煤粉無焰富氧燃燒的數(shù)值模擬方法進(jìn)展

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(xué) 煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；

0 引 言

煤炭占我國2020年能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的56.8%，其基礎(chǔ)能源地位短期不會(huì)改變。為實(shí)現(xiàn)我國“2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和”的目標(biāo)，碳捕集、利用與封存(CCUS)技術(shù)是清潔煤技術(shù)的關(guān)鍵戰(zhàn)略發(fā)展方向。富氧燃燒是最具潛力的碳捕集技術(shù)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(shù)兼容度等方面具有優(yōu)越性。該技術(shù)采用高純度氧代替助燃空氣，并結(jié)合煙氣外部再循環(huán)?；剂显诖朔諊氯紵a(chǎn)生的煙氣組分主要是高濃度CO2和H2O(g)，以較小代價(jià)冷凝壓縮后可實(shí)現(xiàn)CO2捕集，從而實(shí)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(shì)，但仍需進(jìn)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(shí)間，并可能降低燃燒穩(wěn)定性；還需進(jìn)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(shì)，該技術(shù)通過強(qiáng)射流卷吸引起的煙氣內(nèi)循環(huán)使反應(yīng)物被充分稀釋并加熱至超過自燃點(diǎn)，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(chǎng)、組分濃度場(chǎng)均勻，熱力性能好，NOx等污染物生成量大幅降低。

因此，為進(jìn)一步實(shí)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(jié)合，實(shí)現(xiàn)無焰富氧燃燒。由于2種技術(shù)均需要煙氣再循環(huán)，其結(jié)合存在形式合理，即無焰富氧燃燒可以同時(shí)耦合煙氣外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)。煙氣內(nèi)循環(huán)對(duì)反應(yīng)物的稀釋作用是實(shí)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(qiáng)對(duì)反應(yīng)物的初始稀釋，有利于無焰燃燒的實(shí)現(xiàn)與調(diào)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(shì)，已引起國際燃燒界極大關(guān)注，多位學(xué)者[3-5]均指出無焰富氧燃燒是該領(lǐng)域的前瞻研究方向之一。

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)以其快捷、成本低、數(shù)據(jù)豐富等優(yōu)點(diǎn)已成為燃燒研究的重要手段之一。國內(nèi)外學(xué)者在大量試驗(yàn)研究和理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)煤粉無焰富氧燃燒進(jìn)行了模擬研究并獲得了較為準(zhǔn)確的結(jié)果。對(duì)不同工況的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可研究燃燒過程的揮發(fā)分析出、燃燒反應(yīng)及污染物生成特性，為技術(shù)發(fā)展提供依據(jù)和指導(dǎo)。

為進(jìn)一步提高煤粉無焰富氧燃燒的數(shù)值模擬準(zhǔn)確性，本文介紹了煤粉無焰燃燒的定義，總結(jié)了煤粉無焰富氧燃燒的CFD模擬方法和數(shù)值模擬研究進(jìn)展，并進(jìn)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(duì)煤粉無焰燃燒進(jìn)行準(zhǔn)確定義十分必要，包括試驗(yàn)定義和數(shù)學(xué)定義。

1.1 試驗(yàn)定義

試驗(yàn)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(duì)煤粉無焰(富氧)燃燒的試驗(yàn)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(shù)學(xué)定義

Cavaliere等[9]提出了氣體燃料無焰燃燒的基本數(shù)學(xué)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(diǎn)，Tb-Tu為燃燒過程的溫升。為了更直接指導(dǎo)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(zhì)的區(qū)別，眾多學(xué)者提出了以不同操作參數(shù)或無量綱數(shù)作為變量組合的氣體燃料燃燒理論圖譜。Luan等[10]采用反應(yīng)物溫度與入口氧濃度更直接指導(dǎo)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(nèi)煙氣循環(huán)特征；張揚(yáng)等[12]采用反應(yīng)物溫度與達(dá)姆科勒數(shù)揭示非絕熱系統(tǒng)中無焰燃燒的湍流化學(xué)反應(yīng)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(yīng)，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(shù)學(xué)判據(jù)見表1，將煤粉無焰燃燒定義在氣體燃料的基礎(chǔ)上添加了一個(gè)新的時(shí)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(chǎng)特征尺度、脈動(dòng)速度、時(shí)均速度和湍流強(qiáng)度。

表1 煤粉燃燒模式數(shù)學(xué)判據(jù)[13]

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

(2)

其中，dTp/dt為顆粒升溫速率，可通過對(duì)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(duì)流換熱功率的20%，可忽略輻射換熱影響并按式(3)簡(jiǎn)化計(jì)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(duì)流換熱系數(shù)。

c為表征混合時(shí)間尺度與著火時(shí)間尺度之間數(shù)學(xué)關(guān)系的變量，其值與湍流的強(qiáng)度有關(guān)并按式(4)計(jì)算。

(4)

其中，k、v分別為湍動(dòng)能和氣體黏度，積分渦長度尺度還可由流場(chǎng)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(jìn)展?，F(xiàn)基于煤粉無焰富氧燃燒的物理化學(xué)過程，以流動(dòng)、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(yīng)機(jī)理、焦炭燃盡模型、燃料氮轉(zhuǎn)化機(jī)理和動(dòng)態(tài)自適應(yīng)機(jī)理算法等方面進(jìn)行介紹。

需指出，本文提及的算法、機(jī)理和子模型的應(yīng)用不受軟件平臺(tái)的限制。文中提及的模型和算法，如EDC模型、動(dòng)態(tài)自適應(yīng)機(jī)理算法等，在商業(yè)軟件Fluent和開源程序OpenFOAM上均可實(shí)現(xiàn)。

2.1 湍流模型

受計(jì)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(yīng)用最為普遍。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[14]通過2個(gè)不同的輸運(yùn)方程確定湍流長度和時(shí)間尺度，可以較小的計(jì)算量模擬復(fù)雜流動(dòng)，符合部分工程計(jì)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(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相似，但在ε方程中增加一個(gè)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(shù)。該模型包含低雷諾數(shù)效應(yīng)和旋流修正的子模型，可應(yīng)用于復(fù)雜剪切流、旋轉(zhuǎn)流、流動(dòng)分離等場(chǎng)合，如部分煤粉富氧燃燒模擬[17]?？蓪?shí)現(xiàn)k-ε模型，相較于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型增加了一個(gè)湍流黏性公式和新的耗散率傳輸方程，能夠較精確地預(yù)測(cè)平面和圓形射流擴(kuò)散作用，對(duì)旋流、回流、流動(dòng)分離和二次流預(yù)測(cè)較好，因此該模型可以更好地預(yù)測(cè)煤粉無焰燃燒的煙氣強(qiáng)卷吸作用，在當(dāng)前煤粉無焰富氧燃燒CFD研究中應(yīng)用較多[18-19]。

由于k-ε模型中的ε方程包含不能在壁面計(jì)算的項(xiàng)，須使用壁面函數(shù)，包括標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)、非平衡壁面函數(shù)和增強(qiáng)壁面處理。標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)平衡湍流邊界層通過對(duì)數(shù)校正法提供壁面邊界條件，非平衡壁面函數(shù)可以考慮壓力梯度并可計(jì)算分離、再附、撞擊等問題。標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)和非平衡壁面函數(shù)都允許近壁區(qū)域使用相對(duì)較粗的網(wǎng)格，但僅適用于高雷諾數(shù)流動(dòng)。增強(qiáng)壁面處理結(jié)合了混合邊界模型和兩層邊界模型，適用于低雷諾數(shù)流動(dòng)和復(fù)雜近壁面現(xiàn)象，但網(wǎng)格要求較密。

燃燒模擬還可采用k-ω湍流模型，包括標(biāo)準(zhǔn)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(yù)測(cè)近壁區(qū)繞流和旋流，不需要使用壁面函數(shù)，但需在近壁區(qū)設(shè)置密集網(wǎng)格。

此外，為了提高計(jì)算精度，當(dāng)前已有少數(shù)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(wǎng)格尺度直接求解、亞網(wǎng)格尺度(SGS)參數(shù)模化是湍流火焰大渦模擬的核心之一，傳統(tǒng)SGS模型假設(shè)小尺度湍流結(jié)構(gòu)近似均勻且各向同性，但實(shí)際湍流的各向異性對(duì)湍流混合層等未分辨尺度的影響使該假設(shè)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(jié)構(gòu)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(yù)測(cè)無焰燃燒的火焰結(jié)構(gòu)。

2.2 輻射模型

P1模型和離散坐標(biāo)(DO)模型能同時(shí)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(gè)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(xué)厚度大于1的場(chǎng)合以相對(duì)較低的計(jì)算量得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果；DO模型適用廣泛，考慮因素多，精度更高。氣體輻射特性計(jì)算多采用灰氣體加權(quán)和(WSGG)模型，計(jì)算量小且易與CFD計(jì)算相結(jié)合[20]。值得注意的是，富氧氣氛下，高濃度CO2和H2O(g)對(duì)氣體輻射特性有顯著影響，Smith等[24]開發(fā)的空氣WSGG模型對(duì)氣體發(fā)射率的預(yù)估偏低，需在該模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正。Rehfeldt等[25]提出的考慮富氧氛圍修正的WSGG模型對(duì)氣體發(fā)射率的預(yù)測(cè)誤差函數(shù)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(quán)重因子和吸收系數(shù)及改進(jìn)吸收系數(shù)多項(xiàng)式的方法，并通過比較輻射源相和輻射熱通量對(duì)模型新參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，該方法可顯著提高非等溫非均質(zhì)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(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)速率模型和化學(xué)滲透析出(CPD)模型。恒定速率模型認(rèn)為揮發(fā)分以恒定速率析出。單一速率模型認(rèn)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(shù)煤粉無焰燃燒CFD研究中被采用[28]。兩步競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)速率模型由Kobayashi[29]基于試驗(yàn)結(jié)果提出，通過一對(duì)平行一階不可逆反應(yīng)的2個(gè)競(jìng)爭(zhēng)速率來控制不同溫度范圍內(nèi)的脫揮發(fā)分并加權(quán)得到脫揮發(fā)分速率，預(yù)測(cè)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(jié)構(gòu)在快速加熱過程中的物理和化學(xué)變化，計(jì)算簡(jiǎn)單且預(yù)測(cè)效果好。該模型中煤粉揮發(fā)分析出的鍵橋斷裂和熱解產(chǎn)物生成機(jī)制為：煤結(jié)構(gòu)被假定為連接芳香族團(tuán)簇的化學(xué)鍵橋簡(jiǎn)化晶格或網(wǎng)絡(luò)，其中不穩(wěn)定鍵橋￡分解產(chǎn)生反應(yīng)鍵橋￡*并通過2條競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)路徑裂解：一條路徑生成焦炭c和輕質(zhì)氣體g2，另一條路徑先生成側(cè)鏈δ并最終分解生成輕質(zhì)氣體g1[16]。CPD模型可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)揮發(fā)分析出速率和重?zé)N(焦油)、輕質(zhì)氣體、碳?xì)湓亟M分。該模型可考慮單組分或多組分揮發(fā)分析出，在當(dāng)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(píng)估了單一速率模型、雙步競(jìng)爭(zhēng)速率模型和CPD模型的預(yù)測(cè)效果。結(jié)果表明，相較于其他2種基于經(jīng)驗(yàn)速率關(guān)系的簡(jiǎn)化全局動(dòng)力學(xué)模型，CPD模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的輸運(yùn)方程解，反應(yīng)速率以源項(xiàng)形式出現(xiàn)在組分輸運(yùn)控制方程中。層流有限速率模型使用Arrhenius公式計(jì)算化學(xué)源項(xiàng)，忽略湍流脈動(dòng)的影響，不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)具有高度非線性Arrhenius化學(xué)動(dòng)力學(xué)的湍流火焰。EDM模型和EDC模型在燃燒CFD研究中應(yīng)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(yīng)機(jī)理[16,32]。EDM模型是快速反應(yīng)模型，忽略化學(xué)反應(yīng)時(shí)間尺度，反應(yīng)速率僅由湍流混合中的大渦混合時(shí)間尺度k/ε控制，燃燒在湍流出現(xiàn)時(shí)(k/ε>0)即可進(jìn)行，不需要外加點(diǎn)火源。該模型假設(shè)每一步反應(yīng)速率相同，因此只能處理一步或兩步總包反應(yīng)機(jī)理，而不能耦合基于Arrhenius速率的多步反應(yīng)機(jī)理來預(yù)測(cè)化學(xué)動(dòng)力學(xué)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(yīng)，存在強(qiáng)烈的湍流化學(xué)相互作用，基于快速反應(yīng)模型的模擬誤差較大，當(dāng)前煤粉無焰及富氧燃燒CFD研究多采用基于有限速率反應(yīng)的EDC模型耦合總包或詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理[33-34]。EDC模型假設(shè)反應(yīng)發(fā)生在小湍流結(jié)構(gòu)的精細(xì)渦中(又稱為良好尺度)，這些結(jié)構(gòu)在Kolmogorov尺度均勻混合，使湍流耗散變?yōu)闊崃?。湍流精?xì)結(jié)構(gòu)的容積比率ε*和流體在該結(jié)構(gòu)中的特征停留時(shí)間尺度τ*按式(5)、(6)計(jì)算。

(5)

(6)

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

(7)

其中，Yi*為經(jīng)過τ*反應(yīng)時(shí)間后的組分i質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Yi為組分i初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)。值得注意的是，式(7)的反應(yīng)速率計(jì)算在低湍流雷諾數(shù)下(Ret< 65)可能出現(xiàn)過早點(diǎn)火的問題，可通過修正EDC模型常數(shù)解決。Shiehnejadhesar等[35]還提出了基于層流有限速率與湍流反應(yīng)速率的權(quán)重來計(jì)算低雷諾數(shù)下有效反應(yīng)速率的方法。實(shí)際無焰燃燒的溫度梯度和組分濃度梯度低、反應(yīng)速率低、反應(yīng)區(qū)域分布廣，因此可能需要修正EDC模型參數(shù)來捕捉極低氧水平下分布式無焰燃燒的反應(yīng)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(yīng)速率，提高預(yù)測(cè)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(jìn)一步推導(dǎo)了Cτ和Cξ與無量綱Re數(shù)、Damkohler(Da)數(shù)的顯式關(guān)聯(lián)(式(8)、(9))。

(8)

(9)

其中，Ret為湍流雷諾數(shù)；Da為基于Kolmogorov尺度計(jì)算的達(dá)姆科勒數(shù)。

可知應(yīng)增大Cτ值、減小Cξ值來表征低Re數(shù)和Da數(shù)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(xué)反應(yīng)交互，耦合高精度詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理還可進(jìn)一步提升精度并預(yù)測(cè)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(jié)果與試驗(yàn)值吻合更好，且微觀尺度下對(duì)湍流化學(xué)相互作用的預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確；詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理的模擬結(jié)果優(yōu)于總包機(jī)理。火焰面模型和組分輸運(yùn)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(yīng)用，但目前在煤粉無焰燃燒模擬中應(yīng)用較少。

2.5 均相反應(yīng)機(jī)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(jié)構(gòu)，燃燒可能發(fā)生在顆粒外部表面或內(nèi)部氣孔表面。常用焦炭燃盡模型包括內(nèi)部控制反應(yīng)速率(intrinsic)模型、多步表面反應(yīng)模型、動(dòng)力學(xué)/擴(kuò)散控制模型和燃盡動(dòng)力學(xué)(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(yīng)，反應(yīng)速率同時(shí)考慮氧化劑向顆粒表面的擴(kuò)散和內(nèi)在化學(xué)動(dòng)力學(xué)的影響，多被用于早期煤粉無焰燃燒CFD研究[16,45]。實(shí)際煤粉無焰燃燒存在強(qiáng)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(yīng)對(duì)焦炭燃盡有重要影響，單一氧化反應(yīng)機(jī)制的intrinsic模型對(duì)無焰燃燒的模擬精度可能受限。多步表面反應(yīng)模型可以考慮焦炭燃盡的一步氧化反應(yīng)和兩步氣化反應(yīng)，對(duì)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(dāng)前煤粉無焰燃燒CFD研究中被廣泛應(yīng)用[34,46]。動(dòng)力學(xué)/擴(kuò)散控制模型假設(shè)表面反應(yīng)速率同時(shí)受擴(kuò)散過程和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響，且燃燒過程中顆粒尺寸不變，顆粒密度隨反應(yīng)的進(jìn)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(duì)熱失活及灰分抑制的定量描述，最有可能接近真實(shí)燃盡率，但未考慮CO對(duì)氧化反應(yīng)的抑制作用和焦炭氣化反應(yīng)的影響。華中科技大學(xué)通過修正該模型的物性參數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)和反應(yīng)機(jī)理，使該模型更適用于富氧燃燒模擬[48]。

2.7 燃料氮轉(zhuǎn)化機(jī)理

煤粉燃燒NOx預(yù)測(cè)通常采用半經(jīng)驗(yàn)的后處理模擬方法。相比于NOx后處理，耦合含氮詳細(xì)反應(yīng)機(jī)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(duì)著火的加速作用和湍流-化學(xué)-NO反應(yīng)交互，從而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)著火和主反應(yīng)區(qū)，并得到含氮中間組分分布和燃料氮轉(zhuǎn)化路徑[49]。在實(shí)際燃燒CFD模擬中，含氮詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理的組分和反應(yīng)數(shù)較多，直接應(yīng)用于模擬計(jì)算成本較高，可進(jìn)行機(jī)理簡(jiǎn)化。Hu等[49]基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)開發(fā)了一種適用于空氣和富氧氣氛的燃料氮骨架反應(yīng)機(jī)理，并結(jié)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(yīng)機(jī)理，該骨架機(jī)理經(jīng)驗(yàn)證可在不顯著降低計(jì)算精度的條件下實(shí)現(xiàn)約18.6倍的計(jì)算加速。將該燃料氮骨架機(jī)理應(yīng)用于煤粉無焰燃燒模擬可精確預(yù)測(cè)NO生成，獲得圖2和圖3的含氮組分分布和燃料氮轉(zhuǎn)化路徑。由圖2可知，含氮組分分布包含了燃料氮關(guān)鍵中間組分NH3和HCN分布，可為燃料氮原位抑制技術(shù)提供支撐。圖3中數(shù)字和箭頭顏色表示各路徑反應(yīng)速率。

圖2 含氮組分分布[49]

圖3 煤粉無焰燃燒燃料氮轉(zhuǎn)化路徑[49]

2.8 動(dòng)態(tài)自適應(yīng)機(jī)理算法

燃燒時(shí)的火焰化學(xué)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(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理。動(dòng)態(tài)自適應(yīng)機(jī)理算法可將詳細(xì)機(jī)理在當(dāng)?shù)睾?jiǎn)化為精確子機(jī)理，實(shí)現(xiàn)計(jì)算加速。主要流程為：① 選擇目標(biāo)組分A，通過直接關(guān)系圖法在每個(gè)網(wǎng)格單元內(nèi)按式(10)計(jì)算非目標(biāo)組分B對(duì)目標(biāo)組分A生成的貢獻(xiàn)rAB。

(10)

其中，ωi為基元反應(yīng)i的化學(xué)反應(yīng)速率；vA,i為A組分在反應(yīng)i中的化學(xué)計(jì)量數(shù)。當(dāng)rAB>λ(λ為指定誤差)時(shí)組分B被保留在動(dòng)態(tài)機(jī)理中。每個(gè)非目標(biāo)組分對(duì)目標(biāo)組分A生成的貢獻(xiàn)都要被計(jì)算。② 采用相同方法確定目標(biāo)組分的間接貢獻(xiàn)組分，如果第1步中非目標(biāo)組分B被保留，再計(jì)算其余非目標(biāo)組分K對(duì)組分B的貢獻(xiàn)；如果rBK>λ，則保留K組分。③ 將所有與保留組分無關(guān)的反應(yīng)機(jī)理從總機(jī)理中去除，得到每個(gè)網(wǎng)格單元的當(dāng)?shù)睾?jiǎn)化機(jī)理。簡(jiǎn)化后的求解方程變?yōu)榈途S常微分方程，從而縮短計(jì)算時(shí)間。煤粉無焰燃燒CFD研究中可采用耦合詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理的有限速率模擬來提高預(yù)測(cè)精度，但組分?jǐn)?shù)、反應(yīng)數(shù)較多的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理可能導(dǎo)致實(shí)際計(jì)算過程較為耗時(shí)，因此可采用動(dòng)態(tài)自適應(yīng)機(jī)理算法實(shí)現(xiàn)計(jì)算加速。劉璐等[50]在耦合燃料氮骨架機(jī)理與動(dòng)態(tài)自適應(yīng)反應(yīng)機(jī)理算法的IFRF煤粉無焰燃燒模擬研究中發(fā)現(xiàn)，爐內(nèi)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、組分濃度場(chǎng)的模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)自適應(yīng)反應(yīng)機(jī)理算法在燃燒模擬研究中的可行性與準(zhǔn)確性；燃燒活躍反應(yīng)和活躍組分分布如圖4所示，可知主反應(yīng)區(qū)在活躍反應(yīng)數(shù)和組分?jǐn)?shù)較多的給粉管下游混合區(qū)位置；相比于骨架機(jī)理，耦合動(dòng)態(tài)自適應(yīng)反應(yīng)機(jī)理算法可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)6.94倍計(jì)算加速，該骨架機(jī)理相較于原始詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理已實(shí)現(xiàn)18.6倍的加速，因此，相較于原始機(jī)理，耦合骨架機(jī)理與動(dòng)態(tài)自適應(yīng)機(jī)理算法可在不顯著降低計(jì)算精度的條件下實(shí)現(xiàn)約126倍的計(jì)算加速。

圖4 動(dòng)態(tài)自適應(yīng)機(jī)理算法的活躍反應(yīng)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(zhǔn)試驗(yàn)

IFRF是最早研究無焰燃燒的機(jī)構(gòu)之一，Weber等[7]和Schaffel等[16]先后基于0.58 MW煤粉無焰燃燒爐進(jìn)行了相同工況下的燃燒試驗(yàn)和數(shù)值模擬，測(cè)得溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、組分濃度場(chǎng)的試驗(yàn)和模擬結(jié)果基本一致。由于該研究詳細(xì)給定了邊界條件、計(jì)算域和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，便于進(jìn)行模擬驗(yàn)證，之后許多學(xué)者在煤粉無焰燃燒模擬研究中以該IFRF燃燒爐為模擬對(duì)象，通過對(duì)比相同工況的模擬和試驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證CFD模型的可靠性。

3.2 微觀反應(yīng)區(qū)域分析

通過數(shù)值模擬可對(duì)煤粉無焰燃燒狀態(tài)和反應(yīng)特征進(jìn)行微觀反應(yīng)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(jù)湍流非預(yù)混火焰的不同狀態(tài)，用計(jì)算得到的Damkohler(Da)數(shù)和Karlovitz(Ka)數(shù)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(xué)反應(yīng)并在整個(gè)燃燒爐中分布式進(jìn)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(yù)熱溫度、速度)對(duì)均相燃燒反應(yīng)和焦炭非均相燃盡反應(yīng)的影響，并以Dat、DaO2、DaCO2、DaH2O分別代表均相反應(yīng)、焦炭與O2反應(yīng)、焦炭與CO2反應(yīng)、焦炭與H2O反應(yīng)的無量綱Da數(shù)來描述湍流化學(xué)相互作用。結(jié)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(yù)熱溫度對(duì)湍流擴(kuò)散和化學(xué)動(dòng)力學(xué)的雙重作用，Dat幾乎不受預(yù)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(yīng)由擴(kuò)散/動(dòng)力學(xué)機(jī)制決定，焦炭氣化反應(yīng)則由湍流擴(kuò)散效應(yīng)主導(dǎo)；在高射流速度和預(yù)熱溫度條件下，燃料和氧化劑射流的匯合使焦炭燃盡反應(yīng)提前受到湍流擴(kuò)散的影響。

3.3 宏觀反應(yīng)特征

不同工況條件對(duì)煤粉無焰富氧燃燒的著火特性、燃燒特性(氣化反應(yīng)特性、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、組分濃度場(chǎng)等)、燃盡特性有顯著影響。鐘瑩[47]在基于自主設(shè)計(jì)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(duì)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(qiáng)度大，溫度場(chǎng)和組分濃度場(chǎng)均勻；預(yù)熱溫度升高可均勻爐內(nèi)溫度場(chǎng)并提高燃燒效率和燃盡率；O2體積分?jǐn)?shù)增大會(huì)導(dǎo)致爐內(nèi)溫度升高且不利于溫度均勻；射流速度升高可以增強(qiáng)爐內(nèi)射流混合，且有利于實(shí)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(yīng)份額隨燃燒溫度的升高而升高；溫度場(chǎng)受氣化反應(yīng)的影響可忽略不計(jì)。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(shù)的升高使揮發(fā)分析出速率增加，射流雷諾數(shù)提高還會(huì)降低總體碳消耗率。涂垚杰等[22]在基于華中科技大學(xué)0.3 MW煤粉爐的模擬研究中發(fā)現(xiàn)，高溫預(yù)熱不是實(shí)現(xiàn)煤粉無焰燃燒的必要條件；相較于雙噴嘴對(duì)稱布置，單噴嘴偏心布置的射流動(dòng)量集中，煙氣再循環(huán)強(qiáng)烈，回流距離遠(yuǎn)，有利于無焰燃燒的建立，這在Li等[6]基于該臺(tái)架的模擬和試驗(yàn)研究中得到驗(yàn)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(fēng)速對(duì)爐內(nèi)溫度分布影響顯著：當(dāng)一次風(fēng)與二次風(fēng)平行或背離入射時(shí)，一次風(fēng)速提高可以增強(qiáng)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(huì)破壞一次風(fēng)和二次風(fēng)分離所產(chǎn)生的富燃和富氧區(qū)域，導(dǎo)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(yīng)對(duì)燃燒反應(yīng)特征影響顯著：焦炭在空氣或O2/CO2氣氛下的氣化反應(yīng)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(yīng)均會(huì)增加點(diǎn)火延遲，特別是CO2/O2氣氛；燃燒特性方面，氣化反應(yīng)導(dǎo)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(yīng)使煤焦表面結(jié)構(gòu)被破壞而產(chǎn)生額外的孔隙，反應(yīng)表面積增大，從而加快了燃盡反應(yīng)速率，使初級(jí)燃燒區(qū)的燃盡率略有提高，一定程度上彌補(bǔ)了低O2濃度對(duì)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(xué)性質(zhì)對(duì)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(yīng)、熱容和熱輻射特性均會(huì)導(dǎo)致燃燒溫度降低，且隨著H2O(g)含量的增加，氣化反應(yīng)和熱容特性的影響逐漸減弱，熱輻射特性的影響逐漸增強(qiáng)；H2O(g)含量增加會(huì)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(dǎo)致的燃燒溫升會(huì)增大煙氣體積并增強(qiáng)煙氣內(nèi)循環(huán)，揮發(fā)分中H2和CO含量增加會(huì)促進(jìn)煤粉著火，H2O(g)與CO2的焦炭氣化反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)會(huì)促進(jìn)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(huì)增加CO排放，這是由于煙氣停留時(shí)間降低，且高CO2濃度抑制了CO轉(zhuǎn)化；在換熱方面，射流速度升高會(huì)顯著增強(qiáng)對(duì)流換熱，而爐內(nèi)溫度下降，但更均勻的溫度分布和更強(qiáng)烈的對(duì)流換熱可能會(huì)彌補(bǔ)溫度降低導(dǎo)致的輻射熱損失。

圖5 不同無焰燃燒器流場(chǎng)[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(jì)，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(duì)燃燒反應(yīng)特性影響顯著，富氧氣氛下燃料N向NO的轉(zhuǎn)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(duì)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?cè)剂螻轉(zhuǎn)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(fēng)速，一次風(fēng)速對(duì)NO排放影響顯著，當(dāng)一次風(fēng)速由26 m/s提高至67 m/s時(shí)，主反應(yīng)區(qū)氧濃度顯著降低，從而強(qiáng)烈抑制了燃料N向NO的轉(zhuǎn)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(huì)降低NO排放，當(dāng)射流角由-10°(相對(duì)入射)變?yōu)?10°(背離入射)，射流卷吸增強(qiáng)，燃料型NO降低了96×10-6，當(dāng)噴嘴間距由0.1 m增加至0.6 m，一、二次風(fēng)匯流區(qū)向下游移動(dòng)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(zhì)無焰燃燒的模擬研究中發(fā)現(xiàn)，富氧氣氛或生物質(zhì)混燃均有利于減少煤粉無焰燃燒的NOx排放，當(dāng)生物質(zhì)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(shè)計(jì)

通過數(shù)值模擬研究，可對(duì)基于煤粉無焰燃燒的大型工業(yè)鍋爐進(jìn)行燃燒器設(shè)計(jì)和工況優(yōu)化。如Schaffel等[61]通過數(shù)值模擬方法對(duì)130 MW無焰燃燒鍋爐進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)，并對(duì)燃燒器間的距離和燒嘴位置進(jìn)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(shè)計(jì)并通過CFD模擬篩選了不同幾何構(gòu)型中的最優(yōu)結(jié)果。鍋爐系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)如圖6所示，包含8個(gè)相同的由散熱屏隔開的爐段，每個(gè)爐段獨(dú)立點(diǎn)火以便控制鍋爐負(fù)荷。對(duì)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(dú)射流，而燃料由再循環(huán)煙氣送入爐膛。對(duì)于無焰燃燒的實(shí)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?shù)臒煔獬隹诓贾梅绞骄鶎?dǎo)致了爐內(nèi)強(qiáng)烈的煙氣內(nèi)部再循環(huán)，并延長了燃料停留時(shí)間。還研究了不同過量氧氣系數(shù)和煙氣循環(huán)率下的燃燒效率，將模擬結(jié)果嵌入整體工藝流程模型中，總能效相較于標(biāo)準(zhǔn)富氧燃燒電廠預(yù)計(jì)提高3%以上。

圖6 1 000 MW煤粉無焰富氧燃燒鍋爐幾何結(jié)構(gòu)[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(dāng)前煤粉燃燒模擬大都基于雷諾平均方法，雖可以較小計(jì)算量模擬高雷諾數(shù)的復(fù)雜流動(dòng)，但不能反映湍流細(xì)節(jié)和瞬時(shí)信息。大渦模擬的精度和計(jì)算量介于雷諾平均模擬和直接數(shù)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(jié)構(gòu)的瞬時(shí)信息，又可使計(jì)算成本遠(yuǎn)低于直接數(shù)值模擬。目前國內(nèi)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(yùn)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?jǐn)嚢璺磻?yīng)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(yùn)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?jǐn)?shù)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(duì)煤粉無焰富氧燃燒的大渦模擬研究目前還鮮有報(bào)道，但隨著計(jì)算資源的發(fā)展和計(jì)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(xì)節(jié)特征。

燃燒模型方面，火焰面進(jìn)程變量(FPV)模型和組分輸運(yùn)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(jìn)程變量，經(jīng)驗(yàn)證可考慮無焰燃燒中煙氣稀釋對(duì)溫和反應(yīng)的影響。該模型計(jì)算基于預(yù)建表和查表進(jìn)行，計(jì)算速度相對(duì)較快，因此有望應(yīng)用于煤粉無焰富氧燃燒工程優(yōu)化模擬。組分輸運(yùn)PDF模型可較完備地考慮湍流脈動(dòng)對(duì)有限速率反應(yīng)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停环矫婵商剿鞑煌〕叨然旌夏Ｐ蛯?duì)煤粉無焰富氧燃燒的適應(yīng)性，另一方面可進(jìn)行煤粉無焰富氧燃燒的RANS及大渦模擬研究。目前已有應(yīng)用FPV模型和組分輸運(yùn)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(yùn)PDF模型。

詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理及其動(dòng)態(tài)自適應(yīng)模擬是煤粉無焰富氧燃燒模擬的又一發(fā)展方向?？偘磻?yīng)機(jī)理雖可以較低的計(jì)算成本預(yù)測(cè)燃燒過程主要組分的變化趨勢(shì)，但無法預(yù)測(cè)中間自由基，無法捕捉諸如點(diǎn)火和熄火等過程的細(xì)節(jié)信息。將詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理用于有限速率反應(yīng)模擬可獲得中間組分，模擬精度高、信息全面，且通過適當(dāng)?shù)臋C(jī)理簡(jiǎn)化或動(dòng)態(tài)自適應(yīng)機(jī)理算法還可在保證模擬精度的同時(shí)降低計(jì)算成本[49-50]。當(dāng)前已有部分氣體燃料無焰及富氧燃燒的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理模擬，如Cao等[68]的無焰燃燒模擬。

最后，為了推動(dòng)煤粉無焰富氧燃燒技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用，還應(yīng)繼續(xù)開展基于大型工業(yè)鍋爐的CFD研究，對(duì)大型化燃燒器設(shè)計(jì)和鍋爐技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。如前文所述的Schaffel等[61]和Adamczyk等[62]分別進(jìn)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(shè)計(jì)，并通過CFD模擬進(jìn)行了優(yōu)化分析。

5 結(jié) 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(shí)顯著降低NOx生成。本文綜述了煤粉無焰富氧燃燒數(shù)值模擬方法研究進(jìn)展：

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

2)數(shù)值模擬方法方面，煤粉無焰富氧燃燒模擬已在網(wǎng)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(yīng)機(jī)理、焦炭燃盡模型、燃料氮轉(zhuǎn)化機(jī)理和動(dòng)態(tài)自適應(yīng)反應(yīng)機(jī)理算法等方面取得了顯著進(jìn)展。

3)基于上述數(shù)值方法進(jìn)展，已在基準(zhǔn)對(duì)照試驗(yàn)、微觀反應(yīng)區(qū)域分析、宏觀反應(yīng)特征、污染物生成及大型化鍋爐概念設(shè)計(jì)等方面開展大量研究。

4)開展大渦模擬、采用FPV或組分輸運(yùn)PDF模型、耦合高精度詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理及動(dòng)態(tài)自適應(yīng)機(jī)理算法、進(jìn)行工業(yè)應(yīng)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。