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    “雙碳”目標下先進發電技術研究進展及展望 北極星電力網新聞中心 來源:熱力發電 作者:王哮江 等 2022/1/28 16:59:55
    日期:2022年01月29日 09:2822

    北極星火力發電網訊:2020年9月,中國提出CO2排放力爭2030年達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和,能源中長期發展的減排任務更加明確。中國能源轉型需要大規模開發利用清潔能源、提高電能在終端用能中的比重、大幅提升能源利用效率、應用深度減排技術,實現能源低碳化發展。其中探索“雙碳”目標下先進發電技術是從源端提升能源效率、構建清潔低碳、安全高效能源體系的關鍵環節之一。


    先進超超臨界發電技術是未來煤炭從主體能源向基礎能源轉變情境下的關鍵技術之一,節能提效綜合升級技術成為當前研究重點;先進整體煤氣化燃氣蒸汽聯合循環(integrated gasification combined cycle,IGCC)和整體煤氣化燃料電池聯合循環(integrated gasification fuel cell combined cycle,IGFC)技術從煤炭的清潔利用角度為實現“雙碳”目標提供了技術選擇;而碳捕獲利用與封存技術(carbon capture utilization and storage,CCUS)可能是未來能源產業大規模減排CO2最重要的技術選擇;此外,探索燃煤發電與太陽能、生物質等復合發電技術、超臨界CO2動力循 環系統等先進發電技術也是節省化石燃料、降低污染物排放、有效控制CO2排放的先進發電技術之一。


    本文主要綜述了幾種代表性的先進發電技術的研究進展,展望了其未來發展的關鍵技術和方向,為“雙碳”目標下建立能源清潔高效利用體系提供參考。


    1 先進發電技術國內外研究進展


    1.1 先進超超臨界發電技術


    1.1.1 二次再熱超超臨界機組


    二次再熱機組是在一次再熱機組的基礎上重新加熱高溫蒸汽,即在超高壓缸和高壓缸設置二次再熱回路,將出口蒸汽再次送入鍋爐內高、低壓再熱器進行加熱,提升了蒸汽整個做工過程的平均吸熱溫度。工質溫度越高,意味著其朗肯循環過程更接近卡諾循環,其發電效率更高。最早的二次再熱超超臨界機組投產于德國許爾斯化工廠,裝機容量為88 MW,蒸汽參數為31 MPa/600 ℃/565 ℃/ 565 ℃。德國、日本、美國是目前世界上投產二次再熱機組最多的3個國家。受限于高溫材料的腐蝕問題,從20世紀70年代后,二次再熱機組的新建機組數量大大減少。中國在“十二五”期間,將二次再熱超超臨界發電技術確定為重點研究和開發項目,“十三五”期間相繼在安源、泰州、萊蕪、蚌埠、宿遷、句容投產運行6個二次再熱機組,蒸汽參數為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 ℃,機組循環熱效率提升0.22百分點~0.25百分點;二次再熱蒸汽溫度提高10 ℃,機組循環熱效率提升0.14百分點~0.17百分點。目前國內同樣蒸汽參數的機組運行數據顯示,二次再熱機組的熱效率比一次再熱機組高2百分點~3百分點。表1為超超臨界機組主要參數對比情況。泰州1 000 MW超超臨界二次再熱機組發電煤耗達到256.2 g/(kW?h);萊蕪電廠的1 000 MW二次再熱機組發電效率更是達到了48.12%,發電煤耗為255.29 g/(kW?h)。2017年,國內首臺630 ℃超超臨界機組在大唐山東鄆城電廠投建,蒸汽參數達到35.5 MPa/616 ℃/631 ℃/ 631 ℃,設計發電煤耗為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、固態排渣Π型鍋爐,汽輪機采用二次中間再熱、五缸四排汽、12級回熱、雙背壓凝汽式。


    表1 超超臨界機組主要參數對比情況


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    目前,金屬材料的高溫服役性能仍是限制先進能源轉化系統發展的首要問題。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,機組成本急劇增加。同時,相對于一次再熱機組,二次再熱機組的汽水流程明顯增加,機組耦合控制技術更為復雜,在保證機組運行效率的基礎上提高二次再熱機組的深度靈活調峰能力是未來的重點研究方向。


    1.1.2 超超臨界循環流化床機組


    循環流化床燃燒發電技術具有煤種適應性廣、環保效益好、資源綜合利用率高等優勢,能夠充分利用低熱值煤資源、高硫無煙煤、煤矸石等劣質燃料,是理想的先進低碳發電技術之一。目前,中國已成為世界上循環流化床鍋爐裝機容量最多的國家。2013年,四川白馬電廠超臨界600 MW循環流化床機組投產,蒸汽參數為25.4 MPa/571 ℃/ 569 ℃。數據顯示,該機組主要運行指標均達到國際先進水平。


    近年來,為提高機組熱效率,減少機組污染排放,國內已開展超超臨界循環流化床鍋爐科技攻關,參數設置分別為26.25 MPa/605 ℃/603 ℃和29.4 MPa/605 ℃/623 ℃。相對于超臨界機組,超超臨界循環流化床機組的主蒸汽流量、溫度和壓力均升高,由此引發的熱力系統布置優化問題、水動力安全性問題、高溫受熱面壁溫安全性問題以及低負荷再熱蒸汽溫度問題仍在探索之中。但隨著“雙碳”目標的提出,循環流化床燃燒技術將作為先進低碳發電技術之一,在中國逐步實現碳中和目標中發揮重要作用。貴州威赫和陜西彬長2臺超超臨界660 MW循環流化床機組正式開建,將成為先進低碳發電技術示范項目之一。未來,大型化、高參數、燃料適應性廣的高效超超臨界循環流化床機組是發展方向,但仍須解決燃料摻燒靈活性、機組深度靈活調峰及副產品綜合利用等關鍵問題。


    1.2 先進IGCC與IGFC技術


    IGCC和IGFC是潔凈煤發電技術中被認為最具有前途的發電方式之一。它們可實現煤的完全清潔利用,且聯合循環效率高于傳統燃煤機組,但目前,尤其是當前“雙碳”目標下,要求配套CO2捕集系統時,其投資費用和發電成本仍然較高。


    IGCC由煤氣化、凈化系統和燃氣蒸汽聯合發電系統聯合組成,通常煤粉經氣化系統氣化后,經過凈化系統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,然后進入燃氣輪機燃燒推動燃氣透平做功,排汽經過余熱鍋爐加熱給水,產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。中國首座自主設計和建造的IGCC電站為華能天津IGCC示范電站。其煤氣化系統采用“兩段式干煤粉加壓氣化技術”,2 000 t/d級全熱回收的廢鍋式氣化裝置,燃氣蒸汽聯合循環部分選用了德國西門子公司的SGT2000E型燃氣輪機,蒸汽輪機為三壓再熱方式。2016年,國內首套燃燒前CO2捕集裝置在該電站試驗成功,煤清潔利用程度進一步提高。目前,IGCC電站投資費用較高,國內外研究機構針對大型煤氣化技術、凈化技術、空氣分離技術、燃氣輪機技術以及系統集成控制技術已展開聯合攻關研究。


    IGFC是將IGCC的燃氣蒸汽聯合循環發電系統替換成為燃料電池發電系統,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。相比較IGCC系統,IGFC將煤氣化后的H2、CO通過燃料電池發電,實現了熱力循環發電和電化學發電系統的耦合。一方面,燃料電池理論高溫余熱可通過余熱系統回收利用,綜合效率更高;另一方面,燃料電池系統終端排放物為純水和高濃度CO2,在布置碳捕捉收集系統后,完全實現清潔、低碳、高效循環,CO2近零排放。2019年,日本新能源產業技術綜合開發機構宣布投資73.3億日元開展IGFC示范工程研究,預計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,國內首套20 kW級聯合煤氣化燃料電池在寧夏煤業實驗基地試車成功。目前,IGFC處于起步階段,煤氣凈化提純技術、高溫燃料電池技術、系統耦合控制技術等相關技術研究正逐步開展。


    1.3 CCUS技術


    CCUS是把生產過程中排放的CO2進行提純,繼而投入新的生產過程中進行循環再利用。CCUS技術是碳捕獲與封存技術的升級,可實現CO2的循環再利用,主要包括先進的CO2捕集技術,地質、化工、生物和礦化等CO2利用前沿技術以及CO2地質封存關鍵技術等。其中CO2捕集技術分為燃燒前捕集技術(物理吸附和化學吸收法等)、燃燒中控制(富氧燃燒)和燃燒后捕集技術(化學吸收法、吸附法、膜分離法等);CO2利用包括提高石油采收率或者工業應用(CO2衍生燃料、CO2衍生化學品、CO2衍生建筑材料以及利用CO2提高生物制品的產量);CO2封存主要通過工程技術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研究計劃,開展CCUS技術的理論、試驗、示范和應用研究。僅2020年,就有17個商業CCUS項目開始啟動。如英國Drax BECCS項目,將4臺生物質機組中的1臺發電機組用來捕集CO2,預計每年可捕集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每年捕集量高達600萬t CO2,用于提高二疊紀盆地的石油采收率;新西蘭塔拉納基地區Rivers Capital的波瓦凱項目,是一個集合制氫、生產化肥和發電的工業綜合體,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),實現近零排放。中國早在2007年國家發展和改革委員會公布的《中國應該對氣候變化國家方案》中強調重點開發CO2的捕獲與封存技術。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,采用工業分離技術,CO2用于強化采油;2018年,中石油吉林油田CO2EOR項目,最大捕集能力達到10萬t/a。此外,中石化勝利發電廠CCS項目和中石化齊魯石化CCS項目已進入早期開發階段,預計CO2捕集能力分別為100萬t/a和40萬t/a。


    目前,CCUS已進入技術更新迭代階段。隨著CO2捕集機制(先進溶劑、金屬有機框架材料等)、CO2利用新技術(CCS制氫技術、結合CCS的生物能利用技術)和CO2封存新技術(咸水層、枯竭油田封存)的不斷進步,CCUS被廣泛認為 是助力中國2030年前實現CO2達峰的可規?;?解決方案。


    1.4 其他代表性技術


    1.4.1 燃煤發電與太陽能、生物質等復合發電技術


    燃煤發電與太陽能復合發電技術路線是把太陽能作為燃煤機組回熱系統的熱源,全部或部分替代汽輪機抽汽;或把太陽能發電和風力發電引入廠用電系統,降低機組自身的廠用電率,實現燃煤機組和可再生能源發電共同發展,以燃煤電站龐大熱力系統的汽水特性來吸納不穩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電站,設置了8列150 m的槽式太陽能集熱系統與1臺 49 MW燃煤機組進行集成。2012年10月,澳大利亞新南威爾士州配置了9.3 MW的太陽能蒸汽發生裝置的Liddel火電站Noval光熱-燃煤混合發電項目正式投運。國內尚無示范電站運行,目前仍處于理論探索和試驗研究階段。華北電力大學、中國科學院工程熱物理研究所、華中科技大學以及浙江大學等國內科研院所從互補發電系統的能量遷移和能耗規律、系統集成優化設計以及性能評價等方面開展了大量研究。理論結果顯示,600 MW燃煤機組吸納最大容量太陽能熱量時,耦合系統的最大節煤量為8~14 g/(kW?h)。


    此外,燃煤與生物質、固廢耦合發電技術是未來經濟高效、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組的碳排放量,另一方面可綜合利用生物質、固廢等資源,提高耦合機組發電靈活性。英國Drax電廠4臺660 MW燃煤機組經過近15年的摻燒試驗改進,已改造成為100%燃燒生物質顆粒燃料的機組。中國2018年批準84個燃煤電廠生物質耦合發電試點項目,其中大唐長山熱電廠超臨界660 MW燃煤機組耦合20 MW生物質發電示范工程開始運行,燃煤機組度電CO2排放約減少6%。未來在燃用生物質的基礎上再采用CO2捕集和埋存,可實現負碳排放,是先進發電技術的可選擇方式之一。


    1.4.2 超臨界CO2動力循環系統


    超臨界CO2動力循環系統采用高溫高壓超臨界CO2(304.13 K/7.377 MPa)作為循環工質,利用其能量密度高、壓比小的特點,建立高參數、結構緊湊的發電系統。相較于先進超超臨界燃煤發電機組,循環發電效率可提升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動力循環塔式太陽能電站和超臨界CO2動力循環燃煤發電機組的概念,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燃氣超臨界CO2試驗平臺,并成功開展試運行,極大促進了超臨界CO2發電技術的推廣應用和工程 示范。華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室已建成300 kW燃煤超臨界CO2動力循環系統,是世界上首臺燃煤超臨界CO2動力循環系統原理樣機,為超高參數高效CO2燃煤發電基礎理論與關鍵技術研究奠定了堅實基礎;此外華北電力大學、西安交通大學、中國科學院工程熱物理研究所也相繼開展了超臨界CO2動力循環系統材料腐蝕特性和系統性能優化研究等工作。


    雖然超臨界CO2動力循環系統的高效靈活性引起了國內外眾多學者的關注,但高溫關鍵部件在超臨界CO2環境下高溫腐蝕問題、系統設計優化問題、關鍵設備開發研制以及系統靈活性問題仍是限制超臨界CO2動力循環發電系統的關鍵技術。


    2 先進發電技術研究展望


    2.1 先進超超臨界發電技術提質增效


    先進超超臨界發電技術發展趨勢是提高蒸汽初參數,即提高朗肯循環的熱端平均溫度,進而提高機組熱效率。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上限,開發630 ℃超超臨界燃煤機組技術需要加緊研發更高等級的耐熱鋼,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 ℃超超臨界燃煤發電技術研發計劃,初步確定以600 MW機組為示范電站,蒸汽參數為35 MPa/700 ℃/720 ℃。受限于奧氏體不銹鋼材料研制進度影響及鎳基合金高昂的材料成本,“700 ℃計劃”進展較為緩慢,仍未進入示范驗證階段,但更高參數的先進超超臨界發電技術是未來煤炭清潔利用的發展方向之一。


    采用綜合系統節能提效技術是提高超超臨界發電機組運行安全性和經濟性的科學方法之一:


    1)開展超超臨界鍋爐水動力、熱質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、組織良好的爐內燃燒動力場,合理設計聯箱及各級受熱面連接方式、精細設計節流孔和糾偏噴水減溫器等,通過分煙道設置擋板開度調節再熱汽溫等;


    2)開展熱力循環系統優化、余熱梯級利用研 究,如采用“二級省煤器+空預器旁路”煙氣余熱深度利用方案,采用雙機回熱熱力系統或直接空冷機組全高位布置技術等;


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


    超超臨界循環流化床機組綜合環保性指標較好,可實現低成本的超低排放和超低能耗,同時爐膛內溫度(850~900 ℃)、熱流密度相對超超臨界燃煤機組都低很多,技術實現度相對容易,但仍需開展爐內燃燒特性和傳熱規律研究。主要包括:


    1)開展再熱器布局和結構優化、合理控制受熱面焓增,保證受熱面材料在許用溫度范圍內;


    2)開展配套輔機選型設計和技術研發工作;


    3)開展污染物協同控制、綜合利用技術研究,如電除塵器、電袋除塵器和布袋除塵器的耦合優化布置技術等。


    2.2 顛覆性技術聯合科技攻關


    2.2.1 IGCC技術


    IGCC是先進發電技術中比較成熟、而又最具發展前途的一種發電方式,提高其運行可用率、降低投資費用和發電成本是IGCC未來發展的主要方向。主要包括:


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


    2)適應于IGCC的先進F級、H級燃氣輪機開發研究,如GE公司9HA/7HA燃氣輪機、西門子SGT5-8000H燃氣輪機以及三菱公司M501J/M701J燃氣輪機技術等,另外重點在燃氣輪機燃燒性能、結構材料和涂層、增材制造工藝以及系統集成技術等方面開展聯合研究;


    3)熱力系統余熱回收、梯級利用技術研究,如針對單循環和聯合循環燃氣輪機開發非常規熱力循環以提高熱效率,將燃氣輪機與其他技術(如燃料電池)有效集成耦合混合燃氣輪機系統。


    針對IGFC,可重點關注燃料電池技術的大容量電池堆組裝技術、電池隔離膜板技術以及系統集成技術研究。


    2.2.2 CCUS技術


    CCUS技術在“雙碳”目標提出后迎來了新的發展,全國碳排放交易市場的建立為CCUS技術發展提供新的驅動力。隨著第一代捕集技術(胺基吸收劑、常壓富氧燃燒等)的示范運行,第二代捕集技術(新型膜分離技術、新型吸收技術、新型吸附技術、增壓富氧燃燒技術、化學鏈燃燒技術等)也正式開始試驗驗證,碳捕集的效率更高、能耗更低。電力行業迅速脫碳是實現凈零排放的關鍵所在。Allam-Fetvedt循環為實現低排放低成本CCS燃煤燃氣發電提供一條參考途徑。該循環以合成氣為燃料,比傳統化石燃料發電成本更低,具有高靈活性、碳捕集能力,以及近零排放和水耗。此外,結合CCS的生物能技術和結合碳封存的直接空氣捕集技術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 耦合發電技術


    將波動性、間歇性的太陽能等可再生能源與穩定性、系統性好的燃煤系統進行耦合可以進一步減少化石燃料污染物排放,提升系統綜合利用效率。燃煤發電與太陽能等復合發電技術涉及光電轉換、化學燃燒、能量流耦合等復雜過程,目前研究集中在燃煤發電系統側、對集成方案和運行模式的對比分析,對于復合系統工況特性、能量遷移機理和模型研究較少。未來,研究低品位的太陽能資源與燃煤電站高參數高品位工質的集成機理,多種能源系統的能量傳輸機理和集成原理是重點方向之一。


    生物質、固廢與燃煤耦合混燒是未來降低煤電機組的碳排放量,加強燃煤發電的可持續性,以及煤電走向低碳化一條現實可行的路徑。探索優化耦合燃燒技術,完善生物質、固廢燃料儲運技術,加強污染物協同治理研究是當前工程實際運行中仍需關注的問題。此外,還應積極推動國家法規政策對燃煤電廠混燒生物質、固廢等燃料進行激勵和支持,促使更多的示范工程建成落地運行。


    2.2.4 超臨界CO2動力循環系統


    超臨界CO2動力循環系統的驅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集中研究了核能驅動超臨界CO2循環系統,韓國原子能研究所、英國曼徹斯特大學對超臨界CO2的變工況特性、傳熱過程、壓力機械及透平開展了系列研究,但目前仍未有示范系統。未來,超臨界CO2動力循環的材料腐蝕特性、系統循環特性、關鍵設備開發研制以及控制系統研發是研究重點。此外,煤粉在超臨界水中氧化后的復合工質循環系統也是超臨界CO2動力循環的實現路徑之一。


    3 總結與展望


    1)先進超超臨界發電技術是當前起基礎性托底作用的燃煤機組脫碳、零碳以及負碳進程中最為重要的技術之一,應進一步探索大容量、高參數先進發電機組,如630、700 ℃超超臨界燃煤發電技術、優化二次再熱超超臨界燃煤發電系統,確保高參數機組高效低碳運行。針對超超臨界循環流化床機組,應進一步提高機組可靠性和燃燒效率,協同控制污染物排放,發展更高蒸汽參數的循環流化床系統,持續提升發電效率,逐步實現近零排放。


    2)先進IGCC和IGFC技術是目前最受關注的潔凈煤技術,是煤炭從主體能源向基礎能源轉變情境下除超超臨界發電技術外實現燃煤發電近零排放技術的有力補充。在各個系統優化完善的基礎上,應積極探索600~1 000 MW級IGCC電站以及兆瓦級IGFC電站示范工程建設,實現全產業鏈的產業化升級。


    3)CCUS技術一方面可應用于化石能源的低碳利用方面,另一方面可實現生物質能源的負碳排放,甚至在氫能等未來能源生產方面,它也將發揮重要的減排作用。目前仍需積極推進CCUS商業化應用,加大科技投入,重點研發第二代捕集技術及CO2規?;斔?、先進發電技術與CCUS的深度耦合協同優化技術等。


    4)燃煤發電與太陽能、生物質等復合發電技術、超臨界CO2動力循環以及其他先進清潔低碳發電技術仍需加大聯合攻關力度,重點研究系統設計優化、高溫材料研發等具有自主知識產權的技術,實現先進發電技術的大規模應用。


    引用本文格式


    王哮江, 劉鵬, 李榮春, 等. “雙碳”目標下先進發電技術研究進展及展望[J]. 熱力發電, 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.


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