2020年9月，中國提出CO2排放力爭2030年達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，能源中長期發(fā)展的減排任務(wù)更加明確。中國能源轉(zhuǎn)型需要大規(guī)模開發(fā)利用清潔能源、提高電能在終端用能中的比重、大幅提升能源利用效率、應(yīng)用深度減排技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能源低碳化發(fā)展。其中探索“雙碳”目標(biāo)下先進(jìn)發(fā)電技術(shù)是從源端提升能源效率、構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

 

先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)是未來煤炭從主體能源向基礎(chǔ)能源轉(zhuǎn)變情境下的關(guān)鍵技術(shù)之一，節(jié)能提效綜合升級(jí)技術(shù)成為當(dāng)前研究重點(diǎn)；先進(jìn)整體煤氣化燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)（integrated gasification combined cycle，IGCC）和整體煤氣化燃料電池聯(lián)合循環(huán)（integrated gasification fuel cell combined cycle，IGFC）技術(shù)從煤炭的清潔利用角度為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供了技術(shù)選擇；而碳捕獲利用與封存技術(shù)（carbon capture utilization and storage，CCUS）可能是未來能源產(chǎn)業(yè)大規(guī)模減排CO2最重要的技術(shù)選擇；此外，探索燃煤發(fā)電與太陽能、生物質(zhì)等復(fù)合發(fā)電技術(shù)、超臨界CO2動(dòng)力循 環(huán)系統(tǒng)等先進(jìn)發(fā)電技術(shù)也是節(jié)省化石燃料、降低污染物排放、有效控制CO2排放的先進(jìn)發(fā)電技術(shù)之一。

 

本文主要綜述了幾種代表性的先進(jìn)發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展，展望了其未來發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)和方向，為“雙碳”目標(biāo)下建立能源清潔高效利用體系提供參考。

 

1 先進(jìn)發(fā)電技術(shù)國內(nèi)外研究進(jìn)展

 

1.1 先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)

 

1.1.1 二次再熱超超臨界機(jī)組

 

二次再熱機(jī)組是在一次再熱機(jī)組的基礎(chǔ)上重新加熱高溫蒸汽，即在超高壓缸和高壓缸設(shè)置二次再熱回路，將出口蒸汽再次送入鍋爐內(nèi)高、低壓再熱器進(jìn)行加熱，提升了蒸汽整個(gè)做工過程的平均吸熱溫度。工質(zhì)溫度越高，意味著其朗肯循環(huán)過程更接近卡諾循環(huán)，其發(fā)電效率更高。最早的二次再熱超超臨界機(jī)組投產(chǎn)于德國許爾斯化工廠，裝機(jī)容量為88 MW，蒸汽參數(shù)為31 MPa/600 ℃/565 ℃/ 565 ℃。德國、日本、美國是目前世界上投產(chǎn)二次再熱機(jī)組最多的3個(gè)國家。受限于高溫材料的腐蝕問題，從20世紀(jì)70年代后，二次再熱機(jī)組的新建機(jī)組數(shù)量大大減少。中國在“十二五”期間，將二次再熱超超臨界發(fā)電技術(shù)確定為重點(diǎn)研究和開發(fā)項(xiàng)目，“十三五”期間相繼在安源、泰州、萊蕪、蚌埠、宿遷、句容投產(chǎn)運(yùn)行6個(gè)二次再熱機(jī)組，蒸汽參數(shù)為31 MPa/600 ℃/610 ℃/610 ℃和31 MPa/ 600 ℃/620 ℃/620 ℃ 2種類型。

 

一般而言，主蒸汽溫度提高10 ℃，機(jī)組循環(huán)熱效率提升0.22百分點(diǎn)~0.25百分點(diǎn)；二次再熱蒸汽溫度提高10 ℃，機(jī)組循環(huán)熱效率提升0.14百分點(diǎn)~0.17百分點(diǎn)。目前國內(nèi)同樣蒸汽參數(shù)的機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，二次再熱機(jī)組的熱效率比一次再熱機(jī)組高2百分點(diǎn)~3百分點(diǎn)。表1為超超臨界機(jī)組主要參數(shù)對(duì)比情況。泰州1 000 MW超超臨界二次再熱機(jī)組發(fā)電煤耗達(dá)到256.2 g/(kW•h)；萊蕪電廠的1 000 MW二次再熱機(jī)組發(fā)電效率更是達(dá)到了48.12%，發(fā)電煤耗為255.29 g/(kW•h)。2017年，國內(nèi)首臺(tái)630 ℃超超臨界機(jī)組在大唐山東鄆城電廠投建，蒸汽參數(shù)達(dá)到35.5 MPa/616 ℃/631 ℃/ 631 ℃，設(shè)計(jì)發(fā)電煤耗為245.9 g/(kW•h)，鍋爐采用單爐膛、前后墻對(duì)沖燃燒、二次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣Π型鍋爐，汽輪機(jī)采用二次中間再熱、五缸四排汽、12級(jí)回?zé)?、雙背壓凝汽式。

 

目前，金屬材料的高溫服役性能仍是限制先進(jìn)能源轉(zhuǎn)化系統(tǒng)發(fā)展的首要問題。受限于奧氏體鋼的高溫腐蝕問題，再次提升蒸汽溫度就必須采用鎳基合金材料，機(jī)組成本急劇增加。同時(shí)，相對(duì)于一次再熱機(jī)組，二次再熱機(jī)組的汽水流程明顯增加，機(jī)組耦合控制技術(shù)更為復(fù)雜，在保證機(jī)組運(yùn)行效率的基礎(chǔ)上提高二次再熱機(jī)組的深度靈活調(diào)峰能力是未來的重點(diǎn)研究方向。

 

1.1.2 超超臨界循環(huán)流化床機(jī)組

 

循環(huán)流化床燃燒發(fā)電技術(shù)具有煤種適應(yīng)性廣、環(huán)保效益好、資源綜合利用率高等優(yōu)勢，能夠充分利用低熱值煤資源、高硫無煙煤、煤矸石等劣質(zhì)燃料，是理想的先進(jìn)低碳發(fā)電技術(shù)之一。目前，中國已成為世界上循環(huán)流化床鍋爐裝機(jī)容量最多的國家。2013年，四川白馬電廠超臨界600 MW循環(huán)流化床機(jī)組投產(chǎn)，蒸汽參數(shù)為25.4 MPa/571 ℃/ 569 ℃。數(shù)據(jù)顯示，該機(jī)組主要運(yùn)行指標(biāo)均達(dá)到國際先進(jìn)水平。

 

近年來，為提高機(jī)組熱效率，減少機(jī)組污染排放，國內(nèi)已開展超超臨界循環(huán)流化床鍋爐科技攻關(guān)，參數(shù)設(shè)置分別為26.25 MPa/605 ℃/603 ℃和29.4 MPa/605 ℃/623 ℃。相對(duì)于超臨界機(jī)組，超超臨界循環(huán)流化床機(jī)組的主蒸汽流量、溫度和壓力均升高，由此引發(fā)的熱力系統(tǒng)布置優(yōu)化問題、水動(dòng)力安全性問題、高溫受熱面壁溫安全性問題以及低負(fù)荷再熱蒸汽溫度問題仍在探索之中。但隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，循環(huán)流化床燃燒技術(shù)將作為先進(jìn)低碳發(fā)電技術(shù)之一，在中國逐步實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)中發(fā)揮重要作用。貴州威赫和陜西彬長2臺(tái)超超臨界660 MW循環(huán)流化床機(jī)組正式開建，將成為先進(jìn)低碳發(fā)電技術(shù)示范項(xiàng)目之一。未來，大型化、高參數(shù)、燃料適應(yīng)性廣的高效超超臨界循環(huán)流化床機(jī)組是發(fā)展方向，但仍須解決燃料摻燒靈活性、機(jī)組深度靈活調(diào)峰及副產(chǎn)品綜合利用等關(guān)鍵問題。

 

1.2 先進(jìn)IGCC與IGFC技術(shù)

 

IGCC和IGFC是潔凈煤發(fā)電技術(shù)中被認(rèn)為最具有前途的發(fā)電方式之一。它們可實(shí)現(xiàn)煤的完全清潔利用，且聯(lián)合循環(huán)效率高于傳統(tǒng)燃煤機(jī)組，但目前，尤其是當(dāng)前“雙碳”目標(biāo)下，要求配套CO2捕集系統(tǒng)時(shí)，其投資費(fèi)用和發(fā)電成本仍然較高。

 

IGCC由煤氣化、凈化系統(tǒng)和燃?xì)庹羝?lián)合發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合組成，通常煤粉經(jīng)氣化系統(tǒng)氣化后，經(jīng)過凈化系統(tǒng)除去主要污染物如硫化物、氮化物、粉塵等，變成清潔的氣體燃料，然后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒推動(dòng)燃?xì)馔钙阶龉?，排汽?jīng)過余熱鍋爐加熱給水，產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽推動(dòng)蒸汽透平做功。美國加利福尼亞州的冷水電站是世界上最早成功運(yùn)行的IGCC電站。目前，全球投運(yùn)IGCC電站已超過35座。中國首座自主設(shè)計(jì)和建造的IGCC電站為華能天津IGCC示范電站。其煤氣化系統(tǒng)采用“兩段式干煤粉加壓氣化技術(shù)”，2 000 t/d級(jí)全熱回收的廢鍋式氣化裝置，燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)部分選用了德國西門子公司的SGT2000E型燃?xì)廨啓C(jī)，蒸汽輪機(jī)為三壓再熱方式。2016年，國內(nèi)首套燃燒前CO2捕集裝置在該電站試驗(yàn)成功，煤清潔利用程度進(jìn)一步提高。目前，IGCC電站投資費(fèi)用較高，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)針對(duì)大型煤氣化技術(shù)、凈化技術(shù)、空氣分離技術(shù)、燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)以及系統(tǒng)集成控制技術(shù)已展開聯(lián)合攻關(guān)研究。

 

IGFC是將IGCC的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)替換成為燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，目前主要包括固體氧化物燃料電池和熔融碳酸鹽燃料電池系統(tǒng)。相比較IGCC系統(tǒng)，IGFC將煤氣化后的H2、CO通過燃料電池發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了熱力循環(huán)發(fā)電和電化學(xué)發(fā)電系統(tǒng)的耦合。一方面，燃料電池理論高溫余熱可通過余熱系統(tǒng)回收利用，綜合效率更高；另一方面，燃料電池系統(tǒng)終端排放物為純水和高濃度CO2，在布置碳捕捉收集系統(tǒng)后，完全實(shí)現(xiàn)清潔、低碳、高效循環(huán)，CO2近零排放。2019年，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)宣布投資73.3億日元開展IGFC示范工程研究，預(yù)計(jì)CO2捕集率超過90%，單位CO2排放量減少到590 g/(kW•h)，同時(shí)凈熱效率達(dá)到55%以上。中國于2017年7月啟動(dòng)IGFC國家重大專項(xiàng)項(xiàng)目資助。2020年10月，國內(nèi)首套20 kW級(jí)聯(lián)合煤氣化燃料電池在寧夏煤業(yè)實(shí)驗(yàn)基地試車成功。目前，IGFC處于起步階段，煤氣凈化提純技術(shù)、高溫燃料電池技術(shù)、系統(tǒng)耦合控制技術(shù)等相關(guān)技術(shù)研究正逐步開展。

 

1.3 CCUS技術(shù)

 

CCUS是把生產(chǎn)過程中排放的CO2進(jìn)行提純，繼而投入新的生產(chǎn)過程中進(jìn)行循環(huán)再利用。CCUS技術(shù)是碳捕獲與封存技術(shù)的升級(jí)，可實(shí)現(xiàn)CO2的循環(huán)再利用，主要包括先進(jìn)的CO2捕集技術(shù)，地質(zhì)、化工、生物和礦化等CO2利用前沿技術(shù)以及CO2地質(zhì)封存關(guān)鍵技術(shù)等。其中CO2捕集技術(shù)分為燃燒前捕集技術(shù)（物理吸附和化學(xué)吸收法等）、燃燒中控制（富氧燃燒）和燃燒后捕集技術(shù)（化學(xué)吸收法、吸附法、膜分離法等）；CO2利用包括提高石油采收率或者工業(yè)應(yīng)用（CO2衍生燃料、CO2衍生化學(xué)品、CO2衍生建筑材料以及利用CO2提高生物制品的產(chǎn)量）；CO2封存主要通過工程技術(shù)手段將其封存在儲(chǔ)油層、鹽層和不可開采的煤層等地下層，達(dá)到減排目的。

 

近年來，美國、歐盟、澳大利亞、加拿大、挪威等國家都制定了相應(yīng)研究計(jì)劃，開展CCUS技術(shù)的理論、試驗(yàn)、示范和應(yīng)用研究。僅2020年，就有17個(gè)商業(yè)CCUS項(xiàng)目開始啟動(dòng)。如英國Drax BECCS項(xiàng)目，將4臺(tái)生物質(zhì)機(jī)組中的1臺(tái)發(fā)電機(jī)組用來捕集CO2，預(yù)計(jì)每年可捕集400萬t CO2；美國Enchant能源公司碳捕獲與封存（carbon capture and storage，CCS）項(xiàng)目，通過燃燒后捕集技術(shù)每年捕集量高達(dá)600萬t CO2，用于提高二疊紀(jì)盆地的石油采收率；新西蘭塔拉納基地區(qū)Rivers Capital的波瓦凱項(xiàng)目，是一個(gè)集合制氫、生產(chǎn)化肥和發(fā)電的工業(yè)綜合體，該項(xiàng)目將使用天然氣為原料，并將部署CCS（CO2捕集量約為100萬t/a），實(shí)現(xiàn)近零排放。中國早在2007年國家發(fā)展和改革委員會(huì)公布的《中國應(yīng)該對(duì)氣候變化國家方案》中強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)開發(fā)CO2的捕獲與封存技術(shù)。2015年克拉瑪依敦化石油CCUS提高采收率（enhanced oil recovery，EOR）項(xiàng)目開始投運(yùn)，最大捕集能力為10萬t/a，采用工業(yè)分離技術(shù)，CO2用于強(qiáng)化采油；2018年，中石油吉林油田CO2EOR項(xiàng)目，最大捕集能力達(dá)到10萬t/a。此外，中石化勝利發(fā)電廠CCS項(xiàng)目和中石化齊魯石化CCS項(xiàng)目已進(jìn)入早期開發(fā)階段，預(yù)計(jì)CO2捕集能力分別為100萬t/a和40萬t/a。

 

目前，CCUS已進(jìn)入技術(shù)更新迭代階段。隨著CO2捕集機(jī)制（先進(jìn)溶劑、金屬有機(jī)框架材料等）、CO2利用新技術(shù)（CCS制氫技術(shù)、結(jié)合CCS的生物能利用技術(shù)）和CO2封存新技術(shù)（咸水層、枯竭油田封存）的不斷進(jìn)步，CCUS被廣泛認(rèn)為 是助力中國2030年前實(shí)現(xiàn)CO2達(dá)峰的可規(guī)模化 解決方案。

 

1.4 其他代表性技術(shù)

 

1.4.1 燃煤發(fā)電與太陽能、生物質(zhì)等復(fù)合發(fā)電技術(shù)

 

燃煤發(fā)電與太陽能復(fù)合發(fā)電技術(shù)路線是把太陽能作為燃煤機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)的熱源，全部或部分替代汽輪機(jī)抽汽；或把太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電引入廠用電系統(tǒng)，降低機(jī)組自身的廠用電率，實(shí)現(xiàn)燃煤機(jī)組和可再生能源發(fā)電共同發(fā)展，以燃煤電站龐大熱力系統(tǒng)的汽水特性來吸納不穩(wěn)定的可再生能源資源。2010年，美國科羅拉多州Xcel電站建成了世界上第一座太陽能集熱與燃煤集成互補(bǔ)電站，設(shè)置了8列150 m的槽式太陽能集熱系統(tǒng)與1臺(tái) 49 MW燃煤機(jī)組進(jìn)行集成。2012年10月，澳大利亞新南威爾士州配置了9.3 MW的太陽能蒸汽發(fā)生裝置的Liddel火電站Noval光熱-燃煤混合發(fā)電項(xiàng)目正式投運(yùn)。國內(nèi)尚無示范電站運(yùn)行，目前仍處于理論探索和試驗(yàn)研究階段。華北電力大學(xué)、中國科學(xué)院工程熱物理研究所、華中科技大學(xué)以及浙江大學(xué)等國內(nèi)科研院所從互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的能量遷移和能耗規(guī)律、系統(tǒng)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)以及性能評(píng)價(jià)等方面開展了大量研究。理論結(jié)果顯示，600 MW燃煤機(jī)組吸納最大容量太陽能熱量時(shí)，耦合系統(tǒng)的最大節(jié)煤量為8~14 g/(kW•h)。

 

此外，燃煤與生物質(zhì)、固廢耦合發(fā)電技術(shù)是未來經(jīng)濟(jì)高效、易于實(shí)施的燃煤電廠減碳的重要方向之一。一方面通過燃料部分替換可降低煤電機(jī)組的碳排放量，另一方面可綜合利用生物質(zhì)、固廢等資源，提高耦合機(jī)組發(fā)電靈活性。英國Drax電廠4臺(tái)660 MW燃煤機(jī)組經(jīng)過近15年的摻燒試驗(yàn)改進(jìn)，已改造成為100%燃燒生物質(zhì)顆粒燃料的機(jī)組。中國2018年批準(zhǔn)84個(gè)燃煤電廠生物質(zhì)耦合發(fā)電試點(diǎn)項(xiàng)目，其中大唐長山熱電廠超臨界660 MW燃煤機(jī)組耦合20 MW生物質(zhì)發(fā)電示范工程開始運(yùn)行，燃煤機(jī)組度電CO2排放約減少6%。未來在燃用生物質(zhì)的基礎(chǔ)上再采用CO2捕集和埋存，可實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放，是先進(jìn)發(fā)電技術(shù)的可選擇方式之一。

 

1.4.2 超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)

 

超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)采用高溫高壓超臨界CO2（304.13 K/7.377 MPa）作為循環(huán)工質(zhì)，利用其能量密度高、壓比小的特點(diǎn)，建立高參數(shù)、結(jié)構(gòu)緊湊的發(fā)電系統(tǒng)。相較于先進(jìn)超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，循環(huán)發(fā)電效率可提升4百分點(diǎn)~8百分點(diǎn)。2013年，美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室和法國電力公司先后提出超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)塔式太陽能電站和超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)燃煤發(fā)電機(jī)組的概念，并開展大量理論試驗(yàn)研究。2020年，西安熱工研究院有限公司已建成5 MW燃?xì)獬R界CO2試驗(yàn)平臺(tái)，并成功開展試運(yùn)行，極大促進(jìn)了超臨界CO2發(fā)電技術(shù)的推廣應(yīng)用和工程 示范。華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已建成300 kW燃煤超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)，是世界上首臺(tái)燃煤超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)原理樣機(jī)，為超高參數(shù)高效CO2燃煤發(fā)電基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；此外華北電力大學(xué)、西安交通大學(xué)、中國科學(xué)院工程熱物理研究所也相繼開展了超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)材料腐蝕特性和系統(tǒng)性能優(yōu)化研究等工作。

 

雖然超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)的高效靈活性引起了國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注，但高溫關(guān)鍵部件在超臨界CO2環(huán)境下高溫腐蝕問題、系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化問題、關(guān)鍵設(shè)備開發(fā)研制以及系統(tǒng)靈活性問題仍是限制超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

 

2 先進(jìn)發(fā)電技術(shù)研究展望

 

2.1 先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)提質(zhì)增效

 

先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢是提高蒸汽初參數(shù)，即提高朗肯循環(huán)的熱端平均溫度，進(jìn)而提高機(jī)組熱效率。但目前鐵素體/馬氏體耐熱鋼、奧氏體不銹鋼的使用溫度已達(dá)上限，開發(fā)630 ℃超超臨界燃煤機(jī)組技術(shù)需要加緊研發(fā)更高等級(jí)的耐熱鋼，如集箱和大口徑管道試驗(yàn)可選材料有鎳基合金617B、C-HRA-3等材料，鍋爐受熱面可選奧氏體鋼Sanicro25、Haynes282等材料。2011年6月，國家能源局正式啟動(dòng)700 ℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)研發(fā)計(jì)劃，初步確定以600 MW機(jī)組為示范電站，蒸汽參數(shù)為35 MPa/700 ℃/720 ℃。受限于奧氏體不銹鋼材料研制進(jìn)度影響及鎳基合金高昂的材料成本，“700 ℃計(jì)劃”進(jìn)展較為緩慢，仍未進(jìn)入示范驗(yàn)證階段，但更高參數(shù)的先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)是未來煤炭清潔利用的發(fā)展方向之一。

 

采用綜合系統(tǒng)節(jié)能提效技術(shù)是提高超超臨界發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性的科學(xué)方法之一：

 

1）開展超超臨界鍋爐水動(dòng)力、熱質(zhì)傳輸及與燃燒過程的耦合研究，如保證受熱面壁溫均勻可采用新型燃燒器抑或等離子點(diǎn)火或微油點(diǎn)火技術(shù)、組織良好的爐內(nèi)燃燒動(dòng)力場，合理設(shè)計(jì)聯(lián)箱及各級(jí)受熱面連接方式、精細(xì)設(shè)計(jì)節(jié)流孔和糾偏噴水減溫器等，通過分煙道設(shè)置擋板開度調(diào)節(jié)再熱汽溫等；

 

2）開展熱力循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化、余熱梯級(jí)利用研 究，如采用“二級(jí)省煤器+空預(yù)器旁路”煙氣余熱深度利用方案，采用雙機(jī)回?zé)釤崃ο到y(tǒng)或直接空冷機(jī)組全高位布置技術(shù)等；

 

3）開展超超臨界機(jī)組全工況能耗、污染物協(xié)同控制研究，如選擇性催化還原聯(lián)合脫硫脫硝脫汞一體化技術(shù)、活性焦脫硫脫硝脫汞技術(shù)以及副產(chǎn)物資源化利用技術(shù)等。

 

超超臨界循環(huán)流化床機(jī)組綜合環(huán)保性指標(biāo)較好，可實(shí)現(xiàn)低成本的超低排放和超低能耗，同時(shí)爐膛內(nèi)溫度（850~900 ℃）、熱流密度相對(duì)超超臨界燃煤機(jī)組都低很多，技術(shù)實(shí)現(xiàn)度相對(duì)容易，但仍需開展?fàn)t內(nèi)燃燒特性和傳熱規(guī)律研究。主要包括：

 

1）開展再熱器布局和結(jié)構(gòu)優(yōu)化、合理控制受熱面焓增，保證受熱面材料在許用溫度范圍內(nèi)；

 

2）開展配套輔機(jī)選型設(shè)計(jì)和技術(shù)研發(fā)工作；

 

3）開展污染物協(xié)同控制、綜合利用技術(shù)研究，如電除塵器、電袋除塵器和布袋除塵器的耦合優(yōu)化布置技術(shù)等。

 

2.2 顛覆性技術(shù)聯(lián)合科技攻關(guān)

 

2.2.1 IGCC技術(shù)

 

IGCC是先進(jìn)發(fā)電技術(shù)中比較成熟、而又最具發(fā)展前途的一種發(fā)電方式，提高其運(yùn)行可用率、降低投資費(fèi)用和發(fā)電成本是IGCC未來發(fā)展的主要方向。主要包括：

 

1）開展大容量、煤種適應(yīng)性廣的先進(jìn)煤氣化技術(shù)，如加壓固定床氣化技術(shù)、流化床氣化技術(shù)以及氣化床氣化技術(shù)（水煤漿水冷壁氣化技術(shù)、粉煤加壓氣化技術(shù)、催化氣化、超臨界水氣化、等離子氣化、加氫氣化）等；

 

2）適應(yīng)于IGCC的先進(jìn)F級(jí)、H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)開發(fā)研究，如GE公司9HA/7HA燃?xì)廨啓C(jī)、西門子SGT5-8000H燃?xì)廨啓C(jī)以及三菱公司M501J/M701J燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)等，另外重點(diǎn)在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒性能、結(jié)構(gòu)材料和涂層、增材制造工藝以及系統(tǒng)集成技術(shù)等方面開展聯(lián)合研究；

 

3）熱力系統(tǒng)余熱回收、梯級(jí)利用技術(shù)研究，如針對(duì)單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)開發(fā)非常規(guī)熱力循環(huán)以提高熱效率，將燃?xì)廨啓C(jī)與其他技術(shù)（如燃料電池）有效集成耦合混合燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)。

 

針對(duì)IGFC，可重點(diǎn)關(guān)注燃料電池技術(shù)的大容量電池堆組裝技術(shù)、電池隔離膜板技術(shù)以及系統(tǒng)集成技術(shù)研究。

 

2.2.2 CCUS技術(shù)

 

CCUS技術(shù)在“雙碳”目標(biāo)提出后迎來了新的發(fā)展，全國碳排放交易市場的建立為CCUS技術(shù)發(fā)展提供新的驅(qū)動(dòng)力。隨著第一代捕集技術(shù)（胺基吸收劑、常壓富氧燃燒等）的示范運(yùn)行，第二代捕集技術(shù)（新型膜分離技術(shù)、新型吸收技術(shù)、新型吸附技術(shù)、增壓富氧燃燒技術(shù)、化學(xué)鏈燃燒技術(shù)等）也正式開始試驗(yàn)驗(yàn)證，碳捕集的效率更高、能耗更低。電力行業(yè)迅速脫碳是實(shí)現(xiàn)凈零排放的關(guān)鍵所在。Allam-Fetvedt循環(huán)為實(shí)現(xiàn)低排放低成本CCS燃煤燃?xì)獍l(fā)電提供一條參考途徑。該循環(huán)以合成氣為燃料，比傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電成本更低，具有高靈活性、碳捕集能力，以及近零排放和水耗。此外，結(jié)合CCS的生物能技術(shù)和結(jié)合碳封存的直接空氣捕集技術(shù)是未來重要研究方向，美國伊利諾伊州Decatur乙醇工廠和瑞典的Climeworks公司已開始示范研究。

 

2.2.3 耦合發(fā)電技術(shù)

 

將波動(dòng)性、間歇性的太陽能等可再生能源與穩(wěn)定性、系統(tǒng)性好的燃煤系統(tǒng)進(jìn)行耦合可以進(jìn)一步減少化石燃料污染物排放，提升系統(tǒng)綜合利用效率。燃煤發(fā)電與太陽能等復(fù)合發(fā)電技術(shù)涉及光電轉(zhuǎn)換、化學(xué)燃燒、能量流耦合等復(fù)雜過程，目前研究集中在燃煤發(fā)電系統(tǒng)側(cè)、對(duì)集成方案和運(yùn)行模式的對(duì)比分析，對(duì)于復(fù)合系統(tǒng)工況特性、能量遷移機(jī)理和模型研究較少。未來，研究低品位的太陽能資源與燃煤電站高參數(shù)高品位工質(zhì)的集成機(jī)理，多種能源系統(tǒng)的能量傳輸機(jī)理和集成原理是重點(diǎn)方向之一。

 

生物質(zhì)、固廢與燃煤耦合混燒是未來降低煤電機(jī)組的碳排放量，加強(qiáng)燃煤發(fā)電的可持續(xù)性，以及煤電走向低碳化一條現(xiàn)實(shí)可行的路徑。探索優(yōu)化耦合燃燒技術(shù)，完善生物質(zhì)、固廢燃料儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)，加強(qiáng)污染物協(xié)同治理研究是當(dāng)前工程實(shí)際運(yùn)行中仍需關(guān)注的問題。此外，還應(yīng)積極推動(dòng)國家法規(guī)政策對(duì)燃煤電廠混燒生物質(zhì)、固廢等燃料進(jìn)行激勵(lì)和支持，促使更多的示范工程建成落地運(yùn)行。

 

2.2.4 超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)

 

超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)熱源可為化石能源、核能、太陽能等。美國Argonne國家實(shí)驗(yàn)室和西班牙Comillas Pontifical University集中研究了核能驅(qū)動(dòng)超臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)，韓國原子能研究所、英國曼徹斯特大學(xué)對(duì)超臨界CO2的變工況特性、傳熱過程、壓力機(jī)械及透平開展了系列研究，但目前仍未有示范系統(tǒng)。未來，超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)的材料腐蝕特性、系統(tǒng)循環(huán)特性、關(guān)鍵設(shè)備開發(fā)研制以及控制系統(tǒng)研發(fā)是研究重點(diǎn)。此外，煤粉在超臨界水中氧化后的復(fù)合工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)也是超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)的實(shí)現(xiàn)路徑之一。

 

3 總結(jié)與展望

 

1）先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)是當(dāng)前起基礎(chǔ)性托底作用的燃煤機(jī)組脫碳、零碳以及負(fù)碳進(jìn)程中最為重要的技術(shù)之一，應(yīng)進(jìn)一步探索大容量、高參數(shù)先進(jìn)發(fā)電機(jī)組，如630、700 ℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)、優(yōu)化二次再熱超超臨界燃煤發(fā)電系統(tǒng)，確保高參數(shù)機(jī)組高效低碳運(yùn)行。針對(duì)超超臨界循環(huán)流化床機(jī)組，應(yīng)進(jìn)一步提高機(jī)組可靠性和燃燒效率，協(xié)同控制污染物排放，發(fā)展更高蒸汽參數(shù)的循環(huán)流化床系統(tǒng)，持續(xù)提升發(fā)電效率，逐步實(shí)現(xiàn)近零排放。

 

2）先進(jìn)IGCC和IGFC技術(shù)是目前最受關(guān)注的潔凈煤技術(shù)，是煤炭從主體能源向基礎(chǔ)能源轉(zhuǎn)變情境下除超超臨界發(fā)電技術(shù)外實(shí)現(xiàn)燃煤發(fā)電近零排放技術(shù)的有力補(bǔ)充。在各個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化完善的基礎(chǔ)上，應(yīng)積極探索600~1 000 MW級(jí)IGCC電站以及兆瓦級(jí)IGFC電站示范工程建設(shè)，實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)業(yè)化升級(jí)。

 

3）CCUS技術(shù)一方面可應(yīng)用于化石能源的低碳利用方面，另一方面可實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能源的負(fù)碳排放，甚至在氫能等未來能源生產(chǎn)方面，它也將發(fā)揮重要的減排作用。目前仍需積極推進(jìn)CCUS商業(yè)化應(yīng)用，加大科技投入，重點(diǎn)研發(fā)第二代捕集技術(shù)及CO2規(guī)?；斔汀⑾冗M(jìn)發(fā)電技術(shù)與CCUS的深度耦合協(xié)同優(yōu)化技術(shù)等。

 

4）燃煤發(fā)電與太陽能、生物質(zhì)等復(fù)合發(fā)電技術(shù)、超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)以及其他先進(jìn)清潔低碳發(fā)電技術(shù)仍需加大聯(lián)合攻關(guān)力度，重點(diǎn)研究系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化、高溫材料研發(fā)等具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)發(fā)電技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。

 

引用本文格式

 

王哮江, 劉鵬, 李榮春, 等. “雙碳”目標(biāo)下先進(jìn)發(fā)電技術(shù)研究進(jìn)展及展望[J]. 熱力發(fā)電, 2022, 51(1): 52-59.

 

WANG Xiaojiang, LIU Peng, LI Rongchun, et al. Research progress and prospects of advanced power generation technology under the goal of carbon emission peak and carbon neutrality[J]. Thermal Power Generation, 2022, 51(1): 52-59.