“雙碳”目標(biāo)下先進(jìn)發(fā)電技術(shù)研究進(jìn)展及展望

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)能提效綜合升級技術(shù)成為當(dāng)前研究重點；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)確定為重點研究和開發(fā)項目，“十三五”期間相繼在安源、泰州、萊蕪、蚌埠、宿遷、句容投產(chǎn)運行6個二次再熱機(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~0.25百分點；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~0.17百分點。目前國內(nèi)同樣蒸汽參數(shù)的機(jī)組運行數(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~3百分點。表1為超超臨界機(jī)組主要參數(shù)對比情況。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)計發(fā)電煤耗為245.9 g/(kW•h)，鍋爐采用單爐膛、前后墻對沖燃燒、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，相對于一次再熱機(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，其投資費用和發(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行的IGCC電站。目前，全球投運IGCC電站已超過35座。中國首座自主設(shè)計和建造的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成功，煤清潔利用程度進(jìn)一步提高。目前，IGCC電站投資費用較高，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)針對大型煤氣化技術(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CO2捕集率超過90%，單位CO2排放量減少到590 g/(kW•h)，同時凈熱效率達(dá)到55%以上。中國于2017年7月啟動IGFC國家重大專項項目資助。2020年10月，國內(nèi)首套20 kW級聯(lián)合煤氣化燃料電池在寧夏煤業(yè)實驗基地試車成功。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，可實現(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)研究計劃，開展CCUS技術(shù)的理論、試驗、示范和應(yīng)用研究。僅2020年，就有17個商業(yè)CCUS項目開始啟動。如英國Drax BECCS項目，將4臺生物質(zhì)機(jī)組中的1臺發(fā)電機(jī)組用來捕集CO2，預(yù)計每年可捕集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的波瓦凱項目，是一個集合制氫、生產(chǎn)化肥和發(fā)電的工業(yè)綜合體，該項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），實現(xiàn)近零排放。中國早在2007年國家發(fā)展和改革委員會公布的《中國應(yīng)該對氣候變化國家方案》中強(qiáng)調(diào)重點開發(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）項目開始投運，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項目和中石化齊魯石化CCS項目已進(jìn)入早期開發(fā)階段，預(yù)計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年前實現(xiàn)CO2達(dá)峰的可規(guī)?；?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 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)電項目正式投運。國內(nèi)尚無示范電站運行，目前仍處于理論探索和試驗研究階段。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)計以及性能評價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，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660 MW燃煤機(jī)組經(jīng)過近15年的摻燒試驗改進(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個燃煤電廠生物質(zhì)耦合發(fā)電試點項目，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動力循環(huán)系統(tǒng)

 

超臨界CO2動力循環(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，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~8百分點。2013年，美國可再生能源實驗室和法國電力公司先后提出超臨界CO2動力循環(huán)塔式太陽能電站和超臨界CO2動力循環(huán)燃煤發(fā)電機(jī)組的概念，并開展大量理論試驗研究。2020年，西安熱工研究院有限公司已建成5 MW燃?xì)獬R界CO2試驗平臺，并成功開展試運行，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)煤燃燒國家重點實驗室已建成300 kW燃煤超臨界CO2動力循環(huán)系統(tǒng)，是世界上首臺燃煤超臨界CO2動力循環(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)研究奠定了堅實基礎(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)更高等級的耐熱鋼，如集箱和大口徑管道試驗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700 ℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)研發(fā)計劃，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 ℃計劃”進(jìn)展較為緩慢，仍未進(jìn)入示范驗證階段，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火或微油點火技術(shù)、組織良好的爐內(nèi)燃燒動力場，合理設(shè)計聯(lián)箱及各級受熱面連接方式、精細(xì)設(shè)計節(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、余熱梯級利用研 究，如采用“二級省煤器+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，可實現(xiàn)低成本的超低排放和超低能耗，同時爐膛內(nèi)溫度（850~900 ℃）、熱流密度相對超超臨界燃煤機(jī)組都低很多，技術(shù)實現(xiàn)度相對容易，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，提高其運行可用率、降低投資費用和發(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、H級燃?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、梯級利用技術(shù)研究，如針對單循環(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IGFC，可重點關(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）也正式開始試驗驗證，碳捕集的效率更高、能耗更低。電力行業(yè)迅速脫碳是實現(xiàn)凈零排放的關(guān)鍵所在。Allam-Fetvedt循環(huán)為實現(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)、對集成方案和運行模式的對比分析，對于復(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)、固廢燃料儲運技術(shù)，加強(qiáng)污染物協(xié)同治理研究是當(dāng)前工程實際運行中仍需關(guān)注的問題。此外，還應(yīng)積極推動國家法規(guī)政策對燃煤電廠混燒生物質(zhì)、固廢等燃料進(jìn)行激勵和支持，促使更多的示范工程建成落地運行。

 

2.2.4 超臨界CO2動力循環(huán)系統(tǒng)

 

超臨界CO2動力循環(huán)系統(tǒng)的驅(qū)動熱源可為化石能源、核能、太陽能等。美國Argonne國家實驗室和西班牙Comillas Pontifical University集中研究了核能驅(qū)動超臨界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。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動力循環(huán)的實現(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)組高效低碳運行。針對超超臨界循環(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)外實現(xiàn)燃煤發(fā)電近零排放技術(shù)的有力補(bǔ)充。在各個系統(tǒng)優(yōu)化完善的基礎(chǔ)上，應(yīng)積極探索600~1 000 MW級IGCC電站以及兆瓦級IGFC電站示范工程建設(shè)，實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)業(yè)化升級。

 

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，重點研究系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化、高溫材料研發(fā)等具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，實現(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.