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    再加上高温高压的二氧化碳,它也可以成为发电方面的“专家”

    发布日期:2021-01-30 00:59 论文发表

    在最近结束的中央经济工作会议上,“做好碳峰值和碳中和”被列为2021年的重点任务之一。

    在国家重点R&D计划的专项成果中,有一批清洁高效利用煤炭和节能新技术。《科技日报》记者从科技部高技术研发中心了解到,国家重点研发计划“煤炭清洁高效利用及节能新技术”中专门部署的“超高参数高效二氧化碳燃煤发电基础理论及关键技术研究”项目,由华北电力大学牵头,取得重要突破。超高参数二氧化碳(sCO2)燃煤发电系统利用高温高压二氧化碳代替水蒸气实现动力循环和发电。最终完成了发电效率为51%的1000 MW系统的概念设计,为逐步推广大容量、超高参数二氧化碳燃煤发电系统的示范和应用奠定了理论和技术基础。

    为了做好碳峰值和碳中和工作,中国承诺在2030年左右实现二氧化碳(CO2)排放峰值,力争在2060年前实现碳中和,这就需要大幅减少CO2排放。

    “一方面,发挥煤碴石的作用,支持洁净煤发电。另一方面,大力发展可再生能源,实现多能源互补,保障能源安全。”项目负责人、华北电力大学教授、教育部重点实验室主任徐进良在接受《科技日报》采访时表示。

    用可再生能源发电时,不稳定,变脸快,导致弃风弃光的现象。为了跟上这种“变脸”,煤炭发电需要快速改变负荷。

    “超高参数二氧化碳燃煤发电由于热源温度高,与蒸汽发生器相比具有明显的效率优势,减少了CO2排放。同时,sCO2发电机组设备少、体积小、惯性小、灵活性强,能够实现快速提负荷,这是蒸汽发电难以实现的。”徐进良表示,sCO2发电对于平衡电网负荷波动、保持供需平衡具有重要意义,是未来的发展方向。

    在此基础上,国家重点R&D计划“煤炭清洁高效利用及节能新技术”重点专项项目“超高参数高效二氧化碳燃煤发电基础理论及关键技术研究”应运而生。

    记者了解到,该项目旨在研究和解决超高参数二氧化碳燃煤系统的能源梯级利用、热力循环和热力优化理论等关键科学问题,以及关键部件的能量和质量转化与传递机理,突破锅炉燃烧与污染物控制、换热器、汽轮机、一体化系统设计等关键技术。

    “在我国发展sCO2燃煤发电的过程中,基于我国国情和自主创新的指导思想,我们将采取与国外不同的技术路线。我们既考虑原始创新,也考虑项目落地需求。”徐进良说。

    在目标上,应梳理出在热力系统建设、关键设备机理、设计、制造、运行等方面相同而又不同的sCO2煤发电和蒸汽发电,以及应重点解决的技术问题。

    “针对关键技术突破,形成系统的热力系统建设、关键设备运行机制、实验验证的理论和方法,支撑我国二氧化硫煤发电产业的发展。”徐进良说,通过研究,有必要回答使用二氧化硅煤发电在节约煤炭资源、减少二氧化碳排放和经济方面的优势,这些分析应该基于定量数据。

    徐进良介绍说,该项目

    “最典型的是发现超临界流体的材料结构不均匀,颠覆了超临界流体具有均匀流体结构的常规认知。这一发现对关键部件设计和操作技术的发展具有重要意义,大大提高了关键设备的设计精度,保证了安全性。”徐进良说。

    超临界状态是物质的一种状态,超临界流体在自然界和工程中应用广泛。该项目的超临界非均质材料结构研究也引起了国际学术界的关注,美国学者长期以来在发表的论文中积极引用和评价该项目的工作。

    “本项目的工作指导了工程实践,项目理论指导了华北电力大学建立的超高参数二氧化碳实验装置的建设。该实验平台压力高达26 MPa,而国际超高参数二氧化碳数据集中在8MPa左右,难以满足项目实际需要。该实验平台的建立弥补了国际上超高参数二氧化碳传热数据的不足。”徐进良说,此外,该项目的成果还将指导我国小容量超临界二氧化碳燃煤机组的研发。

    首先是“反四只”的结果。项目的实施不以发表论文和专利为指挥棒,而是能真正解决关键科技问题为检验结果的标准。因此,项目团队克服困难,大胆创新,取得了良好的效果。

    二是管理体制改革,使得项目实施更加顺畅。科技部实施了“发布管理套装”改革,简化了项目管理,减少了各种表格的填写,让科研人员有更多的时间思考科技问题和做研究,提高了研发效率。

    三、项目组实施“挂图施工”,项目负责人督促项目组成员严格按照时间节点完成研发任务,确保质量和各课题间的数据交叉。

    关于解决未来项目的关键问题,徐进良认为,与蒸汽发电机组相比,sCO2燃煤发电是一项颠覆性技术,涉及许多关键技术的研发,商业化需要一段时间,但它代表了能源和电力行业的发展方向。

    徐进良建议,在“十四五”期间,我国应围绕sCO2煤发电建设全面的关键技术和系统集成平台,验证所获得的sCO2煤发电理论和方法,获取运行数据,系统评价材料的耐久性,评价sCO2煤发电在经济和环保方面的优势,为建设商业化sCO2煤发电机组奠定基础。

    “与此同时,大型sCO2煤发电机组的发电设计也开始了。地方政府和企业也积极参与了sCO2发电技术的研发,开辟了sCO2太阳能发电和sCO2中高温余热发电的新模式。”徐进良说。


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