洁净煤技术

作者：吴柯, 鲍中凯, 段伦博, 黄宇

关键词：超临界二氧化碳,布雷顿循环,间接加热式,直接加热式,燃煤电站,传热,印刷电路板式换热器

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。

来源：2020年第01期

《洁净煤技术》期刊编辑部

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