- 文献综述(或调研报告)：
- S-CO2循环在燃煤发电的应用
一直以来,传统蒸汽循环燃煤发电机组主要依靠提升蒸汽参数来提高发电效率,其在超超临界状态(33 MPa/620℃)下发电效率可达47%[1]。在此水平上,蒸汽参数和发电效率的进一步提高则面临着材料耐高温腐蚀性能限制、投资高等重大难题。在加大超高参数燃煤发电材料研发和装置建设投入的同时,开发新型高效的动力循环发电系统也成为突破煤电发展瓶颈的重要技术途径之一。与蒸汽循环发电系统相比,以超临界二氧化碳为工质构建的闭式S-CO2循环燃煤发电系统在中高温状态能够提供更高的效率和功率密度[2, 3],仅在620℃-650℃时,其理论发电效率即可达到50%以上。
Ahn等[4]回顾总结了S-CO2布雷顿循环技术的发展现状,并强调其较高的循环效率、灵活性和紧凑性能够被广泛应用于核能、化石能、余热、可再生能等发电领域。美国8 Rivers Capital公司开发的Allam循环[5]将S-CO2循环用于富氧燃烧状态的火力发电厂,燃烧产生的CO2被100%捕集作为循环工质,水蒸气在充分加热换热器后冷凝成液态排出,因此该循环几乎没有气体排出,对环境友好。Allam循环中捕集的CO2除了可以作为循环工质参与S-CO2循环降低火力发电厂的平准化电力成本,还可以作为商品售出以降低CO2的捕集成本。
2、S-CO2锅炉难点
Thimsen [6]研究发现S-CO2锅炉与传统蒸汽锅炉设计存在较大差别。首先,回热量较大，工作流体入口温度明显更高,这使得炉体的冷却变得困难,导致尾部烟气温度远高于常规蒸汽锅炉；第二,更高的流量使得工作流体允许压降更低,使传热表面水力设计复杂,同时增加了从锅炉至涡轮的高能量管道的成本。故以S-CO2作为循环流化床的工质的燃煤锅炉,其结构尺寸、受热面布置与常规蒸汽锅炉具有较大差别。
3、S-CO2循环燃煤锅炉
燃煤发电系统的锅炉设备主要包括煤粉锅炉和流化床锅炉两种类型,现有S-CO2循环燃煤电站的锅炉大多采用煤粉锅炉。由于S-CO2再压缩循环(闭式/半闭式)中高、低温回热器对主压缩机和再压缩机出口工质的预热作用,使得S-CO2锅炉入口工质的平均温度约为500℃[7]，比水蒸汽锅炉高约200℃,炉内循环工质的整体温度相比于蒸汽锅炉明显上升,不能充分利用锅炉尾部烟气余热,导致锅炉效率下降。Moullec[8]设计的S-CO2循环燃煤发电系统抽取部分低温回热器冷侧出口工质进入锅炉尾部省煤器中加热,以提高锅炉尾部烟气热量利用率。国高级工程研究所(Institute of Advanced Engineering，IAE)[9]在Moullec提出的S-CO2再压缩燃煤循环的基础上,改变了高温回热器热侧出口热源工质的流向,在减小省煤器回收尾部余热压力的同时,也去除了低温回热器内工质吸热的能量损失,增大了锅炉的发电容量。
4、锅炉模块化分析处理
当 S-CO2 布雷顿循环用于燃煤电厂时,流量的显著增加导致存在不可接受的锅炉压降,出口烟温的增加也使得烟气的能量能量损失增多。而一般性采用在循环中引入中间冷却或再加热虽然明显提高了热效率,但极大的压降使循环性能明显恶化。因此采用锅炉模块化设计的局部流动策略,每个模块的流量和长度都减半,将压降降到总流量模式下的1/8。此时,CO2 锅炉的压降可以等于甚至小于超临界水蒸汽锅炉的压降,而在部分流态下主加热器的压降比总流态下的压降小了近一个数量级,解决了大规模的 S-CO2 循环需要超大型质量流量而存在不可接受锅炉压降的问题。
[1] Review of the coal-fired, over-supercritical and ultra-supercritical steam power plants[J].
[2] Sun E, Xu J, Li M, et al. Connected-top-bottom-cycle to cascade utilize flue gas heat for supercritical carbon dioxide coal fired power plant[J]. Energy Conversion and Management, 2018,172:138-154.DOI:10.1016/j.enconman.2018.07.017.
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