燃煤发电系统能源高效清洁利用的基础研究综述

杨勇平

（华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京市 昌平区102206）

0 引言

能源在现代社会经济发展中的作用日益显著。为了实现社会低碳环保可持续发展，一方面，可再生能源在我国能源体系中的占比不断提高，如太阳能、风能等，然而其具有间歇性、季节性等不稳定性，其并网易对电网运行造成冲击。而燃煤发电机组则可依靠自身安全稳定运行的调峰能力承担电力系统安全稳定运行的任务。另一方面，我国富煤贫油少气的资源特性决定了燃煤发电将长期在我国能源体系中占据主导地位。大容量、高参数的燃煤发电系统是实现煤炭能源高效清洁利用最可行的技术途径之一，是确保国家电力供应的最主要方式。同时，通过集中排放、集中治理，大容量、高参数的燃煤发电系统为解决环境污染问题提供了有效办法。

本文针对我国燃煤发电系统在能源结构变化及参数提高背景下面临的理论和技术双重需求，从高参数机组炉内高效燃烧与多场协同污染控制，超(超)临界锅炉水动力、热质输运及燃烧过程的耦合，燃煤发电系统冷端高效释热、余热梯级利用及多冷源集成，燃煤发电系统多过程耦合匹配与全工况能耗、污染物协同控制以及太阳能-燃煤发电互补特性与系统集成5 个方面展开论述，总结了高参数燃煤发电机组在关键单元、过程和系统耦合方面高效、清洁运行的新理论和新方法研究进展。这些研究通过燃煤发电热力过程的多尺度耦合、机-炉过程深度耦合及太阳能-燃煤多热源互补等新热力过程构建，达到高效热质转化和能源的深度利用，使燃煤发电机组能够在高效热功转换的同时实现污染物超低排放。

1 高参数机组炉内高效燃烧与多场协同污染控制

随着炉内低氮燃烧、易结渣腐蚀燃料和高温耐热钢的应用，产生的炉膛高温腐蚀、结渣积灰以及锅侧氧化膜脱落等问题，已成为清洁高效燃烧和热能安全高效传递的主要制约因素。高参数锅炉高效清洁燃烧机制的揭示，炉膛内气固多相燃烧的空气动力场、温度场、氧量场和固相浓度场的多场协同和精密组织，及其对大尺度燃烧空间的适应性，是保证炉内清洁高效燃烧的基础。燃煤化学能的安全、高效和清洁释放及热质输运规律，是实现高参数机组全工况高效运行和清洁排放的基础。针对这一科学问题，周昊等人围绕高参数锅炉气固多相燃烧的空气动力场、温度场、氧量场和固相浓度场的多场协同机理，多场协同控制炉膛高温腐蚀、积灰结渣和污染物生成，实现锅炉安全高效清洁多目标燃烧过程优化控制展开了研究。

针对污染物的生成与脱除问题，陆强等[1-2]探究了碱金属离子(Na+,K+)对煤的含氮模型化合物吡咯热解生成NOx前驱体路径的影响，重点研究了碱金属离子(Na+,K+)对反应路径中各步能量的影响，对比讨论了其热解过程的作用情况。采用密度泛函理论和B3LYP/6-31+G(d,p)方法，发现碱金属离子的存在大幅度降低吡咯环内部氢转移反应能垒，协同开环反应能垒；而碱金属离子的存在对分子异构化反应和最后的协同裂解反应影响有限，尤其是对分子异构化反应影响较小，主要原因是在分子异构化反应中未发生旧键断裂和新键生成的反应，且碱金属离子经空间几何结构优化后的位置，与内部异构化反应位置距离较远。给出了碱金属K+和Na+参与反应的具体作用机理，首先碱金属离子会与作用的碳原子产生临时键，该临时键能既可阻碍过渡态的反应，也可以促进过渡态的反应，当过渡态反应过程是以碳原子(碱金属作用位)发生断键反应为触发步，以该C 原子形成新键为结束步时，碱金属有促进该过渡反应的作用，降低其反应能垒；反之，当反应过渡态不是以碳原子发生断键为触发步，但以碳形成新键为结束步时，如碳存在键能的空缺或者以自由基形式存在，则此时碱金属抑制了该过渡态的反应，增大了其反应能垒。另外过渡态无旧键断裂和新键形成时或者碱金属离子距离过渡态主要震动原子较远时，碱金属对反应涉及到的能垒影响很小。烟气中NH3的均匀性是混合选择性非催化还原(SNCR)-选择性催化还原(SCR)脱氮过程中提高效率的主要因素。为提高混合性能和优化浓度均匀性，周昊等[3]提出一种优化的注氨格栅(AIG)，建立了一套1 :1 比例的注氨试验装置，提出一种新型的多斜喷嘴喷射网格，以取代传统的直接喷射网格。通过实验研究了0°、30°、45°三种不同倾斜射流角条件下的流场和示踪剂气体浓度场，得到了SNCR-SCR 混合系统SCR催化剂上表面前的速度分布和CO 混合性能。结果表明，与传统的直喷网格相比，斜喷网格具有更高的混合相互作用水平，斜喷注栅射流与横流的混合增强效果较好。研究还表明，倾斜角度对射流刚度和示踪剂气体稀释有重要影响。利用均方根偏差系数定量分析了示踪剂气体的流场和混合性能，倾斜角度为30°的多喷嘴混合效果最佳。

针对炉内高温腐蚀、结渣积灰等问题，周昊等[4-5]利用CFD 模拟了300 kW 中试煤粉炉不同炉膛温度下结渣探针的结渣情况，考虑了灰渣表面温度的变化，并对灰渣导热系数进行了载入。先对实验数据进行了进一步处理，得到了实验下的灰渣表面温度和灰渣有效导热系数等信息，这些参数可用于后续模拟的改进和验证。模拟结合陕煤煤灰Factsage 软件计算结果，通过动网格技术考虑了灰渣形貌的影响，然后将模拟结果和实验结果进行了比较。煤粉燃烧过程中，煤中的钠和氯会以氯化钠的气态形式释放出来，并冷凝在炉膛和烟道热交换器表面，从而引起设备沾污、积灰和结渣。此外，沉积物中高含量的碱金属氯化物也会加速过热器的腐蚀。为减少碱金属氯化物的形成，降低其对过热器的腐蚀，周昊等[6]利用垂直管式炉研究了空气气氛和富氧气氛下(NH4)2SO4添加剂对准东高碱煤钠捕获效果的影响。利用金相显微镜及图像处理技术获得烧结过程中气泡数量、平均面积和孔隙率随烧结时间变化的规律，并结合气泡内矿物成分分析结果，得出了烧结过程气泡形成的机理。同时对气泡中的冷凝气体物质进行XRD 检测，此研究为后续灰渣流动性及导热研究奠定了基础。利用在线测量技术，周昊等[7]探究了硫酸氢氨积灰的生长特性，重点探究了探针温度对硫酸氢氨积灰的影响机理。根据ABS 在探针上具有富集现象，并从XRF半定量分析结果发现，下层中的硫含量明显大于上层中的硫含量，下层中的硫含量随着探针表面温度的增加而减小，而在灰渣外层中的硫含量几乎不随探针温度变化。

周昊等[8-9]又开发了数字全息三维测量方法，探究了煤粉颗粒的粒径、浓度、三维空间分布、三维边界轮廓、运动速度等参数的在线测量，重点研究了煤粉燃烧初期阶段挥发分的演变及碳烟形成过程，分析了挥发分物质与煤粉颗粒气固两相的速度滑移现象。并开发了煤粉细度测量仪和全息高温探针，用于燃煤电厂中一次风粉管道的煤粉粒径和炉膛等高温环境颗粒粒径、三维位置、颗粒速度等参数的测量。

2 超(超)临界锅炉水动力、热质输运及与燃烧过程的耦合

为实现化学能清洁释放和热能安全高效传输，段远源与雷贤良等围绕锅侧介质的热力学状态精细表征，锅侧氧化膜的动力学生长特性的精确预测，以及对工质水动力学及传热特性、炉-锅耦合传热特性的科学问题展开研究，获取了超高温超高压水的基础物性数据，更加完整地揭示了水在高参数机组全工况运行状态下的热物理性质，金属在超临界水中的氧化反应机理，超临界流体传热恶化发生的机理，以及积灰、氧化膜和机组变工况运行条件下的传热规律，为燃烧与水动力的优化匹配和高参数机组高效、安全运行提供科学依据。

针对锅侧介质的热力学状态精细表征问题，雷贤良等[10]根据热物理性的非线性变化，明确了近临界区，通过在一个4 mm 圆管中近临界区CO2水平流传热特性实验，研究了近临界区不同压力下的壁面温度和传热系数分布，分别在过冷区、两相区和过热区建立了一组沸腾传热关系式，提出了NCR 临界热流密度的一种新的预测关系。

针对锅侧氧化膜的动力学生长特性的预测，陈民等[11]针对超临界锅炉中采用的加氧给水处理方式，通过分子反应力场模拟揭示了铁在溶解了氧气的超临界水中的氧化反应微观机理，明确了溶解氧的激活表面铁原子及吸收水解离质子的二重作用，提出一种溶氧加速的超临界氧化反应机制，揭示了溶解氧浓度对超临界水氧化速率的影响规律，为超临界锅炉加氧给水处理技术的发展提供指导。

针对超临界流体传热恶化问题，雷贤良等[12]在搭建超临界锅炉水冷壁管屏内流量分配的热态实验台，开展变压运行工况下管屏内流量分配的实验研究方面，提出了适用于高温高压两相流体相含率测量的冷却转换单相测量法，解决了高温高压条件下难以准确测量两相流动过程中各相流体参数分布的难题，可有效避免参数测量过程测量元件对并联管内汽水两相流的流动和分配的干扰。在此基础上，进一步设计了高温高压下汽水两相流流量分配特性实验测试段，目前已完成了实验系统的改造与调试工作。

为探究金属在超临界水中的氧化反应机理，雷贤良等[13]开展了炉侧热流输入边界条件、积灰和氧化膜热物性对炉锅传热性能影响的研究，完善了锅侧水冷壁传热优化模型，分析了变煤种对三维炉锅耦合传热的影响，分析了锅炉变负荷运行对炉内传热的影响，提出了适用于超临界工质的新传热恶化定义方法。与现有的定义方法相比，新传热恶化定义方法辨别传热恶化工况和非传热恶化工况的准确度显著提升，均高于95%。

3 燃煤发电系统冷端高效释热、余热梯级利用及多冷源集成

环境气象条件、电厂水文资源和机组负荷变化显著影响燃煤发电余热能利用及释放效率。目前燃煤发电余热释放途径单一，机组在实际运行中表现出对环境变化的弱适应性，因此冷端系统存在巨大的节能潜力。冷端系统在设计时与气象条件和水文资源的优化耦合以及在运行时对环境和负荷变化的灵活响应，与基于正、逆循环耦合以及储能等技术的热电多联产全工况新型调控策略，均能有效扩展火电机组节能空间，实现燃煤发电余热能高效梯级释放并形成多（冷）源互补集成机制。围绕适应复杂环境条件、满足大规模热负荷集中排放需求的燃煤机组冷端释热机理和多冷源耦合特性规律及其与环境协同的响应特性的科学问题，杜小泽与杨立军等展开研究，揭示了燃煤发电系统冷端释热和余热利用对外部环境的协同响应特性，发展了大规模冷端能量集中高效释放和余热梯级利用的设计理论；提出了适应复杂环境气象条件的冷端换热装备传热面结构和布局优化方法，以及燃煤发电机组多冷源耦合匹配与集成原则；开发了大机组冷端余热高效梯级利用技术。

围绕不同冷却方式，以适应环境风场的大尺度混合对流表面构建原则、空气流道设计原则和以冷端系统热力性能和自然环境条件耦合作用机理为基础，杜小泽等[14-15]展开了冷端系统释热的优化设计方法研究。以间接空冷系统、凝汽器、汽轮机及回热系统为研究对象，对间接空冷系统建立CFD 计算模型，对凝汽器、汽轮机及回热系统建立变工况计算模型，通过迭代算法将CFD计算和变工况计算相结合，计算不同环境条件下机组供电煤耗率，并以供电煤耗率为评价指标，分析了不同环境条件下间接空冷机组的运行经济性。根据火积耗散理论，以实际运行要求为约束条件，并将流量调节变化引起的泵功消耗纳入考量，得到了特定气象条件下间接空冷电站最高效安全运行的参数。

杨立军、胡和敏等[16-18]针对复杂自然环境条件，研究了多冷源的耦合机制及其热负荷配比优化，获得了中国多冷源形式及冷却方式的自然环境适应性原则，建立了无风工况下的空气侧串联的干湿联合冷却计算模型。结果显示，与传统湿冷系统相比，干湿联合冷却系统在耗水量减少50%的情形下，换热量达到其70%。通过调节湿冷段流量分配，热负荷波动可达50%，能够充分适用于当前灵活性调峰下的热负荷需求。同时，干湿联合冷却系统可消除湿冷系统出口水雾，避免潜在的污染。

为研究多冷源耦合特性规律，杜小泽等[19-20]通过实验的方法测试了斜温层相变蓄热罐在同时蓄放热工况、周期性热源工况及循环蓄放热工况下的运行性能。针对夏季白昼高温造成的背压过高与用电高峰的固有矛盾，提出了在传统火电冷端加装冷量调度装置(充装溴化锂/水溶液)方案，充分利用昼夜温差，实现空冷系统制冷量在昼夜间的调度及其无障碍释热，保证电量在用电高峰的充分输出[21]。

4 燃煤发电系统多过程耦合匹配与全工况能耗、污染物协同控制

燃煤发电系统能耗和污染物的时空分布，系统内热力过程、污染物脱除和热工控制的多过程耦合及能量的梯级利用，是实现全工况能量高效利用与清洁排放协同的核心。燃煤发电机组容量不断增大和参数不断提高，其能耗和污染物迁移特性随机组负荷、煤种、环境及运行方式的变化更加复杂，对其时空分布的深刻认识，是高参数燃煤发电机组高效清洁运行的前提。燃煤发电机组关键换热设备、热功转换设备、流体压缩及输运设备全工况性能的揭示，燃煤发电系统中各种污染物随温度和湿度的变化规律，及污染物脱除流程和烟气余热利用过程之间的相互作用机制，是进行多过程匹配的基础。烟气、蒸汽、空气等多种介质流程的系统重构，燃烧过程、热质输运过程、热功转换过程、污染物脱除过程等优化匹配，以及热力系统与热工控制方式的耦合，是实现高效热功转换与污染物脱除协同控制的有效手段。围绕这一关键科学问题，严俊杰等展开研究，揭示了燃煤发电机组全工况能耗与污染物的时空分布规律；建立了热力系统与控制系统耦合的变负荷优化运行策略；建立了烟风和工质能量传输与热功转化的多过程耦合匹配与流程重构方法，实现了高参数燃煤发电高效热功转换和多品位热能的高效梯级利用；揭示了燃煤发电污染物脱除和余热利用的耦合作用机制，实现了清洁与高效的协同。

为研究燃煤机组污染物迁移特性，严俊杰等[22]开展了烟气污染物成分激光诱导击穿光谱(LIBS)测量方法研究，获得了提高其精度的温度修正方法。以飞灰在线测量中存在的高浓度二氧化碳，以及变灰种等工况下的在线测量优化为研究目标，设计搭建了LIBS 在线测量实验平台，对复杂多变工况条件下飞灰在线定量测量方法开展了研究。研究结果表明，基于等离子体演变过程的优化可以提高LIBS 测量能力。同时，研究了激光诱导气溶胶等离子体过程，通过控制激光脉宽，可以有效减小环境气氛的影响，提高飞灰中碳含量的测量精度。此外，开展了不同含碳量飞灰样品的LIBS 实验研究，获得了各样品等离子体温度随延迟时间变化的规律。在同时测量不同种类飞灰样品时，基于等离子冷却过程中样品表面的影响，在BP 神经网络模型输入端加入不同延迟时间的信号，获得了优化的定量测量模型，提高了定量分析的准确性，降低了平均预测残差。

为建立热力系统与控制系统耦合的变负荷优化运行策略，严俊杰等[23-25]研究了不同调节方案对燃煤机组变负荷性能的影响规律。以某660 MW 超临界燃煤发电机组为例，建立了该机组瞬态模型，开展了瞬态过程变负荷性能的定量分析，获得了6 种热力系统调节方案对机组变负荷性能的影响规律。研究表明，机组内部能迅速转化为电能的储热可用于提升机组的变负荷性能。在5 种具有升负荷调节能力的方案中，高加抽汽节流(TESHPH)提升系统变负荷性能的潜力最大，平均变负荷速率为6.31%THA·min-1，最大功率输出量为7.33%THA，所需时间为45 s；凝结水节流方案(CWDHPH)潜力最小，平均变负荷速率为1.26%THA·min-1，最大功率输出量为1.95%THA，所需时间为152 s。只有凝结水增加方案(CWIHPH)具有降负荷调节能力，对应的平均变负荷速率为-0.61%THA·min-1，最大功率输出量为-0.86%THA，所需时间为83s。

针对实际运行状态下燃煤发电污染物脱除特性，严俊杰等[26]以燃煤电站瞬态过程脱除特性全工况研究为目标，以某600MW 燃煤发电机组为例，建立了瞬态过程NOx脱除模型，开展了瞬态过程SCR 脱硝特性研究，获得了SCR 入口NOx浓度、喷氨量、烟气流速、烟气温度阶跃扰动时SCR 脱硝的动态响应特性，为燃煤电站瞬态过程NOx控制奠定了基础。

针对烟气、蒸汽、空气等多种介质流程的系统重构与余热利用问题，严俊杰等[27-29]研究了乏汽热能与水回收的耦合机制，进行了流程优化，获得了乏汽热能和水回收装置全过程运行特性。对含灰湿空气对流凝结换热特性进行研究，获得了灰分浓度、水蒸气质量分数等参数变化时烟气换热器积灰特性和换热性能的变化规律。结果表明，当水蒸气质量分数为15%和20%时，对流冷凝换热系数呈现出持续降低的趋势；而当水蒸气质量分数为25%时，对流冷凝换热系数先降低，后保持稳定。随着水蒸气质量分数的增加，积灰状态从管束被严重堵塞状态向能够形成稳定的积灰层状态转变。整体而言，对流冷凝换热系数随水蒸气质量分数的增大而增大，同时高水蒸气质量分数有助于削弱积灰引起的传热恶化。

5 太阳能-燃煤发电互补特性与系统集成

太阳能等可再生能源与燃煤的互补输入是进一步降低燃煤发电煤耗和减少污染物排放的有效途径。太阳能-燃煤互补发电系统涉及光热转化、燃料化学能释放及热质输运和热功转换等复杂过程，揭示不同品位、不同容量太阳能输入对燃煤发电热力系统、过程和单元原有拓扑结构的影响机制，以及热力系统在外部非稳态热源输入条件下的复杂变工况特性，是构建多源互补输入发电系统的基础。围绕这一科学问题，段立强等展开研究，揭示了太阳能-燃煤互补发电系统能量迁移和能耗分布规律，发展了多源输入系统集成理论；揭示了互补发电系统全运行工况下的热力特性；发展了以全工况优化为目标的太阳能-燃煤互补发电系统优化设计方法；提出了互补发电系统不同能源贡献度的定量表征方法。

针对热力系统在外部非稳态热源输入条件下的复杂变工况特性，徐超等[30]研究了太阳能-燃煤互补发电系统特性参数的时空分布规律，并进行了太阳能-燃煤互补发电系统优化设计。针对塔式太阳能热发电站，提出一种基于环路热管的新型太阳能吸热器。该吸热器利用回路热管的蒸发段吸收高倍聚焦的太阳光并将其转化为热能，进而将蒸发段内毛细芯的热管工质蒸发。蒸发后的热管工质从蒸发段经由蒸汽通道流动到冷凝段，并在冷凝段通过冷凝将热量转移到流经冷凝段的吸热器传热介质。冷凝后的热管工质返流至蒸发段，完成循环。如此，在热管工质的输运作用下，热量持续不断地由蒸发段传输到吸热器的传热介质。热管工质的循环动力来自蒸发段毛细芯的毛细作用力，因此无需外加动力。孙杰等[31]提出一种应用于密集阵列聚光光伏发电模块的旋转对称连接方式，获得了旋转对称连接及传统连接的电学性能和温度性能。

针对太阳能-燃煤互补发电系统能量迁移和能耗分布规律，侯宏娟和翟融融等建立了太阳能协同燃煤电站模型，研究了协同系统相互耦合、相互作用的运行机制，开展了太阳能协同燃煤电站的安全性及热经济性分析[32-33]；并针对互补系统关键设备建立动态物理模型[34]，包括锅炉系统模型、汽轮机系统模型、太阳能集热场系统模型。通过动态模拟仿真，研究了太阳能燃煤互补发电系统2 种能量间的耦合作用及互补特性，揭示了引入太阳能对锅炉运行的影响规律，制定了互补系统全工况调节控制方案，维持互补系统稳定、安全运行。揭示了槽式太阳能与燃煤发电系统的部分动态性能，包括系统启停过程中及典型日工况下系统主要运行参数的变化规律。当太阳能充足时，全部或部分锅炉给水在油水换热器中被吸收太阳能后的导热油加热。在此过程中，高加抽汽被太阳能全部或部分替代，被替代的高加抽汽可在汽轮机中继续膨胀做功。集热场侧选取的集热器型号为LS-2，导热油为VP-1，设计点的DNI值是900W/m2，入射角为0°。设计工况下高加抽汽完全被集热场所取代时，所需导热油流量为980 t/h，集热场面积为97 968 m2，油箱的储油量为1h。

针对太阳能-燃煤互补发电系统涉及光热转化、燃料化学能释放及热质输运和热功转换等复杂过程，段立强等[35-36]使用解析几何方法，通过定日镜相对关系，快速排除不会造成阴影遮挡的定日镜，对潜在问题的定日镜再使用Sassi 方法进行判断。阴影遮挡损失计算时间提高30%，对计算精度没有影响，并提出SAPG 系统的通用系统集成优化方法及SAPG 系统多目标优化策略。

针对互补发电系统全运行工况下的热力特性，翟融融等[37-38]提出了塔式太阳能辅助燃煤机组耦合机理，揭示了塔式太阳能辅助燃煤发电系统年性能及动态特性。在100%、75%和50%负荷条件下，锅炉对太阳能热量的吸纳极限分别为76.4、54.2 和23.0MW；随着太阳能热量的增加，系统标准煤耗量和二氧化碳排放量随之降低。对于100%负荷，当耦合系统吸纳的太阳能热量由0MW 增加到76.4MW 时，耦合系统的标准煤耗率由273.84 g/(kW·h) 下降到260.31 g/(kW·h)，其二氧化碳排放量由774.70 g/(kW·h)下降到736.42 g/(kW·h)。对于75%负荷，当耦合系统吸纳的太阳能热量由0 MW 增加到54.2 MW 时，耦合系统的标准煤耗率由284.73g/(kW·h)下降到271.92 g/(kW·h)，其二氧化碳排放量由805.51 g/(kW·h) 下降到769.6 g/(kW·h)。对于50%负荷，当耦合系统吸纳的太阳能热量由0 MW 增加到23.0 MW 时，耦合系统的标准煤耗率由300.40g/(kW·h)下降到292.18 g/(kW·h)，其二氧化碳排放量由849.82 g/(kW·h)下降到826.57 g/(kW·h)。耦合系统在100%、75%和50% 负荷条件下最大的节煤率分别为13.53、12.81 和8.22 g/(kW·h)。

6 结论

以上研究在科学理论层面，在燃煤发电系统能效提高的理论和方法上取得了创新性成果，为实现高参数燃煤发电的高效清洁协同优化奠定了科学基础。在关键技术层面，通过深入挖掘燃煤发电系统全工况能效提高的潜力，突破高参数燃煤发电高效热功转换与清洁排放协同的关键技术，提高了大型燃煤发电机组深度调峰及大规模接纳太阳能等可再生能源的能力。后续研究可针对大型燃煤发电多过程、多资源系统集成机理，揭示全工况条件下能质输运规律及其与外部资源环境的耦合机制，努力实现大型燃煤发电高效清洁的多目标协同，探索燃煤发电高效热功转换和清洁运行的前沿理论和技术，保障我国能源可持续发展。