700℃超超临界高温耐热材料热力安全基础问题研究

Coal is our most important primary energy, and 700℃ ultra-supercritical power generation technology is the main direction of the energy-saving field. The project is based on the sustainability of China's energy development and energy conservation which is refered in the national long-term science and technology development planning framework and the national "Twelfth Five-Year" scientific and technical development plan. The project based closely around the high-temperature heat-resistant material thermal safety, which is the core problem of the 700℃ ultra-supercritical power generation. Basic researches are made on the hydrodynamic coupling characteristics based on the thermal safety of high-temperature heat-resistant material, the effect of ash deposition on thermal safety performance of high-temperature heat-resistant material, and high-temperature heat-resistant material and characteristics of the oxidation corrosion of high-temperature heat-resistant material.The purpose is to create the thermal control theoretical system based on the safety of high-temperature heat-resistant material on the 700℃ ultra-supercritical condition. The implementation of the project will promote the rapid development of 700℃ ultra-supercritical power generation technology, and the formation of the theoretical system of heat-resistant material thermal safety will provide theoretical support for our 700℃ ultra-supercritical power generation technology.

煤炭是我国最主要的一次能源，700℃的超超临界发电技术是能源领域主要节能减排的方向。项目以《国家中长期科学和技术发展规划纲要》和《国家“十二五”科学和技术发展规划》中我国能源可持续性发展与节能减排为依据，紧密围绕未来700℃超超临界发电技术中高温耐热材料热力安全这一核心问题，针对基于高温耐热材热力安全的燃烧与水动力耦合作用特性、灰沉积对高温耐热材料热力安全性能的影响以及高温耐热材料氧化腐蚀机理三个方面开展基础研究，建立高温耐热材料在700℃超超临界极端热力条件下，确保高温耐热材料热力安全的理论体系。项目实施将促进700℃超超临界发电关键技术的研发，为我国700℃超超临界发电技术提供理论支撑。

针对700℃超超临界高温耐热材料热力安全问题，搭建了0.3MW超超临界燃烧与水动力耦合实验台、25KW高温一维炉试验系统、高温蒸汽氧化试验台和4.5KW CO2超临界实验台。通过实验研究和数值模拟相结合，获得了燃烧与水动力耦合特性、灰沉积影响和高温氧化腐蚀机理。.建立了燃烧与水动力耦合传热模型，研究负荷、流量偏差和火焰偏移等对壁面温度的影响，获得了600℃和700℃等级超超临界水冷壁管壁和工质的温度分布规律。700℃超超临界燃烧与水动力耦合实验台的工质压力范围15.0-41.0MPa，温度范围350-717℃，验证了部分理论结果。此外还研究了超临界CO2在镍基合金管中的换热特性，结果表明压力和比热容是影响换热的主要因素，在实验数据的基础上拟合出平均误差为1.65%的修正公式。.利用高温一维炉系统上开展了不同煤种、不同温度的积灰实验研究。结果表明，与传统烟煤相比，低阶高碱煤具有更高的积灰倾向性，其积灰效率可高达4-5%，远高于传统烟煤的1-2%。随着烟/壁温的升高，灰颗粒间的烧结作用逐步显著，积灰通量及积灰结构稳定性增加。从600℃壁温到850℃壁温，低阶高碱煤30 min的积灰质量提高了约2倍。基于一维炉实验，进一步开发了层流流场圆管积灰过程的唯象模型。.实验研究了3种镍基合金、2种25%Cr奥氏体耐热钢在650-800℃下的氧化动力学特性、氧化层组成和组织结构、Arrhenius常数和扩散激活能等，计算分析了氧化层的传热和热应力。结果表明，喷丸使Sanicro 25和HR3C在680℃的氧化层厚度分别降低约50%和90%，揭示了其主要原因是喷丸促进连续SiO2层形成；Sanicro 25使用温度上限可从680℃提高到710℃，大幅度降低镍基合金用量，镍基合金氧化层导热系数为1.62-2.98 W/m℃，氧化层热阻为0.9-3.1×10-6㎡•K / W，对管子传热影响可以忽略，氧化层在降温过程中承受压应力，但无剥落堵管风险，700℃超超临界锅炉中增加的这两种类型材料的蒸汽氧化不会带来运行安全问题。.上述研究成果，为我国700℃超超临界发电技术提供基础理论和实验数据。