1.研究背景

我国以煤为主，燃煤发电面临提高效率及降低污染物排放重大需求，超临界燃煤发电效率已达47%，进一步提高效率受到耐高温高压材料限制。随着新能源发电比例的提高及并网需求，需要燃煤发电具有深度调峰能力。超高参数二氧化碳（简称S-CO₂）燃煤发电，采用超临界CO₂布雷顿循环及可能的复合循环，吸收燃煤化学能，产生超高温压参数CO₂蒸气，实现高效热功转换，相同温压条件下比水蒸气机组发电效率提高约5%。CO₂化学性质不活泼，可降低发电机组对材料的苛刻要求，使进一步提高蒸气温压参数和发电效率成为可能。该发电系统运行在超临界压力，CO₂通流能力大，成倍减小发电系统尺寸，是能源领域变革性技术。

研究超高参数二氧化碳燃煤发电系统锅炉特性。S-CO₂在锅炉吸热过程中，物性与常规超临界水差异显著，相同工作压力温度下，S-CO₂密度约是水蒸汽的2倍，比热容约为水蒸汽的1/3，导致S-CO₂锅炉流动及传热特性与常规水蒸汽锅炉变化显著，对锅炉高效低污染燃烧及调控带来全新挑战。本研究借助先进分析仪器和模拟计算方法以及中试实验，研究在锅侧S-CO₂边界条件下，炉内燃烧特性及反应机理，解决S-CO₂燃煤发电系统锅炉高效低污染燃烧及调控难题。代表性的锅炉概念设计和样机如图1和图2所示。

本研究设置4个具体研究内容：①S-CO₂边界约束条件下煤粉多相燃烧瞬态反应机理；②基于弥散介质辐射传热理论的S-CO₂锅炉火焰特性与火焰组织；③S-CO₂锅炉全流程炉侧与锅侧传热耦合与动态特性；④燃煤S-CO₂炉体创新构型、系统评价与原理样机研制。

本研究突破常规水蒸气锅炉的组织局限，重点突破S-CO₂边界约束条件下，炉内煤粉燃烧及传热实验测量与分析，实现理论及实验创新。

2.主要研究内容

（1）S-CO₂边界约束条件下煤粉多相燃烧瞬态反应机理

针对S-CO₂锅炉热负荷特性，研究复杂气氛下的煤粉着火行为、燃尽特性及结焦结渣机理；研究煤粉微细/微纳结构表面的流动特性、温度特性及浓度特性，揭示煤粉燃烧能量释放、流动、传热机理；研究燃烧化学反应动力学，构建物质流、能量流输运模型，揭示微观结构特征、瞬态化学反应机理与宏观现象间的内在联系与规律；探索尺度跨接下的多场协同原理，实现减阻、强化传热与高效燃烧、抑制结焦的统一；开展宽煤种与锅炉性能的适应性分析。

（2）基于弥散介质辐射传热理论的S-CO₂锅炉火焰特性与火焰组织

研究炉内煤粉燃烧与火焰传播特性；揭示S-CO₂发电系统锅侧和炉侧强耦合条件下的燃烧温度场、压力场及浓度场时空变化规律，阐明变工况非稳态火焰强度及分布特性；研究炉侧火焰组织与强化，获得不同工况条件下火焰组织与控制策略，实现炉内火焰辐射热负荷分布与锅内工质吸热的最佳耦合与匹配。

（3）S-CO₂锅炉全流程炉侧与锅侧的传热耦合与动态特性

研究基于S-CO₂二次再热循环的多级半辐射半对流受热面传热耦合特性，探索烟气控温与调温方法；研究耦合S-CO₂高温壁面的烟气流动与传热特性，确定低温对流受热面烟气流动特性及其与S-CO₂工质侧的匹配原则；构建并优化S-CO₂锅炉逐级控温升温系统，提出基于S-CO₂物性的锅炉热力计算方法及放大准则。研究S-CO₂锅炉运行参数扰动下的动态规律及响应特性，研究S-CO₂锅炉燃烧控制方法，提出全负荷典型工况下热流动态调控策略。

（4）燃煤S-CO₂炉体创新构型、系统评价与原理样机研制

创新炉膛构型，调控火焰温度和S-CO₂温度优化匹配，解决S-CO₂高温受热面布置与炉膛燃烧空间需求的矛盾；建立燃煤S-CO₂锅炉的多相流动、热质传递与化学反应耦合的数理模型与数值模拟方法，构建燃烧数值实验平台；开展大容量1000MW燃煤S-CO₂锅炉原理性放大设计与优化数值实验，揭示关键装置的放大规律；提出燃煤S-CO₂锅炉系统集成及评价方法。研制锅炉炉体原理样机，打通理论瓶颈，完成技术路线。

图1 1000MW级锅炉概念设计

图2 300kWth S-CO₂燃煤锅炉样机

3.主要创新点和贡献

以发展超高参数CO₂燃煤发电系统并实现发电效率大于51%为目标，提出S-CO₂锅炉煤燃烧机理与设计方法，特别注重超临界CO₂物理化学性质对发电系统的影响机理，及注重锅炉高效低污染燃烧及调控策略与炉型设计，具体创新点为：

揭示了S-CO₂工质条件下的锅炉煤燃烧机理。探明煤粉颗粒表面微细尺度燃烧、近壁区附面层与主流区质量、动量及能量传递及其相互作用机制；掌握煤粉颗粒在S-CO₂壁面边界条件下的着火、燃尽、结焦等关键燃烧特性，揭示煤粉高效稳定燃烧机理；揭示S-CO₂锅炉炉内流场、温度场、氧量场、浓度场分布特性，建立多相反应流测控与调控方法。

建立了S-CO₂燃煤锅炉热力计算方法，提出了高效S-CO₂锅炉创新性构型。调控火焰温度和S-CO₂温度优化匹配，解决S-CO₂高温受热面布置与炉膛燃烧空间需求的矛盾，建立燃料化学能释放与S-CO₂能量吸收高效动态耦合理论方法；建立适应S-CO₂发电系统的锅炉热力计算方法及放大准则，创新炉膛设计。

本课题创新性研究S-CO₂循环的燃煤发电系统锅炉燃烧特性，研制S-CO₂循环的燃煤锅炉原理样机，实现在600℃等级初温条件下S-CO₂循环的燃煤发电系统效率50%以上，这是常规超临界水蒸汽发电难以达到的，同时S-CO₂循环的锅炉技术还可用于核电，太阳能等其他能源转换系统，将推动整个能源产业的变革。

4.重要论著及专利