低热值煤CFB富氧燃烧发电新过程基础研究

Taking Shanxi province as a typical case in China, the proposal reviews the up-to-date progress on low-calorific coal (LCC) as resource. A novel process is suggested by coupling the supercritical steam cycle with LCC oxy-combustion in circulating fluidized bed (CFB) and hot air cycle with low-concentration methane oxidation at high temperatures, which has potential advantages of LCC-fired power generation to meet with ultra-low emissions and easier carbon capture. The multi-level investigation covers from microscale (combustion mechanism) to macroscale (thermodynamic cycle) via mesoscale (CFB device). This proposal will try to explore the synergetic effect of organic matter combustion, minerals transformation and emissions control of low-calorific coal combustion at O2/CO2/H2O complex atmospheres, to establish a nonlinear scaling-up rule coupling flow pattern control, process transfer and oxy-combustion in CFB, and to optimize the overall system of supercritical steam and hot air cycles by considering ultra-low emission limitation. The main purpose of this project is to form a theory frame for efficient LCC-fired power generation and low-concentration methane utilization in Shanxi and the other coal-produced regions of China.

本项目针对以山西省为代表的我国低热值煤资源化利用重大需求，根据本领域国内外发展现状和趋势，以煤矸石和煤泥等燃料的清洁高效发电超低排放和碳减排为目标，提出了以低热值煤循环流化床富氧燃烧为核心的超临界机组与低浓度甲烷瓦斯气高温氧化热空气循环发电耦合创新解决方案。拟从微观燃烧机理、介观装置结构和宏观系统集成三个层面，开展低热值煤富氧燃烧与成灰特性、硫和氮等污染元素迁移转化与污染物排放特征、循环流化床流型调控与模拟放大等方面研究，掌握O2/CO2/H2O复杂气氛下低热值煤有机质稳定燃烧与矿物质转化规律；探索主要烟气污染物生成机制及排放特性；建立流化床内多组分气固体系流型调控与传递和燃烧耦合复杂工况非线性行为的放大方法，完成超低排放约束条件下多工质多循环发电系统优化，最终构建出低热值煤超临界循环和低浓度甲烷矿井乏气热空气氧化联合发电系统，为低热值煤清洁高效发电和二氧化碳减排奠定理论基础。

面向煤炭清洁高效低碳利用的国家重大需求，本项目聚焦低热值煤循环流化床（CFB）富氧燃烧及其与低浓度瓦斯气耦合发电过程相关的应用基础理论和关键技术。在微观机理层面，系统研究了煤矸石和煤泥、风氧化煤等主要低热值煤富氧燃烧的着火机制及成灰特性，揭示了低热值煤CFB富氧燃烧工况下均相、异相着火机制和固定碳燃烧阶段混合燃料各组分之间的协同作用机理。开展了煤矸石热解和燃烧过程产物识别研究，明晰了温度和气氛等因素对其主要大分子中间产物的影响规律，获得了煤矸石和煤泥等低热值煤富氧燃烧及混烧过程中NOx和SO2的排放特性，揭示了其生成机理。在设备层面，基于对循环灰和低热值燃料多组分颗粒体系混合与分离特性和循环灰等颗粒团聚物时空变化规律的研究，提出了CFB下部强混合区内低热值煤热解-气化-部分燃烧和上部准平推流区内可燃气和残炭高效燃烧的流型分区调控方法，构建了基于流动和传热无因次准数匹配的流化床放大方法，采用耦合传递和反应特性的数值模拟方法，优化了低热值煤富氧燃烧CFB的主体结构。在系统层面，提出并优化了低热值煤CFB富氧燃烧发电及其耦合低浓度瓦斯气（VAM）利用的系统集成方案，亚、超临界CFB富氧燃烧发电系统的供电效率分别达29.67%和31.24%（捕获CO2后），其发电成本处在IEA (2011)报告中的平均水平，分别为111.35$/MWh与108.09$/MWh；基于煤矸石、煤泥等低热值煤的燃料成本可能为零，其发电成本还有约12%的下降空间。低热值煤CFB富氧燃烧发电耦合以VAM为燃料的热空气动力循环后系统热力性能和CO2排放特性可以得到进一步提升。此外，项目还提出了基于能耗特性、CO2排放、经济性三个维度的CO2减排综合评价方法。本项目研究结果可为低热值煤清洁高效发电和二氧化碳减排奠定理论基础。.项目发表期刊论文75篇，其中SCI收录46篇，国内期刊论文27篇，申请专利7项，出版专著1部，获国家科技进步二等奖1项，山西省科技进步一等奖1项；承办国际学术会议2次；培养博士后1名，博士生6名，硕士生7名。