華中科技大學(xué)燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究方向

1.化石能源清潔低碳利用技術(shù)

l 富氧燃燒(Oxy-fuel Combustion)

富氧燃燒是一種可實(shí)現(xiàn)低碳排放的燃煤發(fā)電技術(shù)，它是在現(xiàn)有電站鍋爐系統(tǒng)基礎(chǔ)上，用高純度的氧代替助燃空氣，結(jié)合采用煙氣循環(huán)來(lái)調(diào)節(jié)爐內(nèi)傳熱特性，可獲得富含80%體積濃度CO₂的煙氣，進(jìn)而可以較低的能耗壓縮純化，滿足CO₂封存或資源化利用的需要。該技術(shù)與現(xiàn)有燃煤電站主流技術(shù)具有良好的承接性，容易被電力行業(yè)接受。和其他碳捕集方式相比，富氧燃燒技術(shù)在投資成本、運(yùn)行成本、CO₂減排成本、大型化和與現(xiàn)有技術(shù)的兼容度等方面都具有優(yōu)越性，有望對(duì)我國(guó)2030年后的深度碳減排起到重要的支撐作用。

本課題組從上世紀(jì)九十年代中期開(kāi)始，在各級(jí)科技項(xiàng)目的持續(xù)支持下，歷時(shí)二十年，主持并實(shí)踐了中國(guó)富氧燃燒碳捕集技術(shù)“0.3MW-3MW-35MW-200MW”的研發(fā)路線圖，完成了我國(guó)富氧燃燒碳捕集技術(shù)從 “基礎(chǔ)研究-小試-中試-工業(yè)示范”的研究開(kāi)發(fā)和示范。系統(tǒng)研究了富氧燃燒碳捕集技術(shù)的著火/燃燒、輻射傳遞、礦物遷移轉(zhuǎn)化和過(guò)程熱經(jīng)濟(jì)性分析等基礎(chǔ)理論，并突破了富氧燃燒系統(tǒng)、富氧鍋爐等關(guān)鍵裝備，以及系統(tǒng)集成和運(yùn)行控制等關(guān)鍵技術(shù)，形成了自主的富氧燃燒-空氣燃燒“兼容設(shè)計(jì)” 方案，近五年完成了3MW全流程中試裝置、35MW先導(dǎo)示范裝置的工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、調(diào)試和性能試驗(yàn)，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)國(guó)際領(lǐng)先。在應(yīng)城35MWth富氧燃燒試驗(yàn)裝置上，實(shí)現(xiàn)了煙氣CO₂濃度82.7%vol,dry的高濃度富集，較國(guó)際同類裝置高10%以上。

l 加壓富氧燃燒(Pressurized Oxy-fuel Combustion )

加壓富氧燃燒是在常壓富氧燃燒系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將鍋爐的運(yùn)行壓力提升到5~10bar，從而降低系統(tǒng)漏風(fēng)，改善煙氣熱焓回收，系統(tǒng)供電效率損失可降低到5~6%，是一種極具前景的新一代碳捕集發(fā)電技術(shù)。

在重點(diǎn)研發(fā)任務(wù)和政府間國(guó)際合作項(xiàng)目支持下，本課題組正在開(kāi)展加壓富氧燃燒的相關(guān)基礎(chǔ)研究，研究興趣包括煤粉顆粒(群)的著火、燃燒動(dòng)力學(xué)，輻射特性模型，大渦模擬方法和系統(tǒng)優(yōu)化分析等。在2013年搭建麥肯納平面火焰曳帶流反應(yīng)器，研究常壓富氧燃燒條件下煤粉的脫揮發(fā)分特性、煤焦的物理化學(xué)特性及反應(yīng)性（黃曉宏. 2013）的基礎(chǔ)上，我們正建立基于hencken平面火焰的煤粉加壓反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，結(jié)合高速攝像和煤粉火焰溫度場(chǎng)反演，力圖同時(shí)觀測(cè)煤粉著火過(guò)程中的揮發(fā)份溫度、煙黑濃度和煤粉顆粒溫度，為相關(guān)數(shù)學(xué)模型發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

l 無(wú)焰燃燒(MILD)

溫和與極度低氧稀釋燃燒（Moderate & Intense Low Oxygen Dilution， MILD)，因其氣體燃燒不存在火焰鋒面，也常稱之為無(wú)焰燃燒（Flameless Combustion)和無(wú)焰氧化（Flameless Oxidation, FLOX)。 MILD燃燒具有以下顯著特點(diǎn)：（1） 不存在火焰鋒面和局部高溫區(qū)，溫度場(chǎng)分布均勻；（2） 燃燒反應(yīng)在整個(gè)爐內(nèi)均勻進(jìn)行，爐內(nèi)輻射換熱效率高，燃燒穩(wěn)定性好；（3） 燃燒過(guò)程中氮氧化物（NOx）的生成得到有效抑制，排放量顯著下降（NOx排放量低于80 ppm）。

本課題組對(duì)MILD燃燒進(jìn)行了系統(tǒng)研究，建立了易于工程模擬使用的改進(jìn)甲烷富氧燃燒/無(wú)焰燃燒兩步、四步總包反應(yīng)機(jī)理 (Wang et al. CST, 2012)，研究了空氣無(wú)焰燃燒和富氧無(wú)焰燃下的分區(qū)特性和臨界轉(zhuǎn)化特性（王林, 2013）；基于20 kW實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展了常規(guī)旋流燃燒和MILD燃燒狀態(tài)下的詳細(xì)的爐內(nèi)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，目前正在開(kāi)展相應(yīng)的數(shù)值模擬工作，包括三維全爐膛詳細(xì)RANS模擬以及大渦模擬（LES）。

2.湍流兩相反應(yīng)流體力學(xué)

l 多相湍流燃燒的多尺度模型和數(shù)值模擬方法 (全解析數(shù)值模擬FR-DNS)

多相湍流燃燒過(guò)程廣泛存在于自然界及工程運(yùn)用中，是一個(gè)存在著多場(chǎng)耦合及時(shí)空多尺度結(jié)構(gòu)的復(fù)雜體系，比如多相之間的動(dòng)量傳遞過(guò)程、傳熱傳質(zhì)過(guò)程、氣固表面反應(yīng)與氣相反應(yīng)等，同時(shí)這些過(guò)程存在著復(fù)雜非線性的相互作用，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外燃燒學(xué)研究者們重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域之一。

本課題組發(fā)展了基于直接力浸入邊界法（direct-forcing immersed boundary method, DF-IBM）與格子Boltzmann方法(LBM)耦合的全解析兩相湍流并行高效模擬程序(Cao et al. AMC, 2015)，并提出了實(shí)現(xiàn)無(wú)滑移邊界條件的高效簡(jiǎn)便算法--BDF邊界增厚法，可全解析模擬顆粒數(shù)為10⁴數(shù)量級(jí)的三維氣固兩相流。進(jìn)一步將格子Boltzmann方法與表面燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)相耦合，開(kāi)發(fā)了碳棒群多相燃燒的高效并行模擬程序，模擬了多碳棒的團(tuán)聚燃燒，研究了多碳棒燃燒時(shí)流場(chǎng)擾動(dòng)的影響和碳棒數(shù)目對(duì)反應(yīng)速率的影響。該方法為從微觀物理角度研究?jī)上喾磻?yīng)流提供了基礎(chǔ)手段。

從物理和化學(xué)過(guò)程特征尺度的時(shí)空分布來(lái)看，多相湍流燃燒是一個(gè)典型的多尺度問(wèn)題。相關(guān)建模、模擬過(guò)程中準(zhǔn)確把握多尺度特性以及開(kāi)發(fā)配套的多尺度算法對(duì)于多相燃燒模擬至關(guān)重要。

本課題組早在2000年開(kāi)始就對(duì)兩相反應(yīng)流PDF模型進(jìn)行系統(tǒng)研究，并建立相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算方法（Liu et al.PCI, 2002）。近年來(lái)，為提高多相湍流場(chǎng)模擬精度，并得益于計(jì)算資源的大幅增加，我們?cè)谥苯訑?shù)值模擬（DNS）下對(duì)顆粒漂移、碰撞等顆粒運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)分析，引入過(guò)濾器，F(xiàn)TLE及小波分析等工具分析流場(chǎng)與顆粒間的多尺度相互作用，據(jù)此構(gòu)建多尺度顆粒亞格子（SGS）模型及相應(yīng)的自適應(yīng)LES平臺(tái)，并用于大渦模擬（LES）框架下對(duì)兩相均勻各向同性湍流（Xiong et al.Acta Mech Sinica, 2017）以及對(duì)撞湍流（Wu et al.Comp Fluids, 2016）顆粒復(fù)雜運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析。

l 彌散介質(zhì)的輻射特性及其輻射傳熱

輻射占電站鍋爐煤粉火焰與水冷壁熱傳遞的90%以上，準(zhǔn)確計(jì)算彌散介質(zhì)（包括CO₂、H₂O等非灰氣體，以及飛灰、焦炭、未燃盡炭等）的輻射特性對(duì)于燃燒室內(nèi)傳熱預(yù)報(bào)至關(guān)重要。

本課題組早在20世紀(jì)90年代就對(duì)彌散介質(zhì)的輻射特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，基于Mie理論發(fā)展建立了未燃盡炭的輻射特性模型(鄭楚光, 柳朝暉. 華中理工大學(xué)出版社, 1996;Liu et al.APJCE. 2000)。近年來(lái)，為提高富氧燃燒鍋爐中輻射熱傳遞的預(yù)測(cè)精度，我們進(jìn)一步發(fā)展了介質(zhì)的非灰輻射特性模型，通過(guò)借鑒全光譜k分布思想，將氣體、顆粒輻射參數(shù)進(jìn)行重排，得到非灰氣體 (Guo et al.IJHMT,2015)以及非灰顆粒 (包括飛灰Guo et al.IJHMT, 2017、未燃盡炭)的灰氣體/顆粒加權(quán)輻射特性模型 （WSGG-SK/WSGP-SK），模型計(jì)算量小（適合CFD模擬），適用范圍寬（可適用于CO₂/H₂O=0.05-2.0，T=600-2500K，L=0-50m），精度高，優(yōu)于國(guó)際上同類模型。上述輻射特性模型已用于35MW_th和200MWe富氧燃燒爐內(nèi)傳熱規(guī)律的研究(Guo et al. Fuel, 2015; Guo et al.Fuel,2017)。

3.能源動(dòng)力裝置和系統(tǒng)的仿真及優(yōu)化

l 能源動(dòng)力系統(tǒng)建模及仿真優(yōu)化

富氧燃燒技術(shù)增加了空氣分離系統(tǒng)(air separation unit，ASU)和煙氣壓縮純化系統(tǒng)(compression and purification unit，CPU)，從而會(huì)增加系統(tǒng)的投資成本和運(yùn)行電耗，導(dǎo)致整個(gè)燃燒發(fā)電系統(tǒng)的供電效率降低，因此對(duì)整個(gè)O2/CO2 燃燒發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模分析和優(yōu)化，使系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的狀態(tài)下運(yùn)行是很重要的。

以某現(xiàn)有600MW 超臨界燃煤機(jī)組為對(duì)象，我們利用Aspen Plus軟件對(duì)600MW 富氧燃燒發(fā)電系統(tǒng)全過(guò)程(空分系統(tǒng)、燃燒發(fā)電系統(tǒng)和煙氣壓縮純化系統(tǒng))進(jìn)行建模分析并優(yōu)化（孔紅兵，中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012）。近年伴隨3MW和35MW一系列中試平臺(tái)建設(shè)，針對(duì)這些平臺(tái)使用Aspen進(jìn)行建模優(yōu)化的工作也相應(yīng)展開(kāi)（羅威[博士論文]，2016；Luo et al，IJGGC，2015）。針對(duì)典型增壓富氧燃燒系統(tǒng)與常壓富氧燃燒系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，表明增壓富氧燃燒系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性上有著突出優(yōu)勢(shì)（王巧[碩士論文]，2016）

l 熱力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真及控制優(yōu)化

動(dòng)態(tài)仿真可以研究不同擾動(dòng)或者運(yùn)行工況下某個(gè)特征單元以及全流程的瞬態(tài)響應(yīng)特性，從而為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、控制和運(yùn)行提供幫助。

本課題組利用3MW_th富氧燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基于Aspen Plus Dynamics建立了3MW_th富氧燃燒鍋爐島動(dòng)態(tài)仿真模型。利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在多種工況下對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證(Luo et al.IJGGC, 2015) ，并且對(duì)富氧燃燒鍋爐島在不同熱負(fù)荷，以及某恒定負(fù)荷條件下不同過(guò)剩氧系數(shù)等不同擾動(dòng)條件下的響應(yīng)進(jìn)行了研究，得到了系統(tǒng)應(yīng)對(duì)不同擾動(dòng)條件下的響應(yīng)特性，為試驗(yàn)過(guò)程中運(yùn)行工況尋優(yōu)提供了很好的支撐(Luo et al. Energy Procedia, 2014) 。在該仿真模型中，利用Bristol矩陣與Niederlinski index方法對(duì)變量之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)相關(guān)的控制方案，并提出動(dòng)態(tài)?的概念，對(duì)系統(tǒng)控制方案進(jìn)行評(píng)價(jià)優(yōu)化(Luo et al.Fuel,2015)。進(jìn)一步的，建立了35MW_th富氧燃燒鍋爐島動(dòng)態(tài)仿真模型，設(shè)計(jì)了其全局控制方案和空氣-富氧不同運(yùn)行模式的切換控制方案。

l 燃燒裝備的數(shù)值模擬及放大規(guī)律

燃燒器和鍋爐的設(shè)計(jì)是煤粉富氧燃燒技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，數(shù)值模擬方法能夠有效的輔助富氧燃燒器及鍋爐的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。我們發(fā)展了一套適用于富氧燃燒的數(shù)值模擬方法(IECR 2011)，以0.3MW富氧燃燒器為對(duì)象，對(duì)富氧燃燒器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行詳細(xì)研究(IJGGC 2017)；進(jìn)而對(duì)3MW旋流燃燒器以及35MW旋流燃燒系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)數(shù)值模擬，分析爐內(nèi)流場(chǎng)、溫度分布以及傳熱特性，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好(工程熱物理學(xué)報(bào)2014；Fuel 2017)；進(jìn)一步地對(duì)200MWe富氧燃燒鍋爐進(jìn)行數(shù)值模擬，分析富氧燃燒的放大規(guī)律 (Fuel, 2015)。

基于以上研究，自主研發(fā)設(shè)計(jì)并實(shí)踐了0.3MW、3MW以及12MW富氧燃燒低NO_x旋流燃燒器，同時(shí)申請(qǐng)了多項(xiàng)專利(CN201803364U，CN101825278A，CN106439795)，為富氧燃燒的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

4.湍流兩相反應(yīng)流體力學(xué)

l 多相湍流燃燒的多尺度模型和數(shù)值模擬方法（燃燒大渦模擬LES）

煤粉燃燒是一個(gè)復(fù)雜的多尺度過(guò)程，涉及到氣固兩相流、煤粉的脫揮發(fā)、焦炭燃燒、湍流氣相燃燒以及輻射換熱等物理和化學(xué)過(guò)程。因此.對(duì)鍋爐煤粉燃燒火焰的穩(wěn)定性進(jìn)行有效、實(shí)時(shí)的預(yù)報(bào)是至關(guān)重要的。其中煤粉的脫揮發(fā)和焦炭燃燒是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程需要高精度的流場(chǎng)解析作為基礎(chǔ)。大渦模擬（LES）是近十年來(lái)快速發(fā)展起來(lái)的數(shù)值模擬方法，目前在湍流燃燒、多相流燃燒等領(lǐng)域已取得初步成功的應(yīng)用。它將湍流分為大尺度湍流和小尺度湍流，對(duì)大尺度湍流直接模擬，用模型模擬小尺度湍流。

本課題組運(yùn)用大渦模擬方法（LES）對(duì)一個(gè)煤粉燃燒器進(jìn)行了模擬，并對(duì)其燃燒的穩(wěn)定性進(jìn)行了一系列分析。接下來(lái)計(jì)劃使用火焰進(jìn)程變量模型（FPV）來(lái)模擬湍流燃燒并對(duì)火焰不穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

l 多相湍流燃燒的不穩(wěn)定性及其調(diào)控

在現(xiàn)代電站燃煤鍋爐中,火焰檢測(cè)和燃燒診斷技術(shù)對(duì)電廠運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性有非常重要的意義。其中火焰局部熄火著火及其不穩(wěn)定對(duì)鍋爐的運(yùn)行壽命及其安全性影響極大。且火焰不穩(wěn)定性是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程需要高精度的流場(chǎng)解析作為基礎(chǔ)。大渦模擬（LES）是近十年來(lái)快速發(fā)展起來(lái)的數(shù)值模擬方法，目前在湍流燃燒、多相流燃燒等領(lǐng)域已取得初步成功的應(yīng)用。它將湍流分為大尺度湍流和小尺度湍流，對(duì)大尺度湍流直接模擬，用模型模擬小尺度湍流。

本課題組使用LES+FPV來(lái)模擬湍流燃燒。然后通過(guò)normalized flame index (N.F.I) 分析辨別火焰行為，結(jié)合溫度云圖分析不同火焰模式的熱貢獻(xiàn)。首先通過(guò)Da、Re和標(biāo)量耗散率來(lái)初步研究火焰穩(wěn)定性及局部熄火著火。本課題針對(duì)復(fù)雜的火焰，發(fā)展了通過(guò)對(duì)比熱釋率，OH基濃度，溫度及混合分?jǐn)?shù)來(lái)探究其火焰的穩(wěn)定性。