“双碳”目标下先进煤炭清洁利用发电技术研究综述-第2页-北极星火力发电网

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1.2 先进燃煤发电技术在燃煤发电技术选择方面，高参数高效率的先进煤炭发电技术不断成熟发展，IGCC、超（超）临界循环流化床技术、S-CO2动力循环技术、超临界水煤氧化热力发电技术的发展成熟度和研究深度不同，在集成化程度、规模化建设、燃料使用普适性、系统成熟度等方面各具优势，成为建设低碳排放燃煤电站的主要方向。1.2.1 整体煤气化联合循环

IGCC是现阶段发展迅速且较为成熟的煤炭清洁高效发电技术之一，由煤气化部分和燃气-蒸汽联合循环部分构成，系统流程如图4所示，具有清洁高效、能源梯级利用的特点。其中煤气化部分主要包括气化炉、空气分离器和煤气净化装置，占系统能耗比重较高；燃气蒸汽联合循环装置包括燃气轮机发电系统、蒸汽轮机发电系统以及余热利用装置，可实现能量的梯级利用，具有较高的发电效率。目前IGCC发电的净效率可达43%~45%，污染物排放量相比于传统燃煤电站大大降低，脱硫率可达99%以上，CO2的捕捉成本相对较低[24]，是最具有大型工业化发展潜力的清洁煤炭利用发电技术。

图4 IGCC系统流程

Fig.4 Flow chart of IGCC system

1984年美国建成的Cool Water电站是世界上第一座实现长周期稳定运行的IGCC商业示范电站。近年来，美国、日本、欧洲等多国的国家能源战略均提出要大力发展IGCC技术。中国《能源技术革命创新行动计划（2016—2030）》中也将IGCC列为未来燃煤发电技术的重要发展方向。2012年投运的华能天津IGCC电站是中国首座自主设计和建造的IGCC电站，额定装机容量为265 MW，额定投煤量2 000 t/d，系统采用两段式干煤粉加压气化炉，显著降低了炉膛内热煤气温度，气化炉碳转化率高达98%以上，冷煤气效率达83%以上[25]。相比于未采用CO2捕集的燃煤电厂，IGCC电站的投资建设成本较高，存在更大的技术挑战，但是IGCC电站在燃烧前CO2捕集方面会更具技术优势[26]，有利于煤基发电技术的高效利用和零碳排放。

1.2.2 超（超）临界循环流化床技术循环流化床（circulating fluidized bed，CFB）燃烧技术是劣质煤炭清洁燃烧的最佳技术之一，适用的燃料范围广泛，包括低热值无烟煤、烟煤、煤矸石、生物质垃圾等，具有煤种适应性强、资源综合利用率高的优点[27]。近年来，为实现循环流化床大型化、高效率、低排放运行，高参数的超（超）临界循环流化床技术逐渐发展。超（超）临界循环流化床技术能够使燃料快速流体化，锅炉炉膛中热流密度在炉膛底部最高，并沿炉膛高度逐渐降低，相较于超（超）临界燃煤锅炉更有利于水冷壁结构的冷却，有利于保持炉膛热负荷分布均匀和壁温稳定[28]。同时超（超）临界循环流化床锅炉燃烧温度较低，烟气侧产生的结灰情况较少，有利于保持受热面洁净，具有换热效率高、污染物排放量低等优点。2009年3月，由美国Foster Wheeler公司设计建造了世界上第一台超临界循环流化床锅炉，即波兰Lagisza电厂460 MW超临界循环流化床锅炉，具有良好的燃料适应性，在商业运行中性能稳定。2012年由中国东方锅炉自主研发并建设的四川白马600 MW超临界循环流化床锅炉示范工程，是中国首台超临界循环流化床机组，以高灰高硫低热值贫煤为燃料，可以通过调节进入换热床循环灰的比例来调节床温和汽温，具有较好的灵活性。2020年9月，中国超临界循环流化床领域的技术水平进一步提高，东方锅炉研发的世界首台660 MW超临界循环流化床锅炉在山西平朔电厂通过试运行并顺利投运。超（超）临界循环流化床燃烧技术具备了超超临界燃煤锅炉热效率高的特点，同时兼具煤种适应性广、污染物排放低等优势，是煤炭清洁利用的发展方向之一。1.2.3 超临界CO2动力循环技术

由于S-CO2工质的优异性，S-CO2动力循环的循环效率比以水蒸气为循环工质的朗肯循环显著提高，S-CO2动力循环技术成为极具前景的新型发电方式。S-CO2动力循环技术是以超临界CO2（临界点为304.13 K/7.377 MPa）为循环工质的布雷顿循环系统[29]，简单系统示意如图5所示。S-CO2作为热力循环工质的主要优点为：（1）CO2的临界点较低，比H2O更容易达到超临界状态，具有更高的能量密度；（2）S-CO2动力循环系统结构更加紧凑，占地面积较小，其透平做功设备的体积可降至以水蒸气为循环工质的朗肯循环系统中汽轮机设备的1/10以下；（3）当温度高于550℃时，S-CO2动力循环系统的热效率可达45%以上，其发电效率比传统朗肯循环高5个百分点左右[30]。

图5 布雷顿循环系统示意

Fig.5 Schematic of Brayton cycle system

21世纪初以来，美国、西班牙等国开始对核能S-CO2循环开展研究。其中美国国家可再生能源实验室对集中式太阳能发电系统应用S-CO2循环进行了研究；法国电力公司提出了S-CO2循环燃气发电和碳捕捉耦合设计方式。2016年中国发布的《中国制造2025—能源装备实施方案》提出要加快S-CO2循环发电技术的研发和试验。2019年，华中科技大学煤燃烧国家重点实验室建成了300 kW超临界二氧化碳动力循环与燃煤锅炉系统，该系统S-CO2压力为30 MPa，温度为450℃，热功率为300 kW，为世界上首台300 kW燃煤S-CO2动力循环系统样机。2021年12月，中国华能集团自主研发的S-CO2循环发电试验机组顺利投运，机组运行的最高参数为600℃、20 MPa，发电功率为5 MW，是目前国内外运行参数最高、容量最大的S-CO2循环发电机组。

2022年4月，由国家能源局、科学技术部联合发布的《“十四五”能源领域科技创新规划》提出要研究煤炭清洁高效转化技术和先进燃煤发电技术，集中攻关S-CO2发电技术，示范试验开展10~50 MW级S-CO2发电工程。目前S-CO2动力循环技术的广泛应用受到热源设备材料性能、印刷电路板回热器系统及S-CO2压缩机设计等因素制约，但是相较于朗肯循环，S-CO2动力循环技术具有效率高、经济性好、结构紧凑且环境友好的特点，非常适用于分布式能源系统，是煤炭清洁利用发电技术的重要研究方向，同时有望与工业余热回收利用、可再生新能源发电系统、核能发电等耦合应用，将带来能源综合利用的技术变革。

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