成鵬飛，李鵬飛，胡 帆，劉 璐，王飛飛，張健鵬，米建春，柳朝暉，鄭楚光

(1.華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學 環(huán)境科學與工程學院，湖北 武漢 430074；

0 引 言

煤炭占我國2020年能源消費結構的56.8%，其基礎能源地位短期不會改變。為實現(xiàn)我國“2030年碳達峰，2060年碳中和”的目標，碳捕集、利用與封存(CCUS)技術是清潔煤技術的關鍵戰(zhàn)略發(fā)展方向。富氧燃燒是最具潛力的碳捕集技術之一[1-2]，與其他碳捕集方式相比，其在CO2減排成本、大型化和與現(xiàn)有技術兼容度等方面具有優(yōu)越性。該技術采用高純度氧代替助燃空氣，并結合煙氣外部再循環(huán)?；剂显诖朔諊氯紵a生的煙氣組分主要是高濃度CO2和H2O(g)，以較小代價冷凝壓縮后可實現(xiàn)CO2捕集，從而實現(xiàn)CO2封存或資源化利用。

雖然富氧燃燒具備碳捕集優(yōu)勢，但仍需進一步改善其燃燒性能，如CO2的高熱容和稀釋作用可能造成較低的絕熱火焰溫度、較長的著火延遲與燃盡時間，并可能降低燃燒穩(wěn)定性；還需進一步降低富氧燃燒污染物(如NOx等)生成。

無焰燃燒具備清潔高效優(yōu)勢，該技術通過強射流卷吸引起的煙氣內循環(huán)使反應物被充分稀釋并加熱至超過自燃點，整體表現(xiàn)為容積式燃燒，燃燒穩(wěn)定性好，無明顯火焰鋒面，溫度場、組分濃度場均勻，熱力性能好，NOx等污染物生成量大幅降低。

因此，為進一步實現(xiàn)燃煤低碳、高效與清潔利用，可將富氧燃燒與無焰燃燒創(chuàng)新性結合，實現(xiàn)無焰富氧燃燒。由于2種技術均需要煙氣再循環(huán)，其結合存在形式合理，即無焰富氧燃燒可以同時耦合煙氣外循環(huán)和內循環(huán)。煙氣內循環(huán)對反應物的稀釋作用是實現(xiàn)無焰燃燒的核心條件之一，而富氧燃燒的煙氣外循環(huán)特征可增強對反應物的初始稀釋，有利于無焰燃燒的實現(xiàn)與調控。無焰富氧燃燒相比常規(guī)有焰富氧燃燒方式具備優(yōu)勢，已引起國際燃燒界極大關注，多位學者[3-5]均指出無焰富氧燃燒是該領域的前瞻研究方向之一。

計算流體力學(CFD)以其快捷、成本低、數據豐富等優(yōu)點已成為燃燒研究的重要手段之一。國內外學者在大量試驗研究和理論分析的基礎上，對煤粉無焰富氧燃燒進行了模擬研究并獲得了較為準確的結果。對不同工況的預測結果進行對比分析，可研究燃燒過程的揮發(fā)分析出、燃燒反應及污染物生成特性，為技術發(fā)展提供依據和指導。

為進一步提高煤粉無焰富氧燃燒的數值模擬準確性，本文介紹了煤粉無焰燃燒的定義，總結了煤粉無焰富氧燃燒的CFD模擬方法和數值模擬研究進展，并進行了研究展望。

1 煤粉無焰燃燒定義

煤粉無焰富氧燃燒是基于無焰燃燒的拓展，因此對煤粉無焰燃燒進行準確定義十分必要，包括試驗定義和數學定義。

1.1 試驗定義

試驗定義方面，氣體燃料的無焰燃燒定義為無可見火焰峰面，而基于Li等[6]、Weber等[7]和Smart等[8]對煤粉無焰(富氧)燃燒的試驗研究，煤粉等固體燃料的無焰燃燒可定義為氣相揮發(fā)分的燃燒沒有明亮可見火焰鋒面，但焦炭燃盡過程可能存在零星火星，如圖1所示。

圖1 天然氣和煤粉的傳統(tǒng)有焰燃燒、無焰(空氣)燃燒和無焰富氧燃燒[6]

1.2 數學定義

Cavaliere等[9]提出了氣體燃料無焰燃燒的基本數學定義：Tu>Ti>(Tb-Tu)，其中，Tu為初始混合溫度，Tb為理論燃燒溫度，Ti為燃料自燃點，Tb-Tu為燃燒過程的溫升。為了更直接指導無焰燃燒組織及揭示無焰燃燒與傳統(tǒng)燃燒之間物理本質的區(qū)別，眾多學者提出了以不同操作參數或無量綱數作為變量組合的氣體燃料燃燒理論圖譜。Luan等[10]采用反應物溫度與入口氧濃度更直接指導非絕熱系統(tǒng)中的無焰燃燒組織；Wunning等[11]采用爐膛溫度和煙氣卷吸率揭示無焰燃燒的爐內煙氣循環(huán)特征；張揚等[12]采用反應物溫度與達姆科勒數揭示非絕熱系統(tǒng)中無焰燃燒的湍流化學反應特征。由于煤粉等固體燃料的無焰燃燒過程存在顆粒的彌散、熱解和非均相反應，不能直接采用氣體燃料的無焰燃燒定義和燃燒理論圖譜。Feng等[13]提出的煤粉燃燒模式數學判據見表1，將煤粉無焰燃燒定義在氣體燃料的基礎上添加了一個新的時間尺度要求tmix

(1)

式中，LL、l、uf、u、I分別為積分渦長度尺度、流場特征尺度、脈動速度、時均速度和湍流強度。

表1 煤粉燃燒模式數學判據[13]

ti為著火時間尺度，由顆粒加熱過程主導并按顆粒由初始溫度T1升溫至著火溫度Ti所需時間計算(式(2))。

(2)

其中，dTp/dt為顆粒升溫速率，可通過對流換熱和輻射換熱理論求解，由于顆粒升溫過程中輻射換熱功率低于對流換熱功率的20%，可忽略輻射換熱影響并按式(3)簡化計算顆粒升溫速率。

(3)

式中，r0、ρc、Cp、h分別為顆粒半徑、顆粒密度、顆粒熱容和對流換熱系數。

c為表征混合時間尺度與著火時間尺度之間數學關系的變量，其值與湍流的強度有關并按式(4)計算。

(4)

其中，k、v分別為湍動能和氣體黏度，積分渦長度尺度還可由流場特征尺度近似[13]。

2 煤粉無焰富氧燃燒的CFD模型

煤粉無焰富氧燃燒高精度CFD模擬方法的研究近十幾年取得了顯著進展?，F(xiàn)基于煤粉無焰富氧燃燒的物理化學過程，以流動、傳熱、燃燒、污染物生成的思路，將CFD模型從湍流模型、輻射模型、揮發(fā)分析出模型、均相燃燒模型、均相反應機理、焦炭燃盡模型、燃料氮轉化機理和動態(tài)自適應機理算法等方面進行介紹。

需指出，本文提及的算法、機理和子模型的應用不受軟件平臺的限制。文中提及的模型和算法，如EDC模型、動態(tài)自適應機理算法等，在商業(yè)軟件Fluent和開源程序OpenFOAM上均可實現(xiàn)。

2.1 湍流模型

受計算資源限制，現(xiàn)有燃燒CFD研究大多采用基于Navier-Stokes方程的雷諾平均模擬(RANS)，其中，k-ε模型應用最為普遍。標準k-ε模型[14]通過2個不同的輸運方程確定湍流長度和時間尺度，可以較小的計算量模擬復雜流動，符合部分工程計算的精度要求，在早期煤粉無焰燃燒CFD研究中多被采用[15-16]。重整化(RNG)k-ε模型與標準k-ε模型相似，但在ε方程中增加一個條件來提高精度，并基于重整規(guī)劃群理論得到k-ε方程中的常數。該模型包含低雷諾數效應和旋流修正的子模型，可應用于復雜剪切流、旋轉流、流動分離等場合，如部分煤粉富氧燃燒模擬[17]?？蓪崿F(xiàn)k-ε模型，相較于標準k-ε模型增加了一個湍流黏性公式和新的耗散率傳輸方程，能夠較精確地預測平面和圓形射流擴散作用，對旋流、回流、流動分離和二次流預測較好，因此該模型可以更好地預測煤粉無焰燃燒的煙氣強卷吸作用，在當前煤粉無焰富氧燃燒CFD研究中應用較多[18-19]。

由于k-ε模型中的ε方程包含不能在壁面計算的項，須使用壁面函數，包括標準壁面函數、非平衡壁面函數和增強壁面處理。標準壁面函數對平衡湍流邊界層通過對數校正法提供壁面邊界條件，非平衡壁面函數可以考慮壓力梯度并可計算分離、再附、撞擊等問題。標準壁面函數和非平衡壁面函數都允許近壁區(qū)域使用相對較粗的網格，但僅適用于高雷諾數流動。增強壁面處理結合了混合邊界模型和兩層邊界模型，適用于低雷諾數流動和復雜近壁面現(xiàn)象，但網格要求較密。

燃燒模擬還可采用k-ω湍流模型，包括標準k-ω模型和剪切壓力傳輸(SST)k-ω模型，如郭軍軍等[20]的煤粉富氧燃燒模擬。該模型可較好地預測近壁區(qū)繞流和旋流，不需要使用壁面函數，但需在近壁區(qū)設置密集網格。

此外，為了提高計算精度，當前已有少數基于大渦模擬的氣體燃料無焰燃燒和煤粉富氧燃燒CFD研究。大網格尺度直接求解、亞網格尺度(SGS)參數?；峭牧骰鹧娲鬁u模擬的核心之一，傳統(tǒng)SGS模型假設小尺度湍流結構近似均勻且各向同性，但實際湍流的各向異性對湍流混合層等未分辨尺度的影響使該假設可能被打破。Lu等[21]基于甲烷/氫氣無焰燃燒的大渦模擬研究提出了非線性梯度型結構的SGS模型，相較于傳統(tǒng)SGS模型可以捕捉湍流混合層的各向異性，從而更好地預測無焰燃燒的火焰結構。

2.2 輻射模型

P1模型和離散坐標(DO)模型能同時考慮散射和氣體與顆粒間的輻射換熱，因此煤粉燃燒輻射模擬通常選用這2個模型之一，涂垚杰等[22]和Stadler等[23]的煤粉無焰燃燒模擬分別采用了P1模型和DO模型。P1模型可以在光學厚度大于1的場合以相對較低的計算量得到較為準確的結果；DO模型適用廣泛，考慮因素多，精度更高。氣體輻射特性計算多采用灰氣體加權和(WSGG)模型，計算量小且易與CFD計算相結合[20]。值得注意的是，富氧氣氛下，高濃度CO2和H2O(g)對氣體輻射特性有顯著影響，Smith等[24]開發(fā)的空氣WSGG模型對氣體發(fā)射率的預估偏低，需在該模型的基礎上進行修正。Rehfeldt等[25]提出的考慮富氧氛圍修正的WSGG模型對氣體發(fā)射率的預測誤差函數值相較于空氣WSGG模型減小98%以上。Guo等[26]還提出了基于光譜k分布直接得到權重因子和吸收系數及改進吸收系數多項式的方法，并通過比較輻射源相和輻射熱通量對模型新參數進行驗證。結果表明，該方法可顯著提高非等溫非均質CO2/H2O混合物輻射特性的模擬精度，適用于富氧燃燒模擬。

2.3 揮發(fā)分析出模型

揮發(fā)分析出模型方面，可選擇的模型有恒定速率模型、單一速率模型、兩步競爭反應速率模型和化學滲透析出(CPD)模型。恒定速率模型認為揮發(fā)分以恒定速率析出。單一速率模型認為脫揮發(fā)分速率以一階形式依賴于顆粒中殘留揮發(fā)分含量[27]，在少數煤粉無焰燃燒CFD研究中被采用[28]。兩步競爭反應速率模型由Kobayashi[29]基于試驗結果提出，通過一對平行一階不可逆反應的2個競爭速率來控制不同溫度范圍內的脫揮發(fā)分并加權得到脫揮發(fā)分速率，預測精度較高。部分煤粉無焰富氧燃燒CFD研究采用了此模型[18]。CPD模型可以分析煤粉結構在快速加熱過程中的物理和化學變化，計算簡單且預測效果好。該模型中煤粉揮發(fā)分析出的鍵橋斷裂和熱解產物生成機制為：煤結構被假定為連接芳香族團簇的化學鍵橋簡化晶格或網絡，其中不穩(wěn)定鍵橋￡分解產生反應鍵橋￡*并通過2條競爭反應路徑裂解：一條路徑生成焦炭c和輕質氣體g2，另一條路徑先生成側鏈δ并最終分解生成輕質氣體g1[16]。CPD模型可準確預測揮發(fā)分析出速率和重烴(焦油)、輕質氣體、碳氫元素組分。該模型可考慮單組分或多組分揮發(fā)分析出，在當前煤粉無焰及富氧燃燒CFD研究中被廣泛采用[20,30]。多組分析出CPD模型比單組分模擬效果更好，如神華煙煤析出的揮發(fā)分可被考慮為C2H2、H2O、CO2、CH4、CO、CH3和CH2等多組分混合物。Saha等[31]在煤粉無焰燃燒模擬研究中評估了單一速率模型、雙步競爭速率模型和CPD模型的預測效果。結果表明，相較于其他2種基于經驗速率關系的簡化全局動力學模型，CPD模型預測結果與試驗結果吻合最好。

2.4 均相燃燒模型

常用均相燃燒模型中，層流有限速率模型、渦耗散模型(EDM)和渦耗散概念模型(EDC)均是基于組分質量分數的輸運方程解，反應速率以源項形式出現(xiàn)在組分輸運控制方程中。層流有限速率模型使用Arrhenius公式計算化學源項，忽略湍流脈動的影響，不能準確預測具有高度非線性Arrhenius化學動力學的湍流火焰。EDM模型和EDC模型在燃燒CFD研究中應用較為廣泛。早期煤粉無焰及富氧燃燒CFD研究多采用EDM模型耦合總包反應機理[16,32]。EDM模型是快速反應模型，忽略化學反應時間尺度，反應速率僅由湍流混合中的大渦混合時間尺度k/ε控制，燃燒在湍流出現(xiàn)時(k/ε>0)即可進行，不需要外加點火源。該模型假設每一步反應速率相同，因此只能處理一步或兩步總包反應機理，而不能耦合基于Arrhenius速率的多步反應機理來預測化學動力學控制的活性自由基和中間組分。由于煤粉無焰及富氧燃燒中發(fā)生有限速率反應，存在強烈的湍流化學相互作用，基于快速反應模型的模擬誤差較大，當前煤粉無焰及富氧燃燒CFD研究多采用基于有限速率反應的EDC模型耦合總包或詳細反應機理[33-34]。EDC模型假設反應發(fā)生在小湍流結構的精細渦中(又稱為良好尺度)，這些結構在Kolmogorov尺度均勻混合，使湍流耗散變?yōu)闊崃俊Ｍ牧骶毥Y構的容積比率ε*和流體在該結構中的特征停留時間尺度τ*按式(5)、(6)計算。

(5)

(6)

其中，*為良好尺度數量；Cξ為容積比率常數，2.137 7；Cτ為時間尺度常數，0.408 3；ε為湍流耗散率。精細渦中的燃燒視為發(fā)生在定壓反應器中，初始條件取單元中當前的組分和溫度，反應時間為τ*，由Arrhenius速率控制?；瘜W反應源項Ri，即流體內組分i的平均化學反應速率由式(7)得出。

(7)

其中，Yi*為經過τ*反應時間后的組分i質量分數；Yi為組分i初始質量分數。值得注意的是，式(7)的反應速率計算在低湍流雷諾數下(Ret< 65)可能出現(xiàn)過早點火的問題，可通過修正EDC模型常數解決。Shiehnejadhesar等[35]還提出了基于層流有限速率與湍流反應速率的權重來計算低雷諾數下有效反應速率的方法。實際無焰燃燒的溫度梯度和組分濃度梯度低、反應速率低、反應區(qū)域分布廣，因此可能需要修正EDC模型參數來捕捉極低氧水平下分布式無焰燃燒的反應特征。Li等[36]在無焰燃燒模擬研究中將Cτ由0.408 3增大至1.5或3.0來降低模擬反應速率，提高預測精度；Evans等[37]將Cτ和Cξ分別由0.408 3、2.137 7修正為3.0、1.0，顯著改善了無焰燃燒模擬性能；Parente等[38]還進一步推導了Cτ和Cξ與無量綱Re數、Damkohler(Da)數的顯式關聯(lián)(式(8)、(9))。

(8)

(9)

其中，Ret為湍流雷諾數；Da為基于Kolmogorov尺度計算的達姆科勒數。

可知應增大Cτ值、減小Cξ值來表征低Re數和Da數的無焰燃燒體系。相較于EDM模型，EDC模型可以考慮湍流與化學反應交互，耦合高精度詳細反應機理還可進一步提升精度并預測中間組分。Vascellari等[39]、Lupant等[40]和Jin等[41]的煤粉無焰燃燒模擬研究均表明：相較于EDM模型，EDC模型的宏觀模擬結果與試驗值吻合更好，且微觀尺度下對湍流化學相互作用的預測更加準確；詳細反應機理的模擬結果優(yōu)于總包機理?；鹧婷婺Ｐ秃徒M分輸運PDF模型也是常用的燃燒模型，雖然其在煤粉富氧燃燒模擬中有部分應用，但目前在煤粉無焰燃燒模擬中應用較少。

2.5 均相反應機理

2.6 焦炭燃盡模型

煤粉揮發(fā)分析出后的焦炭與氧化劑發(fā)生氣固非均相燃燒，由于焦炭的多孔性結構，燃燒可能發(fā)生在顆粒外部表面或內部氣孔表面。常用焦炭燃盡模型包括內部控制反應速率(intrinsic)模型、多步表面反應模型、動力學/擴散控制模型和燃盡動力學(CBK)模型?；赟imth宏觀孔隙模型[44]的intrinsic模型僅包含一步焦炭氧化反應，反應速率同時考慮氧化劑向顆粒表面的擴散和內在化學動力學的影響，多被用于早期煤粉無焰燃燒CFD研究[16,45]。實際煤粉無焰燃燒存在強烈的煙氣再循環(huán)，氣相中O2濃度被高度稀釋，CO2和H2O(g)濃度高，因此氣化反應對焦炭燃盡有重要影響，單一氧化反應機制的intrinsic模型對無焰燃燒的模擬精度可能受限。多步表面反應模型可以考慮焦炭燃盡的一步氧化反應和兩步氣化反應，對低O2、高CO2和H2O(g)氛圍下的焦炭燃盡過程模擬效果較好，因此在當前煤粉無焰燃燒CFD研究中被廣泛應用[34,46]。動力學/擴散控制模型假設表面反應速率同時受擴散過程和反應動力學的影響，且燃燒過程中顆粒尺寸不變，顆粒密度隨反應的進行而逐漸減小。部分煤粉無焰燃燒CFD研究采用了此模型[47]?；趇ntrinsic模型發(fā)展而來的CBK模型包含對熱失活及灰分抑制的定量描述，最有可能接近真實燃盡率，但未考慮CO對氧化反應的抑制作用和焦炭氣化反應的影響。華中科技大學通過修正該模型的物性參數、擴散系數和反應機理，使該模型更適用于富氧燃燒模擬[48]。

2.7 燃料氮轉化機理

煤粉燃燒NOx預測通常采用半經驗的后處理模擬方法。相比于NOx后處理，耦合含氮詳細反應機理的有限速率模擬可以考慮煤粉無焰燃燒再循環(huán)煙氣中的初始NO對著火的加速作用和湍流-化學-NO反應交互，從而準確預測著火和主反應區(qū)，并得到含氮中間組分分布和燃料氮轉化路徑[49]。在實際燃燒CFD模擬中，含氮詳細反應機理的組分和反應數較多，直接應用于模擬計算成本較高，可進行機理簡化。Hu等[49]基于大量試驗數據開發(fā)了一種適用于空氣和富氧氣氛的燃料氮骨架反應機理，并結合有限速率EDC模型模擬研究了IFRF煤粉無焰燃燒。相比于原始反應機理，該骨架機理經驗證可在不顯著降低計算精度的條件下實現(xiàn)約18.6倍的計算加速。將該燃料氮骨架機理應用于煤粉無焰燃燒模擬可精確預測NO生成，獲得圖2和圖3的含氮組分分布和燃料氮轉化路徑。由圖2可知，含氮組分分布包含了燃料氮關鍵中間組分NH3和HCN分布，可為燃料氮原位抑制技術提供支撐。圖3中數字和箭頭顏色表示各路徑反應速率。

圖2 含氮組分分布[49]

圖3 煤粉無焰燃燒燃料氮轉化路徑[49]

2.8 動態(tài)自適應機理算法

燃燒時的火焰化學成分在不同區(qū)域差別很大，因此不必在模擬全程使用統(tǒng)一的反應動力學機理。動態(tài)自適應機理算法可將詳細機理在當地簡化為精確子機理，實現(xiàn)計算加速。主要流程為：① 選擇目標組分A，通過直接關系圖法在每個網格單元內按式(10)計算非目標組分B對目標組分A生成的貢獻rAB。

(10)

其中，ωi為基元反應i的化學反應速率；vA,i為A組分在反應i中的化學計量數。當rAB>λ(λ為指定誤差)時組分B被保留在動態(tài)機理中。每個非目標組分對目標組分A生成的貢獻都要被計算。② 采用相同方法確定目標組分的間接貢獻組分，如果第1步中非目標組分B被保留，再計算其余非目標組分K對組分B的貢獻；如果rBK>λ，則保留K組分。③ 將所有與保留組分無關的反應機理從總機理中去除，得到每個網格單元的當地簡化機理。簡化后的求解方程變?yōu)榈途S常微分方程，從而縮短計算時間。煤粉無焰燃燒CFD研究中可采用耦合詳細反應機理的有限速率模擬來提高預測精度，但組分數、反應數較多的詳細反應機理可能導致實際計算過程較為耗時，因此可采用動態(tài)自適應機理算法實現(xiàn)計算加速。劉璐等[50]在耦合燃料氮骨架機理與動態(tài)自適應反應機理算法的IFRF煤粉無焰燃燒模擬研究中發(fā)現(xiàn)，爐內速度場、溫度場、組分濃度場的模擬結果與試驗數據吻合較好，驗證了動態(tài)自適應反應機理算法在燃燒模擬研究中的可行性與準確性；燃燒活躍反應和活躍組分分布如圖4所示，可知主反應區(qū)在活躍反應數和組分數較多的給粉管下游混合區(qū)位置；相比于骨架機理，耦合動態(tài)自適應反應機理算法可進一步實現(xiàn)6.94倍計算加速，該骨架機理相較于原始詳細反應機理已實現(xiàn)18.6倍的加速，因此，相較于原始機理，耦合骨架機理與動態(tài)自適應機理算法可在不顯著降低計算精度的條件下實現(xiàn)約126倍的計算加速。

圖4 動態(tài)自適應機理算法的活躍反應和活躍組分分布[50]

3 煤粉無焰富氧燃燒模擬研究

3.1 基準試驗

IFRF是最早研究無焰燃燒的機構之一，Weber等[7]和Schaffel等[16]先后基于0.58 MW煤粉無焰燃燒爐進行了相同工況下的燃燒試驗和數值模擬，測得溫度場、速度場、組分濃度場的試驗和模擬結果基本一致。由于該研究詳細給定了邊界條件、計算域和試驗數據，便于進行模擬驗證，之后許多學者在煤粉無焰燃燒模擬研究中以該IFRF燃燒爐為模擬對象，通過對比相同工況的模擬和試驗數據來驗證CFD模型的可靠性。

3.2 微觀反應區(qū)域分析

通過數值模擬可對煤粉無焰燃燒狀態(tài)和反應特征進行微觀反應區(qū)域分析。Jin等[41]在基于IFRF無焰燃燒爐的模擬研究中定量分析了煤粉無焰燃燒的微觀特征，根據湍流非預混火焰的不同狀態(tài)，用計算得到的Damkohler(Da)數和Karlovitz(Ka)數將煤粉無焰燃燒狀態(tài)定量描述為Dat<10且Ka?1，證明煤粉無焰燃燒為緩慢化學反應并在整個燃燒爐中分布式進行。Zhang等[51]在基于IFRF無焰燃燒爐的模擬研究中從微觀角度分析了射流條件(預熱溫度、速度)對均相燃燒反應和焦炭非均相燃盡反應的影響，并以Dat、DaO2、DaCO2、DaH2O分別代表均相反應、焦炭與O2反應、焦炭與CO2反應、焦炭與H2O反應的無量綱Da數來描述湍流化學相互作用。結果表明：Dat峰值在所有工況下均低于0.65，且隨著流速的增大而減小，但由于預熱溫度對湍流擴散和化學動力學的雙重作用，Dat幾乎不受預熱溫度的影響；DaO2、DaCO2和DaH2O分別在0.5～1.0、0.002～0.012和0.000 4～0.003 0，因此焦炭氧化反應由擴散/動力學機制決定，焦炭氣化反應則由湍流擴散效應主導；在高射流速度和預熱溫度條件下，燃料和氧化劑射流的匯合使焦炭燃盡反應提前受到湍流擴散的影響。

3.3 宏觀反應特征

不同工況條件對煤粉無焰富氧燃燒的著火特性、燃燒特性(氣化反應特性、流場、溫度場、組分濃度場等)、燃盡特性有顯著影響。鐘瑩[47]在基于自主設計的小型煤粉無焰燃燒爐的模擬研究中發(fā)現(xiàn)初始氧化劑條件對燃燒特性影響顯著：相較于O2/N2和O2/Ar氣氛，O2/CO2氣氛下混合和回流強度大，溫度場和組分濃度場均勻；預熱溫度升高可均勻爐內溫度場并提高燃燒效率和燃盡率；O2體積分數增大會導致爐內溫度升高且不利于溫度均勻；射流速度升高可以增強爐內射流混合，且有利于實現(xiàn)無焰燃燒。Stadler等[23]在基于40 kW煤粉無焰燃燒爐的模擬研究中發(fā)現(xiàn)，燃燒過程的焦炭氣化反應份額隨燃燒溫度的升高而升高；溫度場受氣化反應的影響可忽略不計。Saha等[52-53]在基于60 kW無焰燃燒爐的模擬研究中發(fā)現(xiàn)，氧化劑O2濃度或射流雷諾數的升高使揮發(fā)分析出速率增加，射流雷諾數提高還會降低總體碳消耗率。涂垚杰等[22]在基于華中科技大學0.3 MW煤粉爐的模擬研究中發(fā)現(xiàn)，高溫預熱不是實現(xiàn)煤粉無焰燃燒的必要條件；相較于雙噴嘴對稱布置，單噴嘴偏心布置的射流動量集中，煙氣再循環(huán)強烈，回流距離遠，有利于無焰燃燒的建立，這在Li等[6]基于該臺架的模擬和試驗研究中得到驗證(圖5)。梅振鋒等[46,54]在基于IFRF燃燒爐的無焰燃燒模擬研究中發(fā)現(xiàn)一次風速對爐內溫度分布影響顯著：當一次風與二次風平行或背離入射時，一次風速提高可以增強射流卷吸并延遲燃料與空氣的混合，降低峰值溫度，有助于建立無焰燃燒，但速度過高可能會破壞一次風和二次風分離所產生的富燃和富氧區(qū)域，導致高溫區(qū)。Zhang等[19]在基于IFRF燃燒爐的無焰富氧燃燒模擬研究中發(fā)現(xiàn)氣化反應對燃燒反應特征影響顯著：焦炭在空氣或O2/CO2氣氛下的氣化反應份額均超過50%；著火特性方面，空氣或CO2/O2氣氛下的焦炭氣化反應均會增加點火延遲，特別是CO2/O2氣氛；燃燒特性方面，氣化反應導致火焰溫度在空氣和O2/CO2氣氛下分別降低約50 K和80 K；焦炭燃盡方面，氣化反應使煤焦表面結構被破壞而產生額外的孔隙，反應表面積增大，從而加快了燃盡反應速率，使初級燃燒區(qū)的燃盡率略有提高，一定程度上彌補了低O2濃度對焦炭燃盡的抑制作用。此外，Zhang等[55]還發(fā)現(xiàn)CO2和H2O(g)的物理化學性質對無焰富氧燃燒的溫度及傳熱特性影響顯著：CO2和H2O(g)的氣化反應、熱容和熱輻射特性均會導致燃燒溫度降低，且隨著H2O(g)含量的增加，氣化反應和熱容特性的影響逐漸減弱，熱輻射特性的影響逐漸增強；H2O(g)含量增加會減弱總傳熱效果并提高熱輻射份額。Tu等[56]在基于IFRF燃燒爐的無焰富氧燃燒模擬研究中發(fā)現(xiàn)，隨著O2/CO2/H2O(g)氣氛中H2O(g)的增加，H2O(g)相較于CO2的低熱容等特性導致的燃燒溫升會增大煙氣體積并增強煙氣內循環(huán)，揮發(fā)分中H2和CO含量增加會促進煤粉著火，H2O(g)與CO2的焦炭氣化反應競爭會促進H2生成并抑制CO生成。Kuang等[57]在基于IFRF燃燒爐的無焰富氧燃燒模擬研究中還發(fā)現(xiàn)，射流速度過高會增加CO排放，這是由于煙氣停留時間降低，且高CO2濃度抑制了CO轉化；在換熱方面，射流速度升高會顯著增強對流換熱，而爐內溫度下降，但更均勻的溫度分布和更強烈的對流換熱可能會彌補溫度降低導致的輻射熱損失。

圖5 不同無焰燃燒器流場[6]

3.4 污染物生成

煤粉無焰燃燒可顯著降低NOx排放；煤粉無焰(空氣)燃燒NOx生成以燃料型NO為主，熱力型NO、快速型NO和N2O中間體路徑較少，可忽略不計，NO再燃還原不可忽略；富氧氣氛下無空氣氮源，因此煤粉無焰富氧燃燒的NOx生成均為燃料型NO，且由于CO2和H2O(g)對燃燒反應特性影響顯著，富氧氣氛下燃料N向NO的轉化率及NO再燃還原效果與空氣相比有所差別[58]；不同初始條件對煤粉無焰(富氧)燃燒NOx的生成有顯著影響。Saha等[31]在基于15 kW無焰燃燒爐的模擬研究中發(fā)現(xiàn)，通過NO再燃還原，褐煤和黑煤的NO排放總量分別減少了47%和39%。Mei等[46,59]在基于IFRF無焰燃燒爐的模擬研究中發(fā)現(xiàn)，總燃料N轉化為NO的比例相比有焰燃燒減少了一半以上；相較于二次風速，一次風速對NO排放影響顯著，當一次風速由26 m/s提高至67 m/s時，主反應區(qū)氧濃度顯著降低，從而強烈抑制了燃料N向NO的轉換，使NO排放降低了200×10-6；燃料射流角或噴嘴間距的提高會降低NO排放，當射流角由-10°(相對入射)變?yōu)?10°(背離入射)，射流卷吸增強，燃料型NO降低了96×10-6，當噴嘴間距由0.1 m增加至0.6 m，一、二次風匯流區(qū)向下游移動且峰值溫度降低，出口NO排放降低了147×10-6。Wang等[60]在基于IFRF無焰燃燒爐的煤粉摻混生物質無焰燃燒的模擬研究中發(fā)現(xiàn)，富氧氣氛或生物質混燃均有利于減少煤粉無焰燃燒的NOx排放，當生物質摻混比例由0至30%，無焰(空氣)燃燒的NOx排放減少了73×10-6，無焰富氧燃燒減少了141×10-6。

3.5 大型化鍋爐概念設計

通過數值模擬研究，可對基于煤粉無焰燃燒的大型工業(yè)鍋爐進行燃燒器設計和工況優(yōu)化。如Schaffel等[61]通過數值模擬方法對130 MW無焰燃燒鍋爐進行了概念設計，并對燃燒器間的距離和燒嘴位置進行了優(yōu)化。Adamczyk等[62]提出了1 000 MW大型煤粉無焰富氧燃燒鍋爐的概念設計并通過CFD模擬篩選了不同幾何構型中的最優(yōu)結果。鍋爐系統(tǒng)的幾何結構如圖6所示，包含8個相同的由散熱屏隔開的爐段，每個爐段獨立點火以便控制鍋爐負荷。對于富氧燃燒的組織，與傳統(tǒng)富氧燃燒中氧化劑與再循環(huán)煙氣的混合方式不同，該燃燒系統(tǒng)中的氧化劑是單獨射流，而燃料由再循環(huán)煙氣送入爐膛。對于無焰燃燒的實現(xiàn)，燃料、氧化劑噴嘴布置在鍋爐頂壁并相隔一定距離來延遲混合，由其噴嘴截面積所確定的射流速度(40～70 m/s)及爐頂的煙氣出口布置方式均導致了爐內強烈的煙氣內部再循環(huán)，并延長了燃料停留時間。還研究了不同過量氧氣系數和煙氣循環(huán)率下的燃燒效率，將模擬結果嵌入整體工藝流程模型中，總能效相較于標準富氧燃燒電廠預計提高3%以上。

圖6 1 000 MW煤粉無焰富氧燃燒鍋爐幾何結構[62]

4 煤粉無焰富氧燃燒CFD研究展望

大渦模擬是煤粉無焰富氧燃燒模擬研究的重要發(fā)展方向。當前煤粉燃燒模擬大都基于雷諾平均方法，雖可以較小計算量模擬高雷諾數的復雜流動，但不能反映湍流細節(jié)和瞬時信息。大渦模擬的精度和計算量介于雷諾平均模擬和直接數值模擬之間，既可以得到相較于雷諾平均模擬更多的諸如大尺度渦結構的瞬時信息，又可使計算成本遠低于直接數值模擬。目前國內外已有氣體燃料無焰燃燒和煤粉富氧燃燒的大渦模擬研究，并耦合了火焰面、EDM、EDC、組分輸運PDF等多種燃燒模型，如Li等[63]的甲烷無焰燃燒模擬采用了大渦模擬耦合EDC模型或部分攪拌反應器(PaSR)模型；Zhou等[64]的CH4/H2無焰燃燒模擬采用了大渦模擬耦合組分輸運PDF模型；Wen等[65]的煤粉富氧燃燒模擬采用了大渦模擬耦合三混合分數火焰面模型；Edge等[66]的煤粉富氧燃燒模擬采用了大渦模擬耦合EDM模型。對煤粉無焰富氧燃燒的大渦模擬研究目前還鮮有報道，但隨著計算資源的發(fā)展和計算精度要求的提高，未來可利用大渦模擬獲得煤粉無焰富氧燃燒的更多細節(jié)特征。

燃燒模型方面，火焰面進程變量(FPV)模型和組分輸運PDF模型均為煤粉無焰富氧燃燒模擬可探索的發(fā)展方向。FPV模型引入了進程變量，經驗證可考慮無焰燃燒中煙氣稀釋對溫和反應的影響。該模型計算基于預建表和查表進行，計算速度相對較快，因此有望應用于煤粉無焰富氧燃燒工程優(yōu)化模擬。組分輸運PDF模型可較完備地考慮湍流脈動對有限速率反應的影響，也是煤粉無焰富氧燃燒模擬的發(fā)展方向之一?；谠撃Ｐ?，一方面可探索不同小尺度混合模型對煤粉無焰富氧燃燒的適應性，另一方面可進行煤粉無焰富氧燃燒的RANS及大渦模擬研究。目前已有應用FPV模型和組分輸運PDF模型的氣體燃料無焰及富氧燃燒模擬研究，如Ihme等[67]和Zhou等[64]的無焰燃燒模擬分別采用了FPV模型和組分輸運PDF模型。

詳細反應機理及其動態(tài)自適應模擬是煤粉無焰富氧燃燒模擬的又一發(fā)展方向。總包反應機理雖可以較低的計算成本預測燃燒過程主要組分的變化趨勢，但無法預測中間自由基，無法捕捉諸如點火和熄火等過程的細節(jié)信息。將詳細反應機理用于有限速率反應模擬可獲得中間組分，模擬精度高、信息全面，且通過適當的機理簡化或動態(tài)自適應機理算法還可在保證模擬精度的同時降低計算成本[49-50]。當前已有部分氣體燃料無焰及富氧燃燒的詳細反應機理模擬，如Cao等[68]的無焰燃燒模擬。

最后，為了推動煤粉無焰富氧燃燒技術的工業(yè)化應用，還應繼續(xù)開展基于大型工業(yè)鍋爐的CFD研究，對大型化燃燒器設計和鍋爐技術參數進行優(yōu)化調整。如前文所述的Schaffel等[61]和Adamczyk等[62]分別進行了130 MW無焰燃燒鍋爐和1 000 MW大型煤粉無焰富氧燃燒鍋爐的概念設計，并通過CFD模擬進行了優(yōu)化分析。

5 結 語

無焰富氧燃燒方式不僅可改善富氧燃燒熱力性能，還可在獲得高濃度CO2煙氣的同時顯著降低NOx生成。本文綜述了煤粉無焰富氧燃燒數值模擬方法研究進展：

1)由于存在非均相反應，煤粉無焰燃燒試驗和數學定義與氣體燃料存在較大區(qū)別。

2)數值模擬方法方面，煤粉無焰富氧燃燒模擬已在網格劃分、湍流模型、輻射模型、揮發(fā)分析出模型、均相燃燒模型、均相反應機理、焦炭燃盡模型、燃料氮轉化機理和動態(tài)自適應反應機理算法等方面取得了顯著進展。

3)基于上述數值方法進展，已在基準對照試驗、微觀反應區(qū)域分析、宏觀反應特征、污染物生成及大型化鍋爐概念設計等方面開展大量研究。

4)開展大渦模擬、采用FPV或組分輸運PDF模型、耦合高精度詳細反應機理及動態(tài)自適應機理算法、進行工業(yè)應用優(yōu)化，是煤粉無焰富氧燃燒模擬研究的重要發(fā)展方向。