965°C！DLR陶瓷颗粒技术将应用生产工业高温蒸汽

据路透社报道：外媒报道，意大利破土动工的HiFlex项目将使用德国航空航天中心（DLR）的陶瓷颗粒技术来达到极限温度，这是一种全新的利用集中式太阳能（CSH）系统为工业生产高温蒸汽。

图片来源：Barilla

据了解，HiFlex项目是DLR与7个国家的11个合作伙伴，包括全球最大的面食生产商Barilla共同研发欧盟项目——用于柔性能源系统的高存储密度光热发电项目。该项目将从欧盟的Horizon 2020研究计划中获得1,350万欧元（合1,600万美元）。

按计划该项目明年将在Barilla面食工厂中建造一个陶瓷颗粒为介质的塔式太阳能热发项目。据了解，DLR的离心式吸热器已经在德国Jülich项目的DLR吸热塔上完成了成功的测试，吸热器的出口处达到了965°C，比传统的熔盐塔式太阳能热发电出口温度的565°C更高，可大幅提升系统的效率。此外，DLR计划将于2021-22年在新墨西哥州桑迪亚的国家太阳能热测试设施（NSTTF）展示超过1000°C的温度。

HiFlex项目创新性地将陶瓷颗粒吸热器和专用蒸汽发生器集成到一个系统中，该系统还可用于高效朗肯循环发电。建成后，HiFlex每年将产生3,360兆瓦时的热能，约占工厂年热需求的6％，从而减少了对天然气的依赖。

据悉，Barilla在全球范围内拥有九家面食工厂，拥有众多面包店和酱料品牌，需要消耗大量的热能，从 2019年起，该公司使用的传统能源，就消耗了165 GWh（590 GJ）的热能。

负责安全，环境和能源的副总裁Luca Ruini对路透社活动表示，这种类型的太阳能热利用高温蒸汽系统可以安装在我们所有的面食工厂中，还可以应该于在其他，如调料需要过热水的食品生产中。

在由欧盟资助的PREMA财团支持下下，DLR已将陶瓷颗粒技术应用于太阳能生产蒸汽及工业余热利用中，以减少锰生产中的碳排放。该技术部门负责人Martina Neises-von Puttkamer表示，“DLR不但将陶瓷颗粒应用太阳能热发电，还将应用于像采矿和冶金业等需要高温加热的工业领域”

陶瓷颗粒可在400°C至1000°C的高温中运行

HiFlex项目中的塔式光热发电项目将6000㎡的定日镜把太阳通量引向吸热塔上的陶瓷颗粒吸热器。随着吸热器旋转，施加离心力以使深色的铝土矿颗粒（一种类似沙子的物质）沿室壁运动。作为传热介质（HTM），铝土矿可以在400°C至1000°C的温度范围内运行。这是熔盐塔式系统温度范围（290至565°C）的两倍，从而提高了热效率。

图：HTM温度范围对CSP组件成本的影响（资料来源：Reiner Buck（DLR），2018年）

HiFlex项目将配备一个2.5MWh的吸热器，一个20MWh的热能存储系统和一个0.8MWh的蒸汽发生器，该蒸汽发生器将在620°C的温度下提供蒸汽。该项目将在中午时段产生2.5MW的峰值热能，并利用存储提供800kW的连续 24小时供热 。随后，在降低压力和温度后，将过程热以135°C的温度提供给Barilla使用。

Neises-von Puttkamer说，“项目还将要分析的关键性能指标，包括入射的太阳通量，吸热器的进出口温度以及颗粒的质量流量。只有全面分析，才能在热效率方面提供使用性能。此外，项目还将重点关注蒸汽发生器的性能，因为该蒸汽发生器必须承受每分钟高达15°C的温度梯度，以及吸热塔顶部和底部之间的温差超过600°C。”

蒸汽发生器设计难题

HiFlex的高温颗粒系统需要定制的蒸汽发生器。蒸汽发生器体积相对较小，其尺寸为长1.5米，高1.8米的盒子，才能符合试点项目的要求，并采用与传统蒸汽发生器不同类型的钢制成。

据悉，工程小组John Cockerill将提供详细设计，而西班牙的Sugimat则负责制造。

Sugimat的技术服务和研发总监Xavier Mas表示：已考虑了多种因素，例如，交换器内达到的温度，导热系数和密度等。

John Cockerill的设计工程师兼项目协调员Antoine Guillick说，“蒸汽发生器顶部和底部之间的温度差异很大，给管板带来了很大的热应力。我们正在研究将U型管板垂直分割成小的U形块，从而将温度梯度分解成较小的台阶。“这但种设计尚未得到验证。” Guillick指出，管将由镍超合金材料制成，而不是由常规合金钢或不锈钢制成，以承受更高的温度。而管板则使用耐火合金来抵抗高温和陶瓷颗粒。此外，为了应对颗粒还产生表面磨损挑战，将在蒸汽发生器的内壳上放置一层绝缘材料。为此，设计小组正在研究耐磨耐火砖，以确保其功能。

蒸汽发生器将在西班牙瓦伦西亚的Sugimat工厂生产。虽然由于COVID-19使工作有些滞后，如，为发电机采购钢材一直是一个挑战，因为一些钢铁制造商在疫情期间停止了生产。

Xavier Mas说：“这不是一种很普通的钢，需要特定的尺寸，但是幸运的是，我们已经能够在工厂中获得制造所需的材料。”

根据目前的计划，Sugimat将在2021年1月至2021年6月之间生产出蒸汽发生器。

Guillick表示，设计工作已经步入正轨，到明年1月，主要设计问题将得到解决。