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近日，美國能源部（DOE）宣布在“Coal FIRST”計劃下投入8100萬美元，支持未來先進燃煤電廠概念的設計開發(fā)和系統(tǒng)集成設計研究，以開發(fā)適用于未來能源系統(tǒng)的靈活小型先進燃煤電廠，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燃煤電廠概念進行設計開發(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)集成設計。

具體內容如下：

1、靈活的超臨界燃煤發(fā)電廠

此類燃煤電廠設計必須包含如下特征：（1）通過材料提高靈活性，在關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組壽命的組件熱應力降至最低，從而實現(xiàn)發(fā)電靈活性；（2）空氣質量控制系統(tǒng)的模塊化組件，通過使用并行模塊化組件，可關停單個設備以部分容量運行，以適應低負荷要求；（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，高溫管道的運行時間縮短了25%-30%，縮小了鍋爐占地面積。需進行的設計開發(fā)包括：

（1）超臨界鍋爐島。①重新設計鍋爐概念以降低容量并支持靈活低負荷運行，并考慮集箱、管道、膜式水冷壁、過熱器、再熱器等的設計；②使用先進合金材料以在650℃蒸汽循環(huán)條件下運行；③結構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計。

（2）集成與控制系統(tǒng)。集成與控制系統(tǒng)必須設計為集成所有系統(tǒng)和組件，以實現(xiàn)靈活運行。

（3）汽輪機。需重新設計汽輪機以適合650℃蒸汽循環(huán)條件，以及該概念對尺寸、靈活性和低負荷的要求。應考慮最佳的渦輪膨脹機設計、轉子動力學、熱膨脹、軸承、使用先進材料的小型閥門、葉片通流設計、先進密封件以及適應工作溫度的構造材料。

（4）排放控制設備。排放控制設備應設計為靈活運行，包括在低負荷下運行，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)應設計為靈活運行，包括在低負荷下運行，必須與電廠概念集成以達到系統(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

此類燃煤電廠設計必須包含如下特征：（1）增壓流化床燃燒，由于反應物分壓升高，可增強流化床中的燃燒和固硫反應，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，可在部分負荷下運行部分模塊單元，以提升運行靈活性和負荷跟蹤能力。需進行的設計開發(fā)包括：

（1）增壓流化床燃燒器系統(tǒng)。①設計和優(yōu)化增壓流化床燃燒器系統(tǒng)，以與燃氣/蒸汽循環(huán)共同運行，通過小型模塊化系統(tǒng)實現(xiàn)靈活性和低負荷運行；②返料系統(tǒng)針對儲能進行設計和驗證，以滿足運行要求。

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

（3）集成與控制系統(tǒng)。集成與控制系統(tǒng)必須設計為集成所有系統(tǒng)和組件，以實現(xiàn)靈活運行。

（4）燃氣輪機。需設計一種新的氣體膨脹-壓縮機組，以滿足增壓流化床燃燒器和碳捕集要求。

（5）排放控制設備。排放控制設備應設計為靈活運行，包括在低負荷下運行，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)應設計為靈活運行，包括在低負荷下運行，必須與電廠概念集成以達到系統(tǒng)性能和成本要求。另外還需進行碳捕集上游的脫硫設計。

3、燃氣輪機-超臨界燃煤鍋爐混合電廠

此類燃煤電廠設計必須包含如下特征：（1）獨立的制煤和燃燒系統(tǒng)，將使煤粉制備和存儲獨立于鍋爐/汽輪機系統(tǒng)，避免因磨煤機投用/停用而造成的爬坡限制；（2）納入儲能系統(tǒng)，在需求低于最低負荷的時段將多余的電量存儲在儲能系統(tǒng)中，有助于在需求增加的時段（例如早晚高峰）進行初始爬坡；（3）利用燃氣輪機，燃氣輪機將占直接功率輸出近1/4，并且具有快速啟動和爬坡的功能。需進行的設計開發(fā)包括：

（1）超臨界鍋爐島。①將燃氣輪機與鍋爐集成，需進行燃燒和流動的建模/模擬及測試，以評估設計以及火焰穩(wěn)定性，還需重新優(yōu)化風機、燃燒器、燃盡風系統(tǒng)以確保完全燃燒；②煙氣/空氣再熱器重新設計，以解決煙氣和助燃空氣的流量平衡問題；③設計和優(yōu)化傳熱表面，以在較高的超臨界燃燒溫度下運行，同時需考慮材料選擇、系統(tǒng)溫度以及最佳的清潔策略，以去除表面積灰結渣，還需評估鍋爐整體傳熱特性，重新設計集箱、水冷壁和過熱器等鍋爐組件以實現(xiàn)靈活的低負荷運行。

（2）汽輪機。需重新設計汽輪機，以滿足該概念對更小尺寸、低負載和靈活性要求。

（3）集成與控制系統(tǒng)。集成與控制系統(tǒng)必須設計為集成所有系統(tǒng)和組件，以實現(xiàn)靈活運行。

（4）排放控制設備。排放控制設備應設計為靈活運行，包括在低負荷下運行，以滿足該系統(tǒng)的排放要求。

（5）電池儲能系統(tǒng)?；诂F(xiàn)有電池技術，開發(fā)新型設計以集成至汽輪機/鍋爐系統(tǒng)中，需要進行研發(fā)以減少資本和運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)應設計為靈活運行，包括在低負荷下運行，必須與電廠概念集成以達到系統(tǒng)性能和成本要求。

4、靈活的煤-生物質氣化，用于發(fā)電和生產無碳氫氣

該系統(tǒng)將煤、生物質和其他原料氣化，用于發(fā)電或生產近零/零碳排放的副產品，如氫氣、氨或其他燃料及化學品。此類設計必須包含如下特征：（1）靈活的煤氣化爐，能夠與生物質共燃，以實現(xiàn)凈負碳排放，還將（可選地）設計為利用其他原料，如石油基合成材料（如塑料）產生的廢物等；（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。需進行的設計開發(fā)包括：

（1）靈活的煤氣化爐。煤氣化爐將設計為與生物質共燃，需確保整體負碳排放，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)設計時需評估生物質和/或其他原料導致合成氣成分對環(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)必須設計為集成所有系統(tǒng)和組件，以實現(xiàn)靈活運行。