东南大学段伦博教授为您讲解燃煤sCO2布雷顿循环及其工质传热特性研究进展速来围观

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,sCO2)布雷顿循环作为动力循环的主要优势是效率高、结构简单、系统紧凑、热源适应性广,有望在下一代核反应堆、燃煤电站、余热回收及可再生能源(太阳能、地热能等)领域得到大规模应用。sCO2循环燃煤电站的发展可分为以下2条路径:① 间接加热式sCO2循环取代蒸汽朗肯循环应用于燃煤电站,可与煤粉锅炉、循环流化床锅炉、富氧燃烧等技术相结合;② 发展更加高效且固有碳捕捉能力的直接加热式sCO2循环燃煤电站技术,与带有碳捕捉(carbon capture and storage,CCS)的整体煤气化联合循环(IGCC)电站竞争。

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,sCO2)布雷顿循环作为动力循环的主要优势是效率高、结构简单、系统紧凑、热源适应性广,有望在下一代核反应堆、燃煤电站、余热回收及可再生能源(太阳能、地热能等)领域得到大规模应用。作为新型动力循环工质的sCO2具有温和的临界点条件(31.1 ℃/7.38 MPa),同时在临界点附近物性变化剧烈。鉴于我国以煤为主的能源结构及严峻气候挑战,sCO2动力循环与富氧燃烧、流化床锅炉、煤气化等技术结合为实现煤炭的清洁高效低碳利用提供了新的思路。笔者分析了sCO2工质的性质,介绍了间接加热式和直接加热式两类sCO2布雷顿循环的基本原理,总结了sCO2动力循环应用于燃煤电站的研究进展。sCO2循环燃煤电站的发展可分为以下2条路径:① 间接加热式sCO2循环取代蒸汽朗肯循环应用于燃煤电站,可与煤粉锅炉、循环流化床锅炉、富氧燃烧等技术相结合;② 发展更加高效且固有碳捕捉能力的直接加热式sCO2循环燃煤电站技术,与带有碳捕捉(carbon capture and storage,CCS)的整体煤气化联合循环(IGCC)电站竞争。分析了sCO2动力循环与燃煤电站结合的多种技术方案,讨论不同方案的优势、技术挑战与发展方向。在此基础上,重点阐述了sCO2作为工质在常规管径圆管、细管道圆管、微细管道圆管及印刷电路板式换热器(printed circuit heat exchanger,PCHE)中的传热试验研究和传热特性,总结了sCO2工质在圆管内和PCHE内流动传热经验关联式并进行分析比较,同时介绍了sCO2工质流动传热的数值模拟研究。最后,从基础理论、系统设计、设备研发层面指出了现有研究的不足和对未来研究的展望。CO2减排在未来几十年将是燃煤发电的主要研究方向,具有更大效率优势和固有碳捕捉能力的直接加热式sCO2循环燃煤发电技术将引起更多关注。在我国将sCO2布雷顿循环应用于燃煤电站更具现实意义,目前我国关于sCO2循环发电技术的研究与国外仍存在相当差距,应依托超超临界燃煤发电机组和IGCC电站的技术积累,快速推动燃煤sCO2循环发电技术的研发进展。

sCO2动力循环采用超临界态的CO2作为循环工质,根据加热方式的不同可分为两大类:间接加热式循环和直接加热式循环[4]。间接加热式循环(闭式循环)在热源处通过换热器对进入透平前的工质进行加热;直接加热式循环(半闭式循环),循环过程中工质参与燃烧直接加热后进入透平做功。

sCO2布雷顿循环作为动力循环的主要优势是效率高、结构简单、系统紧凑、热源适应性广,有望在下一代核反应堆、燃煤电站、余热回收及可再生能源(太阳能、地热能等)领域得到大规模应用。鉴于我国以煤为主的能源结构及严峻气候挑战,sCO2动力循环与富氧燃烧、流化床锅炉、煤气化等技术结合为我国实现煤炭清洁高效低碳利用提供了新的思路。CO2减排在未来几十年将是燃煤发电的主要研究方向,具有更大效率优势和固有碳捕捉能力的直接加热式sCO2循环燃煤发电技术将引起更多学术界和工业界的关注,具有良好的应用前景。结合我国能源结构,将sCO2布雷顿循环应用于燃煤电站更具现实意义,建议今后的研究工作重点关注以下方面:

1)系统设计。间接加热式sCO2循环取代蒸汽朗肯循环应用于燃煤电站,结合燃煤热源的特点,优化sCO2循环流程设计,改进锅炉布置,解决目前间接加热式sCO2循环燃煤电站存在的热源处工质温升小、工质流量大、压降大、锅炉尾部排烟温度高等问题;开发效率更优、可实现完全碳捕集的直接加热式sCO2循环燃煤电站系统,可从气化类型、热量集成、流程配置等方面入手,优化系统整体性能,提高系统经济性;关注sCO2循环系统动态响应特性和非设计点性能,特别是系统在启停、紧急响应、负荷调整状态下系统的运行情况,提出sCO2循环系统的运行控制策略。

2)基础理论。目前关于sCO2工质的传热研究都是在小型试验装置上,流动和真实锅炉差距很大,应该加强在大型工程试验装置上的测试;目前关于煤合成气或煤粉在sCO2气氛下的燃烧特性试验报道较少,缺乏超临界条件下的燃烧特性参数,应开展sCO2条件下燃烧试验研究,建立超临界条件下的反应动力学机理;目前材料在sCO2气氛下的腐蚀行为研究存在获取时间较短的问题,更长试验时间、更真实的腐蚀试验有待进一步研究。

3)设备研发。国内外都在积极开展sCO2循环系统中关键部件设备的研发,主要集中在CO2压缩机、先进CO2透平、大容量回热器等,目前在实验室和小试规模阶段,应加快开展中试规模测试,积累测试数据和研发基础,推动sCO2循环燃煤电站早日商业化应用;针对直接加热式sCO2循环燃煤电站,面对系统更高参数的挑战需开发新型高温高压的燃烧室,同时为避免煤炭燃烧生成的颗粒物对循环中设备的安全运行和寿命造成威胁,研发高温高压条件下的高温除尘装置。

本文针对sCO2布雷顿循环工作原理及特性、应用于燃煤电站的技术方案与工质传热特性的研究进展进行了综述,介绍了间接式与直接式sCO2循环应用于燃煤电站发电的多种技术方案,总结了sCO2作为工质在圆管及PCHE内的对流传热特性,对今后的sCO2循环燃煤电站系统设计及其换热面布置研究工作具有一定参考意义。目前我国关于sCO2循环发电的研究尚处于起步阶段,与国外研究存在一定差距。《中国制造 2025—能源装备实施方案》正式提出发展sCO2循环发电技术,是缩小与国外差距、快速发展sCO2循环燃煤发电技术的重要机会。研究机构和企业应抓住这一重大发展机遇,依托超超临界燃煤发电机组和IGCC电站技术积累,加速推动sCO2循环燃煤发电技术的研发进程。

吴柯,鲍中凯,段伦博,等.燃煤sCO2布雷顿循环及其工质传热特性研究进展[J].洁净煤技术,2020,26(1):9-21.

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