華中科技大學燃燒國家重點實驗室研究方向

1.化石能源清潔低碳利用技術

l 富氧燃燒(Oxy-fuel Combustion)

富氧燃燒是一種可實現低碳排放的燃煤發電技術，它是在現有電站鍋爐系統基礎上，用高純度的氧代替助燃空氣，結合采用煙氣循環來調節爐內傳熱特性，可獲得富含80%體積濃度CO₂的煙氣，進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。該技術與現有燃煤電站主流技術具有良好的承接性，容易被電力行業接受。和其他碳捕集方式相比，富氧燃燒技術在投資成本、運行成本、CO₂減排成本、大型化和與現有技術的兼容度等方面都具有優越性，有望對我國2030年后的深度碳減排起到重要的支撐作用。

本課題組從上世紀九十年代中期開始，在各級科技項目的持續支持下，歷時二十年，主持并實踐了中國富氧燃燒碳捕集技術“0.3MW-3MW-35MW-200MW”的研發路線圖，完成了我國富氧燃燒碳捕集技術從 “基礎研究-小試-中試-工業示范”的研究開發和示范。系統研究了富氧燃燒碳捕集技術的著火/燃燒、輻射傳遞、礦物遷移轉化和過程熱經濟性分析等基礎理論，并突破了富氧燃燒系統、富氧鍋爐等關鍵裝備，以及系統集成和運行控制等關鍵技術，形成了自主的富氧燃燒-空氣燃燒“兼容設計” 方案，近五年完成了3MW全流程中試裝置、35MW先導示范裝置的工程設計、建設、調試和性能試驗，相關技術指標國際領先。在應城35MWth富氧燃燒試驗裝置上，實現了煙氣CO₂濃度82.7%vol,dry的高濃度富集，較國際同類裝置高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基礎上，將鍋爐的運行壓力提升到5~10bar，從而降低系統漏風，改善煙氣熱焓回收，系統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電技術。

在重點研發任務和政府間國際合作項目支持下，本課題組正在開展加壓富氧燃燒的相關基礎研究，研究興趣包括煤粉顆粒(群)的著火、燃燒動力學，輻射特性模型，大渦模擬方法和系統優化分析等。在2013年搭建麥肯納平面火焰曳帶流反應器，研究常壓富氧燃燒條件下煤粉的脫揮發分特性、煤焦的物理化學特性及反應性（黃曉宏. 2013）的基礎上，我們正建立基于hencken平面火焰的煤粉加壓反應動力學實驗系統，結合高速攝像和煤粉火焰溫度場反演，力圖同時觀測煤粉著火過程中的揮發份溫度、煙黑濃度和煤粉顆粒溫度，為相關數學模型發展提供基礎數據庫。

l 無焰燃燒(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，也常稱之為無焰燃燒（Flameless Combustion)和無焰氧化（Flameless Oxidation, FLOX)。 MILD燃燒具有以下顯著特點：（1） 不存在火焰鋒面和局部高溫區，溫度場分布均勻；（2） 燃燒反應在整個爐內均勻進行，爐內輻射換熱效率高，燃燒穩定性好；（3） 燃燒過程中氮氧化物（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MILD燃燒進行了系統研究，建立了易于工程模擬使用的改進甲烷富氧燃燒/無焰燃燒兩步、四步總包反應機理 (Wang et al. CST, 2012)，研究了空氣無焰燃燒和富氧無焰燃下的分區特性和臨界轉化特性（王林, 2013）；基于20 kW實驗平臺開展了常規旋流燃燒和MILD燃燒狀態下的詳細的爐內測量實驗，目前正在開展相應的數值模擬工作，包括三維全爐膛詳細RANS模擬以及大渦模擬（LES）。

2.湍流兩相反應流體力學

l 多相湍流燃燒的多尺度模型和數值模擬方法 (全解析數值模擬FR-DNS)

多相湍流燃燒過程廣泛存在于自然界及工程運用中，是一個存在著多場耦合及時空多尺度結構的復雜體系，比如多相之間的動量傳遞過程、傳熱傳質過程、氣固表面反應與氣相反應等，同時這些過程存在著復雜非線性的相互作用，是當前國內外燃燒學研究者們重點關注的領域之一。

本課題組發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)，并提出了實現無滑移邊界條件的高效簡便算法--BDF邊界增厚法，可全解析模擬顆粒數為10⁴數量級的三維氣固兩相流。進一步將格子Boltzmann方法與表面燃燒反應動力學相耦合，開發了碳棒群多相燃燒的高效并行模擬程序，模擬了多碳棒的團聚燃燒，研究了多碳棒燃燒時流場擾動的影響和碳棒數目對反應速率的影響。該方法為從微觀物理角度研究兩相反應流提供了基礎手段。

從物理和化學過程特征尺度的時空分布來看，多相湍流燃燒是一個典型的多尺度問題。相關建模、模擬過程中準確把握多尺度特性以及開發配套的多尺度算法對于多相燃燒模擬至關重要。

本課題組早在2000年開始就對兩相反應流PDF模型進行系統研究，并建立相應的數值計算方法（Liu et al.PCI, 2002）。近年來，為提高多相湍流場模擬精度，并得益于計算資源的大幅增加，我們在直接數值模擬（DNS）下對顆粒漂移、碰撞等顆粒運動特性進行定量統計分析，引入過濾器，FTLE及小波分析等工具分析流場與顆粒間的多尺度相互作用，據此構建多尺度顆粒亞格子（SGS）模型及相應的自適應LES平臺，并用于大渦模擬（LES）框架下對兩相均勻各向同性湍流（Xiong et al.Acta Mech Sinica, 2017）以及對撞湍流（Wu et al.Comp Fluids, 2016）顆粒復雜運動特性進行分析。

l 彌散介質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，準確計算彌散介質（包括CO₂、H₂O等非灰氣體，以及飛灰、焦炭、未燃盡炭等）的輻射特性對于燃燒室內傳熱預報至關重要。

本課題組早在20世紀90年代就對彌散介質的輻射特性進行了系統研究，基于Mie理論發展建立了未燃盡炭的輻射特性模型(鄭楚光, 柳朝暉. 華中理工大學出版社, 1996;Liu et al.APJCE. 2000)。近年來，為提高富氧燃燒鍋爐中輻射熱傳遞的預測精度，我們進一步發展了介質的非灰輻射特性模型，通過借鑒全光譜k分布思想，將氣體、顆粒輻射參數進行重排，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/顆粒加權輻射特性模型 （WSGG-SK/WSGP-SK），模型計算量小（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，優于國際上同類模型。上述輻射特性模型已用于35MW_th和200MWe富氧燃燒爐內傳熱規律的研究(Guo et al. Fuel, 2015; Guo et al.Fuel,2017)。

3.能源動力裝置和系統的仿真及優化

l 能源動力系統建模及仿真優化

富氧燃燒技術增加了空氣分離系統(air separation unit，ASU)和煙氣壓縮純化系統(compression and purification unit，CPU)，從而會增加系統的投資成本和運行電耗，導致整個燃燒發電系統的供電效率降低，因此對整個O2/CO2 燃燒發電系統進行建模分析和優化，使系統在經濟最優的狀態下運行是很重要的。

以某現有600MW 超臨界燃煤機組為對象，我們利用Aspen Plus軟件對600MW 富氧燃燒發電系統全過程(空分系統、燃燒發電系統和煙氣壓縮純化系統)進行建模分析并優化（孔紅兵，中國電機工程學報，2012）。近年伴隨3MW和35MW一系列中試平臺建設，針對這些平臺使用Aspen進行建模優化的工作也相應展開（羅威[博士論文]，2016；Luo et al，IJGGC，2015）。針對典型增壓富氧燃燒系統與常壓富氧燃燒系統進行對比，表明增壓富氧燃燒系統在經濟性上有著突出優勢（王巧[碩士論文]，2016）

l 熱力系統動態仿真及控制優化

動態仿真可以研究不同擾動或者運行工況下某個特征單元以及全流程的瞬態響應特性，從而為系統的設計、控制和運行提供幫助。

本課題組利用3MW_th富氧燃燒實驗平臺，基于Aspen Plus Dynamics建立了3MW_th富氧燃燒鍋爐島動態仿真模型。利用實驗數據，在多種工況下對該模型進行了驗證(Luo et al.IJGGC, 2015) ，并且對富氧燃燒鍋爐島在不同熱負荷，以及某恒定負荷條件下不同過剩氧系數等不同擾動條件下的響應進行了研究，得到了系統應對不同擾動條件下的響應特性，為試驗過程中運行工況尋優提供了很好的支撐(Luo et al. Energy Procedia, 2014) 。在該仿真模型中，利用Bristol矩陣與Niederlinski index方法對變量之間的相關性進行分析，設計相關的控制方案，并提出動態?的概念，對系統控制方案進行評價優化(Luo et al.Fuel,2015)。進一步的，建立了35MW_th富氧燃燒鍋爐島動態仿真模型，設計了其全局控制方案和空氣-富氧不同運行模式的切換控制方案。

l 燃燒裝備的數值模擬及放大規律

燃燒器和鍋爐的設計是煤粉富氧燃燒技術發展的關鍵，數值模擬方法能夠有效的輔助富氧燃燒器及鍋爐的設計及優化。我們發展了一套適用于富氧燃燒的數值模擬方法(IECR 2011)，以0.3MW富氧燃燒器為對象，對富氧燃燒器的設計準則進行詳細研究(IJGGC 2017)；進而對3MW旋流燃燒器以及35MW旋流燃燒系統進行詳細數值模擬，分析爐內流場、溫度分布以及傳熱特性，預測結果與試驗結果吻合良好(工程熱物理學報2014；Fuel 2017)；進一步地對200MWe富氧燃燒鍋爐進行數值模擬，分析富氧燃燒的放大規律 (Fuel, 2015)。

基于以上研究，自主研發設計并實踐了0.3MW、3MW以及12MW富氧燃燒低NO_x旋流燃燒器，同時申請了多項專利(CN201803364U，CN101825278A，CN106439795)，為富氧燃燒的發展奠定了基礎。

4.湍流兩相反應流體力學

l 多相湍流燃燒的多尺度模型和數值模擬方法（燃燒大渦模擬LES）

煤粉燃燒是一個復雜的多尺度過程，涉及到氣固兩相流、煤粉的脫揮發、焦炭燃燒、湍流氣相燃燒以及輻射換熱等物理和化學過程。因此.對鍋爐煤粉燃燒火焰的穩定性進行有效、實時的預報是至關重要的。其中煤粉的脫揮發和焦炭燃燒是一個復雜的過程需要高精度的流場解析作為基礎。大渦模擬（LES）是近十年來快速發展起來的數值模擬方法，目前在湍流燃燒、多相流燃燒等領域已取得初步成功的應用。它將湍流分為大尺度湍流和小尺度湍流，對大尺度湍流直接模擬，用模型模擬小尺度湍流。

本課題組運用大渦模擬方法（LES）對一個煤粉燃燒器進行了模擬，并對其燃燒的穩定性進行了一系列分析。接下來計劃使用火焰進程變量模型（FPV）來模擬湍流燃燒并對火焰不穩定性進行分析。

l 多相湍流燃燒的不穩定性及其調控

在現代電站燃煤鍋爐中,火焰檢測和燃燒診斷技術對電廠運行的安全性、經濟性有非常重要的意義。其中火焰局部熄火著火及其不穩定對鍋爐的運行壽命及其安全性影響極大。且火焰不穩定性是一個復雜的過程需要高精度的流場解析作為基礎。大渦模擬（LES）是近十年來快速發展起來的數值模擬方法，目前在湍流燃燒、多相流燃燒等領域已取得初步成功的應用。它將湍流分為大尺度湍流和小尺度湍流，對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來模擬湍流燃燒。然后通過normalized flame index (N.F.I) 分析辨別火焰行為，結合溫度云圖分析不同火焰模式的熱貢獻。首先通過Da、Re和標量耗散率來初步研究火焰穩定性及局部熄火著火。本課題針對復雜的火焰，發展了通過對比熱釋率，OH基濃度，溫度及混合分數來探究其火焰的穩定性。