面向超临界CO2循环的煤加压流化床富氧燃烧基础问题研究

A novel clean coal power generation technology is proposed in this proposal. According to China’s 13th five - year national development plan of energy, the coal should be utilized in clean and efficient technology. Therefore, a pressurized Oxy-coal combustion fluidized bed is proposed as reactor, and a supercritical CO2 cycle is adopted to replace the vapor Rankine cycle. The investigation will focus on two key scientific problems: research and development of a novel pressurized Oxy-coal combustion fluidized bed with supercritical CO2 cycle, and the characteristics of the proposed novel combustion system. Main research work would be take place in three different ways, including: cycle design, design a novel thermodynamic cycle of a pressurized Oxy-Coal combustion fluidized bed with supercritical CO2 cycle, and the conception design of the combustion boiler; fluidized bed constructing, a series of mechanism tests on the heat transfer properties of S-CO2, pressurized Oxy-Coal combustion and pressurized gas-solid flow characteristic would be used to design and set up a small-scale pressurized Oxy-coal combustion fluidized bed, and the characteristics research of coal combustion process and the regulatory mechanism of operation condition. In general, the research foundational of this proposal is well prepared, and the preliminary researches had also gained remarkable progress, a series of innovative findings would be achieved after this study.

本项目针对我国能源“十三五”规划中“煤炭清洁高效开发利用”重大需求，提出以加压富氧流化床为煤燃烧反应器，以超临界CO2为循环工质的新型高效、近零排放燃煤发电技术。围绕“加压富氧流化床S-CO2锅炉构建方法、加压富氧流化床燃烧系统特性”两个关键科学问题，开展三项研究：(1)系统设计，构建加压富氧流化床驱动的煤基S-CO2循环发电新系统，并开展新型反应器概念设计；(2)装备构建，加压富氧燃烧机理和加压气固流动特性研究，设计建成以S-CO2为工质的加压富氧流化床小试装置；(3)特性研究，实验研究典型煤颗粒加压富氧燃烧过程特性，及反应器尺度特殊燃烧条件下气固组分定向调控机制。申请人及所在团队在热力系统构建、加压流化床燃烧等方面均有良好积累，可预期形成具有独立知识产权的新型洁净煤理论及技术，发展加压富氧流化床燃烧方法及关键装置，在煤炭清洁高效利用技术上取得突破性进展。

本项目提出以加压富氧流化床为煤燃烧反应器，以超临界CO2为循环工质的新型高效、近零排放燃煤发电技术。围绕“加压富氧流化床S-CO2锅炉构建方法、加压富氧流化床燃烧系统特性”两个关键科学问题，展开了系统的理论、实验与模拟，取得的创新性成果如下：.在系统设计方面，构建了加压富氧流化床驱动的煤基S-CO2循环发电新系统，综合考虑S-CO2 工质的热物理性质、考察煤燃烧化学能释放速率与能量综合梯级利用效果，自主设计燃煤S-CO2发电新系统工艺流程，确定系统的最佳流程配置及关键参数，所设计系统计选定燃烧压力为6bar，主汽温度/压力为650°C/30MPa，该系统循环发电效率达到50.93%。.在装备构建方面，本项目自行设计构建了S-CO2流动传热机理试验系统以及加压流化床富氧燃烧试验系统各1套，目前均运行良好，可重复性实验。.在理论、实验及数值研究方面，首先，在S-CO2流动传热机理试验系统上开展了垂直管道内S-CO2传热特性实验研究，研究进口温度、进口压力、质量流量与热流密度等运行参数以及流动方向对传热的影响，同时开展S-CO2垂直管内流动传热数值模拟研究，比较了正常传热与传热恶化的差异，结合实验数据与数值模拟结果，建立S-CO2传热数据库，基于深度神经网络模型，综合考虑热物性以及运行参数对S-CO2传热的影响，分别提出高精度对流传热系数预测关联式与临界热流密度预测关联式。.其次，在加压管式炉和一次性投料小型加压流化床上分别开展了煤热解和煤焦燃烧实验，从颗粒尺度研究了燃烧压力和气氛对煤颗粒燃烧的影响规律；随后，构建了适用于描述加压流化床内煤焦颗粒燃烧过程的数学模型，采用数值模拟方法对煤焦颗粒在加压富氧条件下的燃烧机制进行了细致研究；最后设计构建了热输入30kW的加压流化床煤富氧燃烧系统，并在此基础上开展了大量实验研究，从设备尺度探索了系统的运行特性及调控方法。.发表项目标注（项目号51876037）论文13篇，其中，SCI收录期刊论文8篇，EI收录期刊论文13篇，参加第37届国际燃烧会议宣读并发表会议论文1篇，获得授权发明专利1件。