类别：国际自然科学基金重大项目课题

负责人：赵海波

批注编号：51390494

起止日期：2014.1~2018.12

研究经费：242万元

结题摘要：

能源动力装置中气固湍流燃烧的典型特征是气固流场、温度场、组分场等相互耦合，且存在时间和空间维度上的多尺度结构。本课题针对国家自然科学基金重大项目“气固湍流燃烧的多尺度耦合特性与机理”的研究内容四“气固湍流燃烧多尺度耦合模拟与设计方法”而提出，结合本重大项目前三个子课题对固体燃料颗粒的多尺度效应、气固湍流的多尺度结构与演化、气固湍流燃烧的多尺度耦合机理等三个关键科学问题的研究成果，本课题集中精力于对宏观模拟框架下计算网格内多相反应流介尺度特征的建模、多场多尺度耦合数值方法的建立，以及应用于大型煤粉炉和循环流化床的燃烧优化和污染物减排、新型能源动力装置的设计和放大。

在基础理论研究方面，创新性提出了计算网格内考虑颗粒聚团结构的多尺度曳力模型、传热模型和化学反应模型，建立了考虑颗粒体积分数梯度的非均匀颗粒团聚的高阶精度数值模拟方法，在宏观数值模拟层面能反映介尺度结构对反应-传递-流动行为的影响；建立了描述多分散颗粒间相互作用的异权值Monte Carlo方法、研究了富CO2和H2O条件下辐射传热和煤焦表界面反应动力学，耦合描述颗粒动力学的群平衡模拟，实现了对气固湍流燃烧系统多场多尺度耦合数值模拟。

成果应用研究方面，对典型煤粉锅炉和循环流化床锅炉的燃烧优化、NOx减排、多燃料掺烧优化、再热气温偏差等进行多尺度数值分析，显著提升了能源动力装置的安全、环保和经济性能；其中，600MW W火焰锅炉NOx排放量降低50%，700MW切圆锅炉年节约标准煤2.1万吨，1000MW塔式切圆锅炉烟温偏差显著降低，有效改善运行安全性；利用多场多尺度耦合模拟方法对新型富氧燃烧锅炉等进行数值模拟，为200MW富氧燃烧煤粉锅炉的设计和放大依据；提出了全新的煤粉-流化床复合燃烧锅炉，实现额定负荷20%时稳燃，提高锅炉热效率，可提高锅炉热效率5%、减少飞灰颗粒污染物排放量11%。

部分研究成果获国家自然科学二等奖、获得湖北省自然科学一等奖和技术发明一等奖、37届国际燃烧会议杰出论文奖等，发表SCI收录论文74篇，授权发明专利12项，出版专著2部，培养长江学者特聘教授一名，青年长江、青年拨尖、国基金优青各1人次。

总之，本课题发展工业规模多场多尺度耦合数值模拟和设计方法，为现役锅炉的高效、低污染燃烧优化，以及新型煤粉-流化床复合锅炉和富氧燃烧锅炉的产业化发挥了关键作用。