近日，美国能源部（DOE）宣布在“Coal FIRST”计划下投入8100万美元，支持未来先进燃煤电厂概念的设计开发和系统集成设计研究，以开发适用于未来能源系统的灵活小型先进燃煤电厂，为美国提供安全、稳定、可靠的近零排放电力。本次资助将针对四类先进燃煤电厂概念进行设计开发、主场地评估和环境信息数据、投资案例分析以及工程规模原型的系统集成设计。
具体内容如下：
1、灵活的超临界燃煤发电厂
此类燃煤电厂设计必须包含如下特征：（1）通过材料提高灵活性，在关键组件中使用高镍基合金，可在快速爬坡期间将这些限制机组寿命的组件热应力降至最低，从而实现发电灵活性；（2）空气质量控制系统的模块化组件，通过使用并行模块化组件，可关停单个设备以部分容量运行，以适应低负荷要求；（3）紧凑型锅炉布置，水平高温对流表面在前壁而非锅炉顶部布置过热器和再热器集箱出口，与典型布置相比，高温管道的运行时间缩短了25%-30%，缩小了锅炉占地面积。需进行的设计开发包括：
（1）超临界锅炉岛。①重新设计锅炉概念以降低容量并支持灵活低负荷运行，并考虑集箱、管道、膜式水冷壁、过热器、再热器等的设计；②使用先进合金材料以在650℃蒸汽循环条件下运行；③结构材料需考虑在主蒸汽温度接近650℃下长期使用，尤其要注意温度最高的区域，例如管道和集箱；④650℃蒸汽条件下的阀门设计。
（2）集成与控制系统。集成与控制系统必须设计为集成所有系统和组件，以实现灵活运行。
（3）汽轮机。需重新设计汽轮机以适合650℃蒸汽循环条件，以及该概念对尺寸、灵活性和低负荷的要求。应考虑最佳的涡轮膨胀机设计、转子动力学、热膨胀、轴承、使用先进材料的小型阀门、叶片通流设计、先进密封件以及适应工作温度的构造材料。
（4）排放控制设备。排放控制设备应设计为灵活运行，包括在低负荷下运行，以满足该系统的排放要求。
（5）燃烧后碳捕集。燃烧后碳捕集系统应设计为灵活运行，包括在低负荷下运行，必须与电厂概念集成以达到系统性能和成本要求。
2、超临界蒸汽循环增压流化床发电厂
此类燃煤电厂设计必须包含如下特征：（1）增压流化床燃烧，由于反应物分压升高，可增强流化床中的燃烧和固硫反应，将配备返料系统，并可与天然气共燃以提高爬坡率；（2）使用模块化单元，可在部分负荷下运行部分模块单元，以提升运行灵活性和负荷跟踪能力。需进行的设计开发包括：
（1）增压流化床燃烧器系统。①设计和优化增压流化床燃烧器系统，以与燃气/蒸汽循环共同运行，通过小型模块化系统实现灵活性和低负荷运行；②返料系统针对储能进行设计和验证，以满足运行要求。
（2）蒸汽发电循环。需重新设计汽轮机以适合24.13兆帕、593℃的蒸汽循环条件，以及更小尺寸、更高灵活性和低负荷要求。
（3）集成与控制系统。集成与控制系统必须设计为集成所有系统和组件，以实现灵活运行。
（4）燃气轮机。需设计一种新的气体膨胀-压缩机组，以满足增压流化床燃烧器和碳捕集要求。
（5）排放控制设备。排放控制设备应设计为灵活运行，包括在低负荷下运行，以满足该系统的排放要求。
（6）燃烧后碳捕集。燃烧后碳捕集系统应设计为灵活运行，包括在低负荷下运行，必须与电厂概念集成以达到系统性能和成本要求。另外还需进行碳捕集上游的脱硫设计。
3、燃气轮机-超临界燃煤锅炉混合电厂
此类燃煤电厂设计必须包含如下特征：（1）独立的制煤和燃烧系统，将使煤粉制备和存储独立于锅炉/汽轮机系统，避免因磨煤机投用/停用而造成的爬坡限制；（2）纳入储能系统，在需求低于最低负荷的时段将多余的电量存储在储能系统中，有助于在需求增加的时段（例如早晚高峰）进行初始爬坡；（3）利用燃气轮机，燃气轮机将占直接功率输出近1/4，并且具有快速启动和爬坡的功能。需进行的设计开发包括：
（1）超临界锅炉岛。①将燃气轮机与锅炉集成，需进行燃烧和流动的建模/模拟及测试，以评估设计以及火焰稳定性，还需重新优化风机、燃烧器、燃尽风系统以确保完全燃烧；②烟气/空气再热器重新设计，以解决烟气和助燃空气的流量平衡问题；③设计和优化传热表面，以在较高的超临界燃烧温度下运行，同时需考虑材料选择、系统温度以及最佳的清洁策略，以去除表面积灰结渣，还需评估锅炉整体传热特性，重新设计集箱、水冷壁和过热器等锅炉组件以实现灵活的低负荷运行。
（2）汽轮机。需重新设计汽轮机，以满足该概念对更小尺寸、低负载和灵活性要求。
（3）集成与控制系统。集成与控制系统必须设计为集成所有系统和组件，以实现灵活运行。
（4）排放控制设备。排放控制设备应设计为灵活运行，包括在低负荷下运行，以满足该系统的排放要求。
（5）电池储能系统。基于现有电池技术，开发新型设计以集成至汽轮机/锅炉系统中，需要进行研发以减少资本和运维成本并提高效率和寿命。
（6）燃烧后碳捕集。燃烧后碳捕集系统应设计为灵活运行，包括在低负荷下运行，必须与电厂概念集成以达到系统性能和成本要求。
4、灵活的煤-生物质气化，用于发电和生产无碳氢气
该系统将煤、生物质和其他原料气化，用于发电或生产近零/零碳排放的副产品，如氢气、氨或其他燃料及化学品。此类设计必须包含如下特征：（1）灵活的煤气化炉，能够与生物质共燃，以实现净负碳排放，还将（可选地）设计为利用其他原料，如石油基合成材料（如塑料）产生的废物等；（2）合成气处理和碳捕集系统，此类系统必须与煤气化炉合成气中的成分兼容。需进行的设计开发包括：
（1）灵活的煤气化炉。煤气化炉将设计为与生物质共燃，需确保整体负碳排放，可能还需要引入其他原料。
（2）合成气处理和碳捕集系统。在系统设计时需评估生物质和/或其他原料导致合成气成分对环境和过程的影响。
（3）集成与控制系统。集成与控制系统必须设计为集成所有系统和组件，以实现灵活运行。
