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近日，美國能源部（DOE）宣布在“Coal FIRST”計(jì)劃下投入8100萬美元，支持未來先進(jìn)燃煤電廠概念的設(shè)計(jì)開發(fā)和系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)研究，以開發(fā)適用于未來能源系統(tǒng)的靈活小型先進(jìn)燃煤電廠，為美國提供安全、穩(wěn)定、可靠的近零排放電力。本次資助將針對四類先進(jìn)燃煤電廠概念進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)、主場地評估和環(huán)境信息數(shù)據(jù)、投資案例分析以及工程規(guī)模原型的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)。

具體內(nèi)容如下：

1、靈活的超臨界燃煤發(fā)電廠

此類燃煤電廠設(shè)計(jì)必須包含如下特征：（1）通過材料提高靈活性，在關(guān)鍵組件中使用高鎳基合金，可在快速爬坡期間將這些限制機(jī)組壽命的組件熱應(yīng)力降至最低，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電靈活性；（2）空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)的模塊化組件，通過使用并行模塊化組件，可關(guān)停單個(gè)設(shè)備以部分容量運(yùn)行，以適應(yīng)低負(fù)荷要求；（3）緊湊型鍋爐布置，水平高溫對流表面在前壁而非鍋爐頂部布置過熱器和再熱器集箱出口，與典型布置相比，高溫管道的運(yùn)行時(shí)間縮短了25%-30%，縮小了鍋爐占地面積。需進(jìn)行的設(shè)計(jì)開發(fā)包括：

（1）超臨界鍋爐島。①重新設(shè)計(jì)鍋爐概念以降低容量并支持靈活低負(fù)荷運(yùn)行，并考慮集箱、管道、膜式水冷壁、過熱器、再熱器等的設(shè)計(jì)；②使用先進(jìn)合金材料以在650℃蒸汽循環(huán)條件下運(yùn)行；③結(jié)構(gòu)材料需考慮在主蒸汽溫度接近650℃下長期使用，尤其要注意溫度最高的區(qū)域，例如管道和集箱；④650℃蒸汽條件下的閥門設(shè)計(jì)。

（2）集成與控制系統(tǒng)。集成與控制系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)為集成所有系統(tǒng)和組件，以實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)行。

（3）汽輪機(jī)。需重新設(shè)計(jì)汽輪機(jī)以適合650℃蒸汽循環(huán)條件，以及該概念對尺寸、靈活性和低負(fù)荷的要求。應(yīng)考慮最佳的渦輪膨脹機(jī)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、熱膨脹、軸承、使用先進(jìn)材料的小型閥門、葉片通流設(shè)計(jì)、先進(jìn)密封件以及適應(yīng)工作溫度的構(gòu)造材料。

（4）排放控制設(shè)備。排放控制設(shè)備應(yīng)設(shè)計(jì)為靈活運(yùn)行，包括在低負(fù)荷下運(yùn)行，以滿足該系統(tǒng)的排放要求。

（5）燃燒后碳捕集。燃燒后碳捕集系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)為靈活運(yùn)行，包括在低負(fù)荷下運(yùn)行，必須與電廠概念集成以達(dá)到系統(tǒng)性能和成本要求。

2、超臨界蒸汽循環(huán)增壓流化床發(fā)電廠

此類燃煤電廠設(shè)計(jì)必須包含如下特征：（1）增壓流化床燃燒，由于反應(yīng)物分壓升高，可增強(qiáng)流化床中的燃燒和固硫反應(yīng)，將配備返料系統(tǒng)，并可與天然氣共燃以提高爬坡率；（2）使用模塊化單元，可在部分負(fù)荷下運(yùn)行部分模塊單元，以提升運(yùn)行靈活性和負(fù)荷跟蹤能力。需進(jìn)行的設(shè)計(jì)開發(fā)包括：

（1）增壓流化床燃燒器系統(tǒng)。①設(shè)計(jì)和優(yōu)化增壓流化床燃燒器系統(tǒng)，以與燃?xì)?蒸汽循環(huán)共同運(yùn)行，通過小型模塊化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)靈活性和低負(fù)荷運(yùn)行；②返料系統(tǒng)針對儲(chǔ)能進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，以滿足運(yùn)行要求。

（2）蒸汽發(fā)電循環(huán)。需重新設(shè)計(jì)汽輪機(jī)以適合24.13兆帕、593℃的蒸汽循環(huán)條件，以及更小尺寸、更高靈活性和低負(fù)荷要求。

（3）集成與控制系統(tǒng)。集成與控制系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)為集成所有系統(tǒng)和組件，以實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)行。

（4）燃?xì)廨啓C(jī)。需設(shè)計(jì)一種新的氣體膨脹-壓縮機(jī)組，以滿足增壓流化床燃燒器和碳捕集要求。

（5）排放控制設(shè)備。排放控制設(shè)備應(yīng)設(shè)計(jì)為靈活運(yùn)行，包括在低負(fù)荷下運(yùn)行，以滿足該系統(tǒng)的排放要求。

（6）燃燒后碳捕集。燃燒后碳捕集系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)為靈活運(yùn)行，包括在低負(fù)荷下運(yùn)行，必須與電廠概念集成以達(dá)到系統(tǒng)性能和成本要求。另外還需進(jìn)行碳捕集上游的脫硫設(shè)計(jì)。

3、燃?xì)廨啓C(jī)-超臨界燃煤鍋爐混合電廠

此類燃煤電廠設(shè)計(jì)必須包含如下特征：（1）獨(dú)立的制煤和燃燒系統(tǒng)，將使煤粉制備和存儲(chǔ)獨(dú)立于鍋爐/汽輪機(jī)系統(tǒng)，避免因磨煤機(jī)投用/停用而造成的爬坡限制；（2）納入儲(chǔ)能系統(tǒng)，在需求低于最低負(fù)荷的時(shí)段將多余的電量存儲(chǔ)在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，有助于在需求增加的時(shí)段（例如早晚高峰）進(jìn)行初始爬坡；（3）利用燃?xì)廨啓C(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)將占直接功率輸出近1/4，并且具有快速啟動(dòng)和爬坡的功能。需進(jìn)行的設(shè)計(jì)開發(fā)包括：

（1）超臨界鍋爐島。①將燃?xì)廨啓C(jī)與鍋爐集成，需進(jìn)行燃燒和流動(dòng)的建模/模擬及測試，以評估設(shè)計(jì)以及火焰穩(wěn)定性，還需重新優(yōu)化風(fēng)機(jī)、燃燒器、燃盡風(fēng)系統(tǒng)以確保完全燃燒；②煙氣/空氣再熱器重新設(shè)計(jì)，以解決煙氣和助燃空氣的流量平衡問題；③設(shè)計(jì)和優(yōu)化傳熱表面，以在較高的超臨界燃燒溫度下運(yùn)行，同時(shí)需考慮材料選擇、系統(tǒng)溫度以及最佳的清潔策略，以去除表面積灰結(jié)渣，還需評估鍋爐整體傳熱特性，重新設(shè)計(jì)集箱、水冷壁和過熱器等鍋爐組件以實(shí)現(xiàn)靈活的低負(fù)荷運(yùn)行。

（2）汽輪機(jī)。需重新設(shè)計(jì)汽輪機(jī)，以滿足該概念對更小尺寸、低負(fù)載和靈活性要求。

（3）集成與控制系統(tǒng)。集成與控制系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)為集成所有系統(tǒng)和組件，以實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)行。

（4）排放控制設(shè)備。排放控制設(shè)備應(yīng)設(shè)計(jì)為靈活運(yùn)行，包括在低負(fù)荷下運(yùn)行，以滿足該系統(tǒng)的排放要求。

（5）電池儲(chǔ)能系統(tǒng)?；诂F(xiàn)有電池技術(shù)，開發(fā)新型設(shè)計(jì)以集成至汽輪機(jī)/鍋爐系統(tǒng)中，需要進(jìn)行研發(fā)以減少資本和運(yùn)維成本并提高效率和壽命。

（6）燃燒后碳捕集。燃燒后碳捕集系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)為靈活運(yùn)行，包括在低負(fù)荷下運(yùn)行，必須與電廠概念集成以達(dá)到系統(tǒng)性能和成本要求。

4、靈活的煤-生物質(zhì)氣化，用于發(fā)電和生產(chǎn)無碳?xì)錃?/p>

該系統(tǒng)將煤、生物質(zhì)和其他原料氣化，用于發(fā)電或生產(chǎn)近零/零碳排放的副產(chǎn)品，如氫氣、氨或其他燃料及化學(xué)品。此類設(shè)計(jì)必須包含如下特征：（1）靈活的煤氣化爐，能夠與生物質(zhì)共燃，以實(shí)現(xiàn)凈負(fù)碳排放，還將（可選地）設(shè)計(jì)為利用其他原料，如石油基合成材料（如塑料）產(chǎn)生的廢物等；（2）合成氣處理和碳捕集系統(tǒng)，此類系統(tǒng)必須與煤氣化爐合成氣中的成分兼容。需進(jìn)行的設(shè)計(jì)開發(fā)包括：

（1）靈活的煤氣化爐。煤氣化爐將設(shè)計(jì)為與生物質(zhì)共燃，需確保整體負(fù)碳排放，可能還需要引入其他原料。

（2）合成氣處理和碳捕集系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需評估生物質(zhì)和/或其他原料導(dǎo)致合成氣成分對環(huán)境和過程的影響。

（3）集成與控制系統(tǒng)。集成與控制系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)為集成所有系統(tǒng)和組件，以實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)行。