金属硅除尘脱硫脱硝工艺流程图：燃煤sCO2布雷顿循环及其工质传热特性研究进展

小君 2023-01-30 14:43:41 891

金属硅除尘脱硫脱硝工艺流程图：燃煤sCO2布雷顿循环及其工质传热特性研究进展超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide sCO 2 )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sCO 2 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，sCO 2 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sCO 2 工质的性质，介绍了间接加热式和直接加热式两类sCO 2 布雷顿循环的基本原理，总结了sCO 2 动力循环应用于燃煤电站的研究进展。sCO 2 循环燃煤电站的发展可分为以下2条路径：① 间接加热式sCO 2 循环取代蒸汽朗肯循环应用于燃煤电站，可与煤粉锅炉、

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金属硅除尘脱硫脱硝工艺流程图：燃煤sCO2布雷顿循环及其工质传热特性研究进展(1)

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本文以sCO2布雷顿循环发电技术为背景，介绍了sCO2布雷顿循环的基本原理及其在燃煤电站中的应用形式，并对系统中的sCO2工质在圆管及印刷电路板式换热器内的传热特性研究进展进行综述，总结了其发展现状并指出了研究方向，对sCO2布雷顿循环燃煤发电系统的建立具有参考意义。

作者

吴柯，鲍中凯，段伦博，黄宇

作者单位

东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室

摘要

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide sCO 2 )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sCO 2 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，sCO 2 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sCO 2 工质的性质，介绍了间接加热式和直接加热式两类sCO 2 布雷顿循环的基本原理，总结了sCO 2 动力循环应用于燃煤电站的研究进展。sCO 2 循环燃煤电站的发展可分为以下2条路径：① 间接加热式sCO 2 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sCO 2 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sCO 2 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sCO 2 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sCO 2 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sCO 2 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。CO 2 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sCO 2 循环燃煤发电技术将引起更多关注。在我国将sCO 2 布雷顿循环应用于燃煤电站更具现实意义，目前我国关于sCO 2 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sCO 2 循环发电技术的研发进展。

文中插图

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图1 CO2物性参数随温度和压力的变化

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图2 简单回热sCO2循环

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图3 再压缩sCO2循环

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图4 直接加热式sCO2循环示意

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图5 ZEPS系统示意

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图6 煤气化Allam循环流程示意

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图7 O2/sCO2燃烧耦合再压缩sCO2循环示意

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图8 传热系数随整体平均温度的变化

结语

本文针对sCO2布雷顿循环工作原理及特性、应用于燃煤电站的技术方案与工质传热特性的研究进展进行了综述，介绍了间接式与直接式sCO2循环应用于燃煤电站发电的多种技术方案，总结了sCO2作为工质在圆管及PCHE内的对流传热特性，对今后的sCO2循环燃煤电站系统设计及其换热面布置研究工作具有一定参考意义。目前我国关于sCO2循环发电的研究尚处于起步阶段，与国外研究存在一定差距。《中国制造 2025—能源装备实施方案》正式提出发展sCO2循环发电技术，是缩小与国外差距、快速发展sCO2循环燃煤发电技术的重要机会。研究机构和企业应抓住这一重大发展机遇，依托超超临界燃煤发电机组和IGCC电站技术积累，加速推动sCO2循环燃煤发电技术的研发进程。

引文格式

吴柯，鲍中凯，段伦博等.燃煤sCO 2 布雷顿循环及其工质传热特性研究进展[J].洁净煤技术，2020 26(1):9-21.

WU Ke BAO Zhongkai DUAN Lunbo et al.Research progress on supercritical CO 2 Brayton cycle and its working fluid heat transfer characteristics for coal-fired power generation [J].Clean Coal Technology，2020 26(1):9-21.

END

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