谷平電價”用電策略，提出一種基于儲能技術的纖維定型用單罐式儲能換熱系統，并對其關鍵部分的設計方法進行了闡述。結合河北某紡織企業的應用案例，通過理論計算，若采用儲能換熱系統與傳統纖維加熱裝置相比可節省用電成本約為38%；而實際上，由于單罐工質的循環使得換熱器出力下降，必須采用電加熱器方可保證工藝運行，實際節省用電成本為25%左右，經濟性良好。本文為儲能技術在紡織工業的應用和設計方法提供支持。關鍵詞 儲能技術；無紡布；熔融鹽；單罐目前，儲能技術包括物理儲能、化學儲能和電磁儲能三大類，儲熱技術在物理儲能中較為成熟，已經在電力和供暖行業得到廣泛應用，例如西班牙的Gemasolar電站和美國Solar Two系統是典型的采用熔鹽做傳熱蓄熱工質的太陽能熱發電系統，遼寧省阜新市海州區政府大樓“煤改電”項目是儲熱技術在供暖行業的應用。雙罐式熔鹽蓄熱可靠性高，但存在占地面積廣、儲熱介質需求量大等問題。為此，PaCheco等對單罐式儲熱罐內溫度場進行了數值模擬和實驗研究，研究結果證明了熔鹽單罐儲熱系統的可行性。目前，國內外學者大多研究熔鹽單罐內斜溫層的溫度變化規律，以提高儲罐的儲放熱效率，對于除供暖和發電的其他工程領域的應用研究較少。無紡布作為非織造布，廣泛應用于汽車、醫療衛生等行業，2020年中國產量約為210萬噸，占亞洲2/3。熱風無紡布纖維定型用的熱源來自熱風爐和電加熱兩種方式，由于天然氣供應的緊缺性及新能源的推廣，電加熱將成為主流方式，如何降低企業用電成本是提高產品盈利能力的關鍵。為此，本工作提出了一種基于熔鹽儲能技術的纖維定型用單罐式儲能換熱系統，并對儲熱材料的選擇、儲罐壁厚以及換熱器尺寸設計等關鍵部分做了闡述，結合應用實例對該系統與傳統裝置的經濟性進行了分析。圖1為傳統熱風無紡布工藝與單罐式儲能換熱系統對比，其中圖1(a)為傳統熱風無紡布工藝，纖維由傳送帶一側進入烘箱，烘箱的底部設置熱風的布風口，從布風口出來的熱風對纖維定型加熱，定型的無紡布從傳送帶的另一端輸出，加熱完的較低溫度熱風進入引風機，升壓后送入電加熱裝置，經電加熱器加熱至140 ℃后，返回到烘箱底部的布風口，形成內部加熱循環，為了使烘箱內部溫度場均勻，采用了冷風兩路對稱布置。無紡布生產電能的消耗主要用于纖維升溫的顯熱和定型時耗用的熔化熱。

　　圖1 傳統熱風無紡布工藝與單罐式儲能換熱系統對比為降低電能的消耗，在傳統熱風無紡布熱風纖維定型系統中添加了儲能裝置，包括熔鹽儲罐、熔鹽泵、復合式換熱器和控制系統等，形成單罐式儲能無紡布熱風定型系統，如圖1(b)所示，該系統可利用夜間的谷電對熔鹽加熱進行熱量的存儲，白天用電高峰時，則采用儲存在熔鹽的熱量加熱空氣，由于不同時段的電費不同，采用儲能裝置可實現降低電費的作用。單罐式儲能系統區別于雙罐式儲熱系統的核心在于熔鹽溫度隨時間推移逐漸降低。對于纖維定型用的熱風溫度，要保證變化范圍不超過±1.5 ℃，如何保證進入烘箱內熱風溫度是必須要考慮的，為此將原有電加熱器改造為復合式換熱器，具體的設計過程見下文。單罐式儲能熱風無紡布儲能換熱系統由熔鹽儲罐、換熱器、烘箱以及傳送裝置等組成。本文對系統關鍵設備的設計進行了簡要分析，具體為儲熱材料的選擇、儲罐和換熱器設計。表1為幾種不同熔鹽熱物性，熔融鹽常用儲熱材料有二元混合硝酸鹽solar salt(40% KNO3，60% NaNO3，質量分數)和三元混合硝酸鹽Hitec(40% NaNO2，7% NaNO3，53% KNO3)。因無紡布定型需要的熱風溫度為140 ℃，而換熱器壁面溫差一般高于60 ℃，考慮到液體對流換熱系數遠大于固體熱導率，為了強化換熱，應保證壁面溫度為200 ℃，熔鹽介質應為液體，所以選取Hitec作為工作介質。

　　表1 熔鹽熱物性

　　2.2.1　儲罐材料及設備布置方式熔鹽儲罐罐體常用材料為Q345R與316L，依據GB 150.2—2011，在450 ℃工作溫度下允許工作應力分別為66 MPa與84 MPa。316L材料Mo元素含量較高，具有較好的耐腐蝕性、耐高溫性和焊接性能。為降低儲罐在長期高溫環境下的σ相脆化和蠕變影響，材料選擇低碳奧氏體不銹鋼316L(022Cr17Ni12Mo2)。加熱器在儲罐上的布置方式分為頂部直插和側壁套裝兩種方式。頂部直插式電加熱棒的長度較大，有利于增大換熱面積，從而降低電加熱棒的壁面熱通量，但頂部直插式增大了頂部的承重；側壁套裝式，電加熱器的長度受到熔鹽儲罐直徑的限制，而且為了更換電加熱器時不發生熔鹽泄漏事故，需采用套管結構，電加熱棒與熔鹽之間并沒有直接接觸，使得電加熱棒的壁面溫度不能太高。為使罐內熔鹽可完全融化且受熱均勻，采用了頂部直插和側壁套裝相結合的布置方式。圖2為熔鹽單罐示意，由圖看出，本設計采用側壁均勻布置2層電加熱器，每層6根，頂部直插3根電加熱器。電加熱器功率共560 kW，既滿足了熔鹽受熱均勻，又保證了熔鹽罐結構安全性。熔鹽流量需不小于3.75 m3/h以保證循環周期內熔鹽換熱量，故泵選型為出口直徑32 mm的GY32-200型熔鹽泵，對稱布置于儲罐頂部，同時設置有填料口、壓力閥、雷達液位計、溫度傳感器。

　　圖2 熔鹽單罐2.2.2　儲罐尺寸電加熱器提供給熔鹽罐的熱量Q為：(1)式中，Q為熔鹽罐儲熱量，J；P為電加熱功率，kW；t1為儲熱時間，h；η為系統的熱效率，可取80%。熔鹽儲罐體積由熔鹽蓄熱量Q確定，熔鹽蓄熱量Q應滿足用電平時期及高峰時段熱風總的熱負荷Qc：(2)式中，Qc為換熱器熱負荷，kW；cp,c為空氣比熱容，kJ/(kg·K)；mc為空氣質量流量，kg/h；t2為釋熱時間，h；Tc為空氣傳熱溫差，K。所需的熔鹽量Mx為：(3)式中，k為熔鹽的附加裕量，可根據儲罐直徑及熔鹽泵*低吸入高度綜合計算確定；cp,l為熔融鹽比熱容，kJ/(kg·K)；Th為熔鹽工作溫度溫差，K。則熔鹽罐實際儲熱量為：(4)式中，Qh為熔鹽罐實際儲熱量，J。根據熔鹽量可確定熔鹽罐體積，熔鹽罐直徑d為：(5)式中，d為熔鹽罐直徑；b為富裕系數，b≥1.2；ρ為*高使用溫度下的熔鹽密度，kg/m3；n為儲罐高徑比，n=H/d；H為儲罐高度，m。暫不考慮開孔補強等因素，低溫熔鹽罐罐體厚度主要由*小計算厚度和厚度附加量兩部分確定，即：(6)式中，δ為儲罐的計算厚度，mm；Di為儲罐內直徑，mm；p為儲罐設計內壓力，MPa(熔鹽罐底所受*大靜壓力，ρgh)；[σ]t為儲罐在設計溫度下的許用壓力，MPa；φ為焊接接頭系數；K為計算厚度修正系數；C1為鋼板的厚度負偏差；C2為腐蝕裕量。無紡布纖維定型工藝的熔鹽空氣換熱器設計時要注意兩點。（1）熔鹽換熱器的“凍堵”問題。由于熔融鹽的熔點為142 ℃，常溫下熔鹽必然產生凝固現象，為了防止熔鹽凝固在換熱器內出現“凍堵”問題，采取了當熔鹽溫度低于壁面溫度200 ℃(設計值)倚靠自身重力作用回流至熔鹽罐的方案。具體的辦法為：熔鹽采用自下而上流動的方案，換熱器設置在整個系統的*上端；且熔鹽管路采用上下聯箱(分流槽)的單流程布局。（2）生產工藝中熱風溫度恒定問題。因為采用單罐式儲熱系統，經過換熱器后的冷工質返回熔鹽儲罐。在1個儲熱周期內，冷工質若不是單循環，其冷熱工質必然出現換熱而引起換熱器溫度的入口工質溫度變化，其換熱器的傳熱溫差變化，而熔鹽空氣換熱器的面積不變，換熱器的出口風溫則會不斷降低。采取了復合式換熱器的方式來解決，如圖3所示，具體的做法為：將熔鹽翅片管換熱器與電加熱翅片管加熱器串聯。空氣先經過熔鹽翅片管換熱器進行溫度的粗調，然后利用可控硅電加熱靈活的特點，進行電加熱翅片管加熱器溫度的精調，從而滿足生產工藝熱風的恒定。

　　圖3 熔鹽空氣復合式換熱器Fig. 3 Schematic diagram of molten-saltair composite heat exchanger電加熱翅片管加熱器的總功率應滿足熔鹽翅片管換熱器不工作時熱風工藝總的熱負荷需求，即總負荷為280 kW。熔鹽翅片管換熱器的設計方法如圖4所示。具體的計算過程為：①選取翅片參數與管內外工質參數；②通過空氣側熱負荷以及熱平衡方程式[式(2)和式(7)]確定熔鹽側出口溫度T′′；③確定對數平均傳熱溫差[式(8)]，計算傳熱面積A′[式(9)]；④由傳熱面積A′確定翅片管根數[式(10)]；⑤校核傳熱系數K′，若K′與K誤差不大于2%，則可認為初始假設可靠，換熱器設計計算由此結束，否則需要重新迭代假設傳熱系數K。

　　圖4 翅片式換熱器計算流程高溫熔融鹽循環流動時，熔鹽熱量傳遞至空氣側，暫不考慮能量損失，根據能量守恒原則熱風側熱負荷Qc[式(2)計算]等于熔融鹽側熱負荷，熔鹽側進出口溫差?Th為：(7)式中，λ為熱負荷安全系數，暫取值為1.1；Qc為換熱器熱負荷，kW；cp,l為熔鹽比熱容，J/(kg·K)；mh為熔鹽質量流量，kg/s。對數平均傳熱溫差?Tm為：(8)式中，T′為熔融鹽進口溫度，℃；T′′為熔融鹽出口溫度，℃；t′為空氣進口溫度，℃；t′′為空氣出口溫度，℃。熔融鹽側換熱面積為：(9)式中，Ψ為影響因子；ηc為肋(翅片)效率，取值0.93。所需翅片管根數：N=A'/A(10)式中，A′為總換熱面積，m2；A為單根翅片管的換熱面積，取值1.34 m2；應用威爾遜法對傳熱系數進行校核，則：(11)式中，K′為換熱器總傳熱系數，W/(m2·℃)；hi、ho為管內、外側對流換熱表面傳熱系數，W/(m2·℃)；Rw為管壁導熱熱阻，m2·℃/W；Rf為污垢熱阻，m2·℃/W(因換熱器為新加工，暫時忽略污垢熱阻)；do、di為管子內外直徑，m。依據河北省某無紡布生產開發出一套儲能加熱系統，系統的主要設計參數見表2。

　　表2 主要參數

　　由表2給出的參數，根據式(1)～式(6)對熔鹽罐進行了設計，計算結果見表3。

　　表3 熔鹽罐主要參數

　　由表2給出的參數，根據式(7)～式(11)對熔鹽翅片管換熱器進行了設計，計算結果見表4。

　　表4 換熱器主要參數

　　利用儲能技術的烘干系統在用電低谷時期仍采用傳統的280 kW電加熱器進行生產，同時以560 kW電加熱器為熔鹽罐儲熱。而在用電平時及高峰時段，則用熔鹽罐在用電低谷時期所儲熱量生產。相當于整日用電均為低谷時段，而傳統工藝每日用電則是低谷、平時及高峰3個時段。表5為6處具有代表性地區峰谷電價，各地雖峰谷電價時段有所不同，但各地各時段時間均為8 h，傳統烘干系統及利用儲能技術烘干系統的每日電費如下：(12)式中，S為成本費用，元；P為電加熱器功率，kW；si為階梯電價，元/度；ti為工作時長，h。

　　表5 峰谷電價收費標準

　　圖5為本無紡布設備在不同地區單日能耗費用對比。由圖看出，因各地峰谷電價時間段不同，當采用直接電加熱方式時，各地每日用電費用存在很大差異。浙江單日電費*高，為5032元；烏魯木齊單日電費*低，為2540元；河北省每日電費為3783元；江蘇、北京和上海三地每日電費相差不多，均在4300元左右。而由于各地峰谷電價有所差異，利用儲能技術的每日電費也有很大不同，但相比直接電加熱均有節省，上海和烏魯木齊節省成本比例*高，均為65%左右；河北地區節省比例*低，為38.28%；北京節省比例為48.34%；浙江和江蘇節省比例在57%左右。由此可知，雖然各地的電費計費方式存在差異，但若采用儲能供熱系統均能降低用電成本，降低用電成本比例與峰谷電價差值有關，峰谷電價差值越大，其用電成本降低的比例越大。

　　圖5 不同地區單日能耗費用對比按河北地區電價計算，應用該儲能系統單日可節省費用1448元，按每年生產330天計算，年節省費用約為47.8萬元。基礎設備成本預算見表6，包括設備改造、系統設計、材料購買，考慮到稅費等問題，該系統改造總費用約為133.6萬元，企業投資約3年可回收成本。

　　表6 制作成本預算

　　為了與傳統能源的能耗費用進行對比，將采用燃煤、燃氣、電加熱、電儲能4種供熱方式的每天能耗費用進行了比較。其中燃煤價格以秦皇島港2021年12月熱值為5000 kcal燃煤離岸價(810元/t)計算；天然氣價格以2021年5月石家莊管道天然氣第三梯隊價格(3.4元/m3)計算，即4.8元/kg。設定熱風爐效率按80%，則不同供熱方式單日能耗費用如圖6所示。由圖可以看出，燃煤方式成本明顯偏低，相較于直接電熱方式單日可節省2616元，約節省成本69%；采用燃氣供熱單日可節省759元，約節省成本20%；而采儲能供熱方式，單日可節省1448元，約節省成本38%。雖然燃煤價格明顯較低，但由于環保的要求，尤其是京津冀地區被**禁止；天然氣雖然比燃煤清潔，但我國具有“多煤、貧油、少氣”能源特點，到了冬季供暖季，若均采用天然氣供暖，必然造成氣荒，使得天然氣價格暴漲。因此，采用電儲能加熱不僅符合國家“雙碳目標”的實施，還可降低無紡布企業的生產成本，值得在紡織企業推廣。

　　圖6 4種不同供熱方式單日能耗費用對比圖7為耗電功率的理論值與實際值對比。在理論設計時，預期整個系統的供熱均來自夜間的谷電，如圖7中的理論預測電功率，工作時段為22:00—凌晨6:00采用谷電加熱，電加熱功率為840 kW；而實際運行時，由于單罐熔鹽的回流的影響，熔鹽罐內的溫度逐漸降低，使得進入熔鹽換熱器的介質溫度降低，換熱器的出力變小，輔助電加熱的功率隨之變大，由于熔鹽罐內溫度斜溫層的存在，輔助電加熱的加熱功率呈現階梯狀。每日用電量為陰影部分面積，通過計算理論用電量與實際用電量的比值，計算出儲能效率為89.8%，其主要能量損失為儲熱系統的熱損失和熔鹽泵的電耗。

　　圖7 耗電功率的理論值與實際值對比，采用常規電加熱，工作時段在夜間22:00—凌晨6:00時，電價為97元/h；工作時段為6:00—8:00、12:00—16:00和20:00—22:00時，電價為158元/h；工作時段為8:00—12:00和16:00—20:00時，電價為219元/h。采用儲能供熱時，則主要電費發生在22:00—凌晨6:00時，電價為273元/h。通過對不同工作方式每小時電費求和，可得到儲能供熱與常規電加熱每日的總電費，分別為2834元和3792元，儲能供熱相較于直接電熱單日可節約電費958元，每年可節約電費約31.6萬元，4年左右即可回收成本。

　　圖8 儲能供熱與常規電加熱每日電費對比針對無紡布生產工藝中熱風加熱費用高的缺點，提出了用電低谷時進行熔鹽儲能蓄熱，用電高峰時將存儲熔鹽的能量加熱熱風的工藝路線，利用電網峰谷電價差套利實現降低電費。結合實際工程得出以下結論：（1）采用單罐儲熱，具有布局靈活、投資成本低的特點，將電加熱器集成在單罐上是可行的，但電加熱器應采用頂部直插和側壁套裝相結合的布置方式。（2）在紡織工業應用熔鹽單罐加熱系統，不僅要考慮熔鹽的“凍堵”問題，還要考慮熱風溫度的恒定問題。可以通過加裝伴熱帶和換熱器*高點布置的方式緩解“凍堵”問題；為了維持熱風溫度恒定，應保留可控硅電加熱裝置。（3）不同地區峰谷電價政策不同，使得項目能耗的節約費用和回收年限有差別。通過熱風無紡布工藝中單罐式儲能換熱系統的應用表明：在河北南部，采用儲能供熱實際年節省電費約31.6萬元，項目的投資成本為133.6萬元，4年左右可回收成本，無紡布的儲能供熱系統具有較好的市場推廣價值。

　　**作者：李洪濤（1975—），男，博士，副教授，主要研究方向為新能源利用、儲能技術及強化換熱技術，E-mail：；

　　通訊作者：紀運廣，博士，副教授，主要從事液體壓力能量回收技術的相關研究，E-mail：。

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