超臨界CO2鍋爐研究綜述

郭子崗，張海龍，梁舒婷

（1.陜西榆林能源集團榆神煤電有限公司，陜西榆林 719000；2.西安熱工研究院有限公司，陜西西安 710054）

1 引言

隨著風電、光伏等可再生能源電力的大規模并網，常規火電機組正逐漸由電力供應主體向調峰調頻電源轉變［1-4］，這就要求火電機組具有快速啟停和變負荷的能力。但是為了避免鍋爐和汽輪機中關鍵部件的熱應力或熱膨脹過大，一般大中型機組升負荷速率不超過1.5%MCR（額定負荷）/min［5］，難以滿足電網快速調峰調頻的要求。與采用蒸氣朗肯循環的常規火電機組相比，基于超臨界CO2布雷頓循環的發電機組具有更好的靈活性，升降負荷速率可以達到7.5%MCR/min［6］。因此用超臨界CO2布雷頓循環替代蒸氣朗肯循環，能夠大幅度提高火電機組的調峰調頻能力，有助于電網消納更多的風電、光伏等新能源電力，對促進我國能源結構轉型和實現“雙碳”目標具有深遠的意義。

目前針對超臨界CO2循環發電的研究大部分集中于核能和太陽能領域，已證實了超臨界CO2循環發電系統的高效、緊湊、靈活等優越性［7-13］，考慮將超臨界CO2布雷頓循環發電系統應用于火電機組的研究相對較少。國外法國電力集團（EDF）的Yann Le Moullec［14］對煤基超臨界CO2布雷頓循環發電系統進行了概念設計，把再壓縮循環進行適當的改進以適應燃煤鍋爐。Mounir Mecheri 等［15］從系統層面對煤基超臨界CO2布雷頓循環進行了熱力學模擬，指出超臨界CO2布雷頓循環用于燃煤鍋爐時的循環效率更高，但是將超臨界CO2布雷頓循環與燃煤鍋爐整合起來面臨兩個關鍵的挑戰，即鍋爐受熱面中壓降的控制和受熱面的冷卻，但是EDF 尚未對這一問題展開深入的研究。西安熱工研究院有限公司針對超臨界CO2布雷頓循環在火力發電中的應用進行了長期深入的研究，發現超臨界CO2鍋爐氣冷壁具有工質流量大和溫度高的特點。例如，300 MWe超臨界CO2布雷頓循環發電系統的工質流量為7 500 t/h，約為常規300 MWe 蒸汽鍋爐工質流量的6倍。與此同時，鍋爐進出口工質溫度約為520 ℃和600 ℃，已接近材料的使用溫度上限。針對這兩個難題，國內外學者分別開展了研究工作，深化了對超臨界CO2鍋爐的認識，提出了各種解決方法，推動了超臨界CO2鍋爐的設計和優化技術的發展。但是這些研究相對較為零散，缺少對超臨界CO2鍋爐的現有研究成果系統性總結。

鑒于此，本文系統總結了關于超臨界CO2鍋爐的最新研究成果，對降低超臨界CO2鍋爐受熱面溫度和總體阻力的方法進行了評述，指出了現有研究的不足，為下一步的研究指明方向。

2 燃煤超臨界CO2循環與蒸汽朗肯循環的對比

Chen 等［16］從能量平衡和?平衡的角度比較了燃煤超臨界CO2循環和蒸氣朗肯循環，研究表明當采用二次再熱且主氣參數為32 MPa/620 ℃時，超臨界CO2循環和蒸氣朗肯循環的效率分別為49.06%和48.12%，相應的?效率分別為48.02%和47.1%。與朗肯循環相比，超臨界CO2循環節能的機理是：鍋爐的效率低但是?效率高，使得輸送進超臨界CO2循環的能量品位更高。CO2工質吸收了高品位的能量，能夠產生更多的機械功，因而實現了更高的效率。

劉明等［17］比較了燃煤超臨界CO2循環與10 個現役蒸氣機組的熱動力學性能。當蒸氣參數為538、566 和600 ℃的蒸氣機組替換為超臨界CO2循環機組后，效率分別提升了2.52%、2.39%和2.84%。?分析結果表明：鍋爐中傳熱不可逆損失的減小，使得系統效率提高。以一臺透平進口參數為600 ℃的機組為例，超臨界CO2循環要更加節能，需要滿足的要求包括：壓縮機效率大于75%，透平效率大于86%，換熱器壓降小于0.35 MPa，回熱端差小于21 ℃，無回收時泄露率小于2.5%，有回收時泄露率小于16%。

徐進良等［18］對比研究了超臨界CO2循環與蒸氣朗肯循環的經濟性。研究結果表明，超臨界CO2循環凈發電效率為49.01%，高于先進的水工質朗肯循環的48.12%。與汽輪機相比，超臨界CO2透平的成本降低了30%，但是超臨界CO2回熱器的成本幾乎比超超臨界加熱器高一個數量級，超臨界CO2鍋爐的成本提高了36.3%左右。因此，總體的超臨界CO2發電系統單位成本增加了29.0%。在燃煤電站30 年壽命期內，超臨界CO2發電系統的LCOE 為60.56 ＄/(MW·h)，比水工質朗肯循環發電系統低了1.32%。因此，盡管超臨界CO2發電系統的建造成本提高了，但仍比水工質朗肯循環更有經濟優勢。超臨界CO2系統的單位造價，還可通過優化回熱系統來進一步降低。

3 超臨界CO2 鍋爐流動傳熱和燃燒特性

3.1 超臨界CO2鍋爐傳熱特性

楊玉等［19］對一臺300 MW 的超臨界CO2鍋爐受熱面從煙氣側到工質側耦合進行數值模擬研究，揭示了氣冷壁的熱流密度和溫度分布，如圖1 所示。研究結果表明螺旋氣冷壁最高溫度達到900 K，墻式再熱器的最高溫度約為965 K。氣冷壁中的工質傳熱系數變化不大，這與傳統鍋爐水冷壁中的傳熱系數分布存在顯著差異。楊玉等［20］還對一臺20 MWth超臨界CO2燃氣鍋爐進行了數值模擬研究，分析了過熱器和再熱器的傳熱特性，結果表明過熱器和再熱器的傳熱分布極為不均勻，使得常規的鍋爐過熱器和再熱器設計方法不再使用超臨界CO2鍋爐的過熱器和再熱器。

圖1 1 300 MW超臨界CO2鍋爐受熱面熱流密度分布［19］Fig.1 Heat flux distribution on heating surfaces of supercritical CO2 boiler［19］

王鳳君等［21］采用COMSOL-Multiphysics 軟件對一臺20 MWth 超臨界CO2鍋爐進行了耦合傳熱的數值模擬研究，獲得了爐膛受熱面和對流受熱面的溫度分布。Chen 等［22］采用相似的方法研究了一臺1 000 MW 燃煤超臨界CO2鍋爐蛇形管換熱器的耦合傳熱特性。研究結果表明，爐膛出口有兩個高溫煙氣區域，對應兩個低對流熱流密度區。這兩個高溫區域煙氣被蛇形管冷卻下來，因此靠近后墻的超臨界CO2吸收了更多的能量，導致過熱器出口的超臨界CO2溫度只有一個峰值區域。

Liu等［23］為一臺600 MW 的超臨界CO2發電系統設計了一臺循環流化床鍋爐（如圖2所示）并進行了鍋爐布置、受熱面布置和調溫措施研究。研究結果表明，約40%的受熱面需要布置在爐膛，超臨界CO2鍋爐80%的吸熱量發生在爐膛，尾部煙道吸收的熱量只占20%。CFB 鍋爐出口相對較低的煙氣溫度，大大降低了煙氣熱量回收的壓力，采用超臨界CO2分流（～5%）可實現129 ℃的排煙溫度，將一次風加熱到490 ℃。Liu 等［24］對超臨界CO2燃煤循環流化床鍋爐的?分析結果表明，占最大?損部分的CFB鍋爐的?效率為57.7%，比傳統煤粉爐高3%～5%。隨著過量空氣系數的增加，?效率先增加后降低，最佳的性能出現在1.1～1.3的過量空氣系數范圍內。當鍋爐負荷降低時，?效率降低明顯，尤其在80%到60%的負荷區間。

圖3 分流模式鍋爐的受熱面布置［19］Fig.3 Heating surface layout of split-flow mode boiler［19］

Li 等［25］提出了600 MW 超臨界CO2流化床鍋爐構型，超臨界CO2流化床鍋爐爐膛內工質受熱面份額顯著增加，近80%的吸熱在爐膛內完成，尾部煙道中布置煙氣冷卻器，空氣預熱器的換熱面積大幅增大。研究結果表明，較大的爐膛受熱面積占比強化了鍋爐效率對床溫變化的適應性；過量空氣系數為1.1～1.3時，工質焓升分布與受熱面布置匹配度最高，達到最佳效率區；運行負荷達到額度負荷的85%～100%時，對應工質流量下工質吸熱與受熱面尺寸匹配度最高，達到最佳效率區；S-CO2鍋爐效率隨負荷、工質流量變化的穩定性高于蒸氣循環流化床鍋爐；煤種中熱值、灰分、水分及硫分對鍋爐效率的影響較為顯著。

Fan等［26］設計了一臺1 000 MW 超臨界CO2循環中的燃煤鍋爐，研究了該鍋爐的傳熱性能、循環效率、加熱器布置和受熱面面積等，提出了一種具有最高熱工水力綜合性能的布置結構，凈效率達到47.57%，總受熱面積為316 426.18 m2。楊丹蕾等［27-28］提出了“冷超臨界CO2匹配熱煙氣”和“梯級溫度控制”原則來控制超臨界CO2鍋爐受熱面的過熱風險。研究結果表明：提出最優的布置能夠將過熱區溫度降低12～44 ℃，消除局部熱點；采用螺旋水冷壁能夠減輕周向的溫度分布不均。

Zhou等［29］構建了超臨界CO2鍋爐的燃燒和傳熱計算模型，分析和比較了鍋爐參數和受熱面布置的影響規律。結果表明，增加SOFA 風比率能有效實現熱負荷的均勻分布，提高爐膛壁面溫度會影響爐膛輻射傳熱性能，最終提高煙氣平均溫度。鍋爐的配置，包括煙氣再循環、雙爐膛策略、衛燃帶策略和鍋爐局部膨脹策略對于降低爐膛熱負荷都具有正面的效果，最終提出了一種新型的超臨界CO2鍋爐布置方案。朱萌等［30］改進了超臨界CO2鍋爐爐膛分段計算方法，利用該方法完善超臨界CO2鍋爐及動力循環設計方案。研究結果表明：該鍋爐與同等級常規燃煤鍋爐相比較，除末級旁路受熱面外的其余受熱面工質進出口溫度均大于常規鍋爐；超臨界CO2鍋爐總吸熱量比常規蒸氣鍋爐低273 MWth；超臨界CO2鍋爐除爐膛外，其余受熱面出口煙溫均高于常規鍋爐；超臨界CO2鍋爐輻射受熱面略增，高溫對流受熱面減小，低溫對流受熱面增加，總換熱面積增加了44%。

3.2 超臨界CO2鍋爐阻力特性

王生鵬等［31］開發了超臨界CO2鍋爐的熱工水力計算模型，結合超臨界CO2循環的性能計算模型，分析了壓降對系統效率的影響。研究結果表明，氣冷壁中CO2工質的流動方向對爐膛壁面溫度偏差具有顯著的影響，氣冷壁中采用垂直向上流動方案，再熱氣冷壁中采用垂直向下流動方面，有助于降低壁面的最大溫度和溫度偏差；質量通流對循環效率具有關鍵的影響，為了實現更高的循環效率，需要超臨界CO2鍋爐的質量通量設計的較小，從而實現更低壓降，但是這會增大壁面超溫的風險。

胡涵［32］和劉超等［33］提出了超臨界CO2鍋爐1/8分流理論，將冷卻壁分為四部分，形成了氣冷壁的新型概念設計，如圖2 所示。利用Fortran 編制了爐膛熱力計算和冷卻壁水動力計算耦合程序，給出了1 000 MW 超臨界CO2鍋爐氣冷壁的布置方案。研究結果表明，分流模式有兩點優勢：1）在相同管徑下，能夠有效減小壓降；2）在相同壓降下，管徑小，管壁溫度較低。分流模式下，冷卻壁管內質量流速減小一半，管長減小一半，摩擦壓降減小為1/8。當外徑為38 mm 時，主流工質壓降由全流模式下的1.97 MPa減小為分流模式下的0.58 MPa。

為了解決超臨界CO2鍋爐大壓降和低負荷時更低的再熱溫度問題，Tong 等［34］提出了一種新型的受熱面布置方案，并研究了它在低負荷時的性能特點。研究結果表明，在設計負荷下，鍋爐工質的總壓降降低了0.48 MPa；在30%負荷下，再熱工質溫度提高了7.62 ℃。當過量空氣系數為1.2～1.4時，超臨界CO2鍋爐達到了最佳的效率區域，對應的負荷在70%～100%。

3.3 超臨界CO2鍋爐燃燒特性

Cui 等［35-36］采用數值模擬方法研究了一臺10 MW 超臨界CO2循環流化床鍋爐耦合燃燒和傳熱情況，結果表明整個爐膛內的溫度分布較為均勻，爐膛出口溫度隨著熱流密度的增大而增大，CO2、SO2的排放濃度隨著邊界熱流密度的增大而降低，增加過量空氣系數引起爐膛出口溫度的降低，但是CO和SO2濃度會升高。加壓燃燒能夠強化燃燒和傳熱，降低污染物排放，增加燃燒效率。Cui 等［37］還對一臺600 MW CFB 鍋爐的爐內煤粉燃燒進行了數值模擬，研究了不同氣體速度下的流動形態和壓降以確定合適運行間隔。在快速CFB 內，由于受到增加流速的影響，孔隙率和氣固流速增加，意味著在變工況下具有更好的靈活性和可調節性。在最常用的運行流速下，超臨界CO2鍋爐相比蒸氣鍋爐具有更令人滿意的動態和燃燒特性，包括更均勻的溫度分布、更大的熱流密度、更低的污染物排放，這表明了超臨界CO2受熱面具有更好的傳熱特性和更高的燃燒效率。Gu 等［38］的研究表明，超臨界CO2循環流化床鍋爐的燃燒效率和CO、NO、SO2的排放都比常規蒸氣鍋爐中的要高。

陳明燕等［39］對一臺1 000 MW 超臨界CO2煤粉鍋爐進行了熱力系統分析與燃燒數值模擬，構建NOx超低排放設計方案，研究結構參數對脫硝性能的影響，并對SCR 脫硝系統內部結構進行了優化設計。研究結果表明，超臨界CO2煤粉鍋爐爐膛出口溫度比傳統水蒸氣鍋爐高，需要將該鍋爐的空預器分為2 級，將SCR 脫硝反應器置于2 級空氣預熱器之間，SCR 脫硝反應器前端的空預器吸熱量為215.83 MW。催化劑上游結構對催化層入口速度偏差影響最大。優化后的脫硝系統第1層催化劑入口相對標準偏差系數為10.19%。

Gu 等［40］采用數值模擬方法研究了一臺1 000 MW 超臨界CO2鍋爐的SOFA 風比例對爐內燃燒和NOx排放特性的影響規律，結果表明SOFA 比例對煤粉燃燒和NOx生成影響很大，隨著SOFA 比例的增加，主燃區氧氣濃度降低，CO 濃度更高，溫度更低，NOx排放也更低。

4 結論

超臨界CO2循環發電具有高效靈活的特點，對支撐我國傳統火力發電角色由基礎負荷向調峰負荷轉變具有深遠意義。超臨界CO2鍋爐是燃煤發電與超臨界CO2循環結合的關鍵核心設備，對機組的性能起到重要作用。本文綜述了超臨界CO2鍋爐的研究進展，主要結論如下：

1）相比傳統蒸汽鍋爐，超臨界CO2鍋爐工質平均吸熱溫度更高，因而受熱面溫度也更高，受熱面超溫的風險更大；超臨界CO2鍋爐的工質流量是傳統蒸汽鍋爐的6～8倍，受熱面阻力控制難度更大；超臨界CO2鍋爐污染物生成量和脫除方案具有獨特性。

2）耦合煙氣側和工質傳熱的數值模擬方法，可以用于優化燃燒系統和受熱面布置，從而降低受熱面超溫的風險。

3）輻射受熱面并聯的方法可以顯著降低鍋爐的阻力，但是會使爐膛結構更加復雜。

4）目前關于超臨界CO2鍋爐污染物排放和脫除方法的研究還較少，缺乏全面的研究和切實可行的方案。

下一步的研究方向包括：

1）簡單易行的超臨界CO2鍋爐減阻方案。

2）系統全面的超臨界CO2鍋爐的污染物排放特性和控制方法。

3）超臨界CO2鍋爐靈活特性。

4）超臨界CO2鍋爐受熱面應力特性。

5）超臨界CO2鍋爐的實驗或工程示范。