作者：李洪涛 1 张帅 1李旭东 1纪运广 1 孙明旭 1李欣 2

　　单位：1. 河北科技大学机械工程学院；2. 国网河北能源技术服务有限公司

　　引用：李洪涛,张帅,李旭东等.单罐式储能换热系统在热风无纺布工艺中的应用[J].储能科学与技术,2022,11(07):2250-2257.

　　DOI：10./j.cnki.2095-

　　4239.2022.0106

　　摘 要 电费是无纺布纤维定型过程中除原料外的第二大生产成本，如何使其降低成为提高产品盈利的关键措施之一。基于国家为鼓励电力的削峰填谷实施的“峰谷平电价”用电策略，提出一种基于储能技术的纤维定型用单罐式储能换热系统，并对其关键部分的设计方法进行了阐述。结合河北某纺织企业的应用案例，通过理论计算，若采用储能换热系统与传统纤维加热装置相比可节省用电成本约为38%；而实际上，由于单罐工质的循环使得换热器出力下降，必须采用电加热器方可保证工艺运行，实际节省用电成本为25%左右，经济性良好。本文为储能技术在纺织工业的应用和设计方法提供支持。关键词 储能技术；无纺布；熔融盐；单罐目前，储能技术包括物理储能、化学储能和电磁储能三大类，储热技术在物理储能中较为成熟，已经在电力和供暖行业得到广泛应用，例如西班牙的Gemasolar电站和美国Solar Two系统是典型的采用熔盐做传热蓄热工质的太阳能热发电系统，辽宁省阜新市海州区政府大楼“煤改电”项目是储热技术在供暖行业的应用。双罐式熔盐蓄热可靠性高，但存在占地面积广、储热介质需求量大等问题。为此，PaCheco等对单罐式储热罐内温度场进行了数值模拟和实验研究，研究结果证明了熔盐单罐储热系统的可行性。目前，国内外学者大多研究熔盐单罐内斜温层的温度变化规律，以提高储罐的储放热效率，对于除供暖和发电的其他工程领域的应用研究较少。无纺布作为非织造布，广泛应用于汽车、医疗卫生等行业，2020年中国产量约为210万吨，占亚洲2/3。热风无纺布纤维定型用的热源来自热风炉和电加热两种方式，由于天然气供应的紧缺性及新能源的推广，电加热将成为主流方式，如何降低企业用电成本是提高产品盈利能力的关键。为此，本工作提出了一种基于熔盐储能技术的纤维定型用单罐式储能换热系统，并对储热材料的选择、储罐壁厚以及换热器尺寸设计等关键部分做了阐述，结合应用实例对该系统与传统装置的经济性进行了分析。图1为传统热风无纺布工艺与单罐式储能换热系统对比，其中图1(a)为传统热风无纺布工艺，纤维由传送带一侧进入烘箱，烘箱的底部设置热风的布风口，从布风口出来的热风对纤维定型加热，定型的无纺布从传送带的另一端输出，加热完的较低温度热风进入引风机，升压后送入电加热装置，经电加热器加热至140 ℃后，返回到烘箱底部的布风口，形成内部加热循环，为了使烘箱内部温度场均匀，采用了冷风两路对称布置。无纺布生产电能的消耗主要用于纤维升温的显热和定型时耗用的熔化热。

　　图1 传统热风无纺布工艺与单罐式储能换热系统对比为降低电能的消耗，在传统热风无纺布热风纤维定型系统中添加了储能装置，包括熔盐储罐、熔盐泵、复合式换热器和控制系统等，形成单罐式储能无纺布热风定型系统，如图1(b)所示，该系统可利用夜间的谷电对熔盐加热进行热量的存储，白天用电高峰时，则采用储存在熔盐的热量加热空气，由于不同时段的电费不同，采用储能装置可实现降低电费的作用。单罐式储能系统区别于双罐式储热系统的核心在于熔盐温度随时间推移逐渐降低。对于纤维定型用的热风温度，要保证变化范围不超过±1.5 ℃，如何保证进入烘箱内热风温度是必须要考虑的，为此将原有电加热器改造为复合式换热器，具体的设计过程见下文。单罐式储能热风无纺布储能换热系统由熔盐储罐、换热器、烘箱以及传送装置等组成。本文对系统关键设备的设计进行了简要分析，具体为储热材料的选择、储罐和换热器设计。表1为几种不同熔盐热物性，熔融盐常用储热材料有二元混合硝酸盐solar salt(40% KNO3，60% NaNO3，质量分数)和三元混合硝酸盐Hitec(40% NaNO2，7% NaNO3，53% KNO3)。因无纺布定型需要的热风温度为140 ℃，而换热器壁面温差一般高于60 ℃，考虑到液体对流换热系数远大于固体热导率，为了强化换热，应保证壁面温度为200 ℃，熔盐介质应为液体，所以选取Hitec作为工作介质。

　　表1 熔盐热物性

　　2.2.1　储罐材料及设备布置方式熔盐储罐罐体常用材料为Q345R与316L，依据GB 150.2—2011，在450 ℃工作温度下允许工作应力分别为66 MPa与84 MPa。316L材料Mo元素含量较高，具有较好的耐腐蚀性、耐高温性和焊接性能。为降低储罐在长期高温环境下的σ相脆化和蠕变影响，材料选择低碳奥氏体不锈钢316L(022Cr17Ni12Mo2)。加热器在储罐上的布置方式分为顶部直插和侧壁套装两种方式。顶部直插式电加热棒的长度较大，有利于增大换热面积，从而降低电加热棒的壁面热通量，但顶部直插式增大了顶部的承重；侧壁套装式，电加热器的长度受到熔盐储罐直径的限制，而且为了更换电加热器时不发生熔盐泄漏事故，需采用套管结构，电加热棒与熔盐之间并没有直接接触，使得电加热棒的壁面温度不能太高。为使罐内熔盐可完全融化且受热均匀，采用了顶部直插和侧壁套装相结合的布置方式。图2为熔盐单罐示意，由图看出，本设计采用侧壁均匀布置2层电加热器，每层6根，顶部直插3根电加热器。电加热器功率共560 kW，既满足了熔盐受热均匀，又保证了熔盐罐结构安全性。熔盐流量需不小于3.75 m3/h以保证循环周期内熔盐换热量，故泵选型为出口直径32 mm的GY32-200型熔盐泵，对称布置于储罐顶部，同时设置有填料口、压力阀、雷达液位计、温度传感器。

　　图2 熔盐单罐2.2.2　储罐尺寸电加热器提供给熔盐罐的热量Q为：(1)式中，Q为熔盐罐储热量，J；P为电加热功率，kW；t1为储热时间，h；η为系统的热效率，可取80%。熔盐储罐体积由熔盐蓄热量Q确定，熔盐蓄热量Q应满足用电平时期及高峰时段热风总的热负荷Qc：(2)式中，Qc为换热器热负荷，kW；cp,c为空气比热容，kJ/(kg·K)；mc为空气质量流量，kg/h；t2为释热时间，h；Tc为空气传热温差，K。所需的熔盐量Mx为：(3)式中，k为熔盐的附加裕量，可根据储罐直径及熔盐泵*低吸入高度综合计算确定；cp,l为熔融盐比热容，kJ/(kg·K)；Th为熔盐工作温度温差，K。则熔盐罐实际储热量为：(4)式中，Qh为熔盐罐实际储热量，J。根据熔盐量可确定熔盐罐体积，熔盐罐直径d为：(5)式中，d为熔盐罐直径；b为富裕系数，b≥1.2；ρ为*高使用温度下的熔盐密度，kg/m3；n为储罐高径比，n=H/d；H为储罐高度，m。暂不考虑开孔补强等因素，低温熔盐罐罐体厚度主要由*小计算厚度和厚度附加量两部分确定，即：(6)式中，δ为储罐的计算厚度，mm；Di为储罐内直径，mm；p为储罐设计内压力，MPa(熔盐罐底所受*大静压力，ρgh)；[σ]t为储罐在设计温度下的许用压力，MPa；φ为焊接接头系数；K为计算厚度修正系数；C1为钢板的厚度负偏差；C2为腐蚀裕量。无纺布纤维定型工艺的熔盐空气换热器设计时要注意两点。（1）熔盐换热器的“冻堵”问题。由于熔融盐的熔点为142 ℃，常温下熔盐必然产生凝固现象，为了防止熔盐凝固在换热器内出现“冻堵”问题，采取了当熔盐温度低于壁面温度200 ℃(设计值)倚靠自身重力作用回流至熔盐罐的方案。具体的办法为：熔盐采用自下而上流动的方案，换热器设置在整个系统的*上端；且熔盐管路采用上下联箱(分流槽)的单流程布局。（2）生产工艺中热风温度恒定问题。因为采用单罐式储热系统，经过换热器后的冷工质返回熔盐储罐。在1个储热周期内，冷工质若不是单循环，其冷热工质必然出现换热而引起换热器温度的入口工质温度变化，其换热器的传热温差变化，而熔盐空气换热器的面积不变，换热器的出口风温则会不断降低。采取了复合式换热器的方式来解决，如图3所示，具体的做法为：将熔盐翅片管换热器与电加热翅片管加热器串联。空气先经过熔盐翅片管换热器进行温度的粗调，然后利用可控硅电加热灵活的特点，进行电加热翅片管加热器温度的精调，从而满足生产工艺热风的恒定。

　　图3 熔盐空气复合式换热器Fig. 3 Schematic diagram of molten-saltair composite heat exchanger电加热翅片管加热器的总功率应满足熔盐翅片管换热器不工作时热风工艺总的热负荷需求，即总负荷为280 kW。熔盐翅片管换热器的设计方法如图4所示。具体的计算过程为：①选取翅片参数与管内外工质参数；②通过空气侧热负荷以及热平衡方程式[式(2)和式(7)]确定熔盐侧出口温度T′′；③确定对数平均传热温差[式(8)]，计算传热面积A′[式(9)]；④由传热面积A′确定翅片管根数[式(10)]；⑤校核传热系数K′，若K′与K误差不大于2%，则可认为初始假设可靠，换热器设计计算由此结束，否则需要重新迭代假设传热系数K。

　　图4 翅片式换热器计算流程高温熔融盐循环流动时，熔盐热量传递至空气侧，暂不考虑能量损失，根据能量守恒原则热风侧热负荷Qc[式(2)计算]等于熔融盐侧热负荷，熔盐侧进出口温差?Th为：(7)式中，λ为热负荷安全系数，暂取值为1.1；Qc为换热器热负荷，kW；cp,l为熔盐比热容，J/(kg·K)；mh为熔盐质量流量，kg/s。对数平均传热温差?Tm为：(8)式中，T′为熔融盐进口温度，℃；T′′为熔融盐出口温度，℃；t′为空气进口温度，℃；t′′为空气出口温度，℃。熔融盐侧换热面积为：(9)式中，Ψ为影响因子；ηc为肋(翅片)效率，取值0.93。所需翅片管根数：N=A'/A(10)式中，A′为总换热面积，m2；A为单根翅片管的换热面积，取值1.34 m2；应用威尔逊法对传热系数进行校核，则：(11)式中，K′为换热器总传热系数，W/(m2·℃)；hi、ho为管内、外侧对流换热表面传热系数，W/(m2·℃)；Rw为管壁导热热阻，m2·℃/W；Rf为污垢热阻，m2·℃/W(因换热器为新加工，暂时忽略污垢热阻)；do、di为管子内外直径，m。依据河北省某无纺布生产开发出一套储能加热系统，系统的主要设计参数见表2。

　　表2 主要参数

　　由表2给出的参数，根据式(1)～式(6)对熔盐罐进行了设计，计算结果见表3。

　　表3 熔盐罐主要参数

　　由表2给出的参数，根据式(7)～式(11)对熔盐翅片管换热器进行了设计，计算结果见表4。

　　表4 换热器主要参数

　　利用储能技术的烘干系统在用电低谷时期仍采用传统的280 kW电加热器进行生产，同时以560 kW电加热器为熔盐罐储热。而在用电平时及高峰时段，则用熔盐罐在用电低谷时期所储热量生产。相当于整日用电均为低谷时段，而传统工艺每日用电则是低谷、平时及高峰3个时段。表5为6处具有代表性地区峰谷电价，各地虽峰谷电价时段有所不同，但各地各时段时间均为8 h，传统烘干系统及利用储能技术烘干系统的每日电费如下：(12)式中，S为成本费用，元；P为电加热器功率，kW；si为阶梯电价，元/度；ti为工作时长，h。

　　表5 峰谷电价收费标准

　　图5为本无纺布设备在不同地区单日能耗费用对比。由图看出，因各地峰谷电价时间段不同，当采用直接电加热方式时，各地每日用电费用存在很大差异。浙江单日电费*高，为5032元；乌鲁木齐单日电费*低，为2540元；河北省每日电费为3783元；江苏、北京和上海三地每日电费相差不多，均在4300元左右。而由于各地峰谷电价有所差异，利用储能技术的每日电费也有很大不同，但相比直接电加热均有节省，上海和乌鲁木齐节省成本比例*高，均为65%左右；河北地区节省比例*低，为38.28%；北京节省比例为48.34%；浙江和江苏节省比例在57%左右。由此可知，虽然各地的电费计费方式存在差异，但若采用储能供热系统均能降低用电成本，降低用电成本比例与峰谷电价差值有关，峰谷电价差值越大，其用电成本降低的比例越大。

　　图5 不同地区单日能耗费用对比按河北地区电价计算，应用该储能系统单日可节省费用1448元，按每年生产330天计算，年节省费用约为47.8万元。基础设备成本预算见表6，包括设备改造、系统设计、材料购买，考虑到税费等问题，该系统改造总费用约为133.6万元，企业投资约3年可回收成本。

　　表6 制作成本预算

　　为了与传统能源的能耗费用进行对比，将采用燃煤、燃气、电加热、电储能4种供热方式的每天能耗费用进行了比较。其中燃煤价格以秦皇岛港2021年12月热值为5000 kcal燃煤离岸价(810元/t)计算；天然气价格以2021年5月石家庄管道天然气第三梯队价格(3.4元/m3)计算，即4.8元/kg。设定热风炉效率按80%，则不同供热方式单日能耗费用如图6所示。由图可以看出，燃煤方式成本明显偏低，相较于直接电热方式单日可节省2616元，约节省成本69%；采用燃气供热单日可节省759元，约节省成本20%；而采储能供热方式，单日可节省1448元，约节省成本38%。虽然燃煤价格明显较低，但由于环保的要求，尤其是京津冀地区被**禁止；天然气虽然比燃煤清洁，但我国具有“多煤、贫油、少气”能源特点，到了冬季供暖季，若均采用天然气供暖，必然造成气荒，使得天然气价格暴涨。因此，采用电储能加热不仅符合国家“双碳目标”的实施，还可降低无纺布企业的生产成本，值得在纺织企业推广。

　　图6 4种不同供热方式单日能耗费用对比图7为耗电功率的理论值与实际值对比。在理论设计时，预期整个系统的供热均来自夜间的谷电，如图7中的理论预测电功率，工作时段为22:00—凌晨6:00采用谷电加热，电加热功率为840 kW；而实际运行时，由于单罐熔盐的回流的影响，熔盐罐内的温度逐渐降低，使得进入熔盐换热器的介质温度降低，换热器的出力变小，辅助电加热的功率随之变大，由于熔盐罐内温度斜温层的存在，辅助电加热的加热功率呈现阶梯状。每日用电量为阴影部分面积，通过计算理论用电量与实际用电量的比值，计算出储能效率为89.8%，其主要能量损失为储热系统的热损失和熔盐泵的电耗。

　　图7 耗电功率的理论值与实际值对比，采用常规电加热，工作时段在夜间22:00—凌晨6:00时，电价为97元/h；工作时段为6:00—8:00、12:00—16:00和20:00—22:00时，电价为158元/h；工作时段为8:00—12:00和16:00—20:00时，电价为219元/h。采用储能供热时，则主要电费发生在22:00—凌晨6:00时，电价为273元/h。通过对不同工作方式每小时电费求和，可得到储能供热与常规电加热每日的总电费，分别为2834元和3792元，储能供热相较于直接电热单日可节约电费958元，每年可节约电费约31.6万元，4年左右即可回收成本。

　　图8 储能供热与常规电加热每日电费对比针对无纺布生产工艺中热风加热费用高的缺点，提出了用电低谷时进行熔盐储能蓄热，用电高峰时将存储熔盐的能量加热热风的工艺路线，利用电网峰谷电价差套利实现降低电费。结合实际工程得出以下结论：（1）采用单罐储热，具有布局灵活、投资成本低的特点，将电加热器集成在单罐上是可行的，但电加热器应采用顶部直插和侧壁套装相结合的布置方式。（2）在纺织工业应用熔盐单罐加热系统，不仅要考虑熔盐的“冻堵”问题，还要考虑热风温度的恒定问题。可以通过加装伴热带和换热器*高点布置的方式缓解“冻堵”问题；为了维持热风温度恒定，应保留可控硅电加热装置。（3）不同地区峰谷电价政策不同，使得项目能耗的节约费用和回收年限有差别。通过热风无纺布工艺中单罐式储能换热系统的应用表明：在河北南部，采用储能供热实际年节省电费约31.6万元，项目的投资成本为133.6万元，4年左右可回收成本，无纺布的储能供热系统具有较好的市场推广价值。

　　**作者：李洪涛（1975—），男，博士，副教授，主要研究方向为新能源利用、储能技术及强化换热技术，E-mail：；

　　通讯作者：纪运广，博士，副教授，主要从事液体压力能量回收技术的相关研究，E-mail：。

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