柳朝晖 教授


男,汉族,1972年生,江西湖口人。国家万人计划领军人才,华中卓越学者特聘教授,低碳燃烧团队负责人。主持国家重点研发、973、863、支撑、自科基金等项目20余项,国内外企业合作课题10余项。牵头实施了中国富氧燃烧碳捕集技术“0.3MW-3MW-35MW”研发示范路线图,在该领域总体居于国际领先。近年来致力于工业领域富氧燃烧,高性能燃烧模拟软件,电站锅炉数字孪生等研究。已撰写专著2部,发表论文240余篇,授权发明专利30余项。成果入选国家十二五”科技创新成就展,并获国家自然科学二等奖1项、省部级一、二等奖各3项。已培养博、硕士百余人,获评“研究生最喜爱导师”和“师德模范”,并主讲多相流基础、燃烧过程数值模拟等课程。

 

地址:清洁能源大楼S1305      E-mail: zliu@hust.edu.cn  




  有序推进“碳达峰、碳中和”,推进能源低碳转型,是未来数十年我国面临的重大挑战。面向电力行业以及钢铁、水泥、炼化等难减排行业的深度碳减排需求,低碳燃烧团队(Low Carbon Combustion Center, L2C)将重点围绕以下几个技术方向开展共性基础研究、关键技术开发和工程示范:

(1) 常压富氧燃烧、加压富氧燃烧、无焰燃烧等低碳燃烧技术;

(2) 天然气、氢、氨、含能材料等低碳燃料利用的湍流多相反应流体力学理论;

(3) 锅炉和火电机组数字燃烧、动态优化等低碳运行支撑技术等。

1.化石能源清洁低碳利用技术

1.1 富氧燃烧(Oxy-fuel Combustion)

富氧燃烧是一种可实现低碳排放的燃煤发电技术,它是在现有电站锅炉系统基础上,用高纯度的氧代替助燃空气,结合采用烟气循环来调节炉内传热特性,可获得富含80%体积浓度CO2的烟气,进而可以较低的能耗压缩纯化,满足CO2封存或资源化利用的需要。该技术与现有燃煤电站主流技术具有良好的承接性,容易被电力行业接受。和其他碳捕集方式相比,富氧燃烧技术在投资成本、运行成本、CO2减排成本、大型化和与现有技术的兼容度等方面都具有优越性,有望对我国2030年后的深度碳减排起到重要的支撑作用。

本课题组从上世纪九十年代中期开始,在各级科技项目的持续支持下,历时二十年,主持并实践了中国富氧燃烧碳捕集技术“0.3MW-3MW-35MW-200MW”的研发路线图,完成了我国富氧燃烧碳捕集技术从 “基础研究-小试-中试-工业示范”的研究开发和示范。系统研究了富氧燃烧碳捕集技术的着火/燃烧、辐射传递、矿物迁移转化和过程热经济性分析等基础理论,并突破了富氧燃烧系统、富氧锅炉等关键装备,以及系统集成和运行控制等关键技术,形成了自主的富氧燃烧-空气燃烧“兼容设计” 方案,近五年完成了3MW全流程中试装置、35MW先导示范装置的工程设计、建设、调试和性能试验,相关技术指标国际领先。在应城35MWth富氧燃烧试验装置上,实现了烟气CO2浓度82.7%vol,dry的高浓度富集,较国际同类装置高10%以上。

 

1.2 加压富氧燃烧(Pressurized Oxy-fuel Combustion )

加压富氧燃烧是在常压富氧燃烧系统基础上,将锅炉的运行压力提升到5~10bar,从而降低系统漏风,改善烟气热焓回收,系统供电效率损失可降低到5~6%,是一种极具前景的新一代碳捕集发电技术。

政府间国际合作等重点研发任务支持下,在常压富氧燃烧实验的已有基础上,本课题组正在开展加压富氧燃烧的实验研究。实验主要着力于研究在高压富氧工况下,煤粉的着火特性和焦炭燃烧及其动力学特性。于2013年,搭建了麦肯纳平面火焰携带流反应器,研究了煤粉在富氧燃烧和常规空气燃烧条件下的脱挥发分特性和所制备煤焦的物理化学特性及反应性(黄晓宏. 基于平面火焰携带流反应器的煤粉富氧燃烧特性研究[D].华中科技大学,2013.)。于2016年,搭建了hencken平面火焰燃烧器,进行了煤粉着火过程中的光学测量,发展了一套基于高速摄像测量的数据采集方法和数据处理方法。

目前,团队在国内外率先建成了加压可视化平面火焰携带流反应器,并发展了高精度的基于颗粒跟踪的煤焦速度-温度-粒径联合测量方法,用于获取1~10bar加压条件下煤粉、铝粉等的着火和燃烧动力学特性,为煤粉增压富氧燃烧、固体火箭发动机燃烧等提供基础数据。

 

1.3 无焰燃烧(MILD)

温和与极度低氧稀释燃烧(Moderate & Intense Low Oxygen Dilution, MILD),因其气体燃烧不存在火焰锋面,也常称之为无焰燃烧(Flameless Combustion)和无焰氧化(Flameless Oxidation, FLOX)。 MILD燃烧具有以下显著特点:(1) 不存在火焰锋面和局部高温区,温度场分布均匀;(2) 燃烧反应在整个炉内均匀进行,炉内辐射换热效率高,燃烧稳定性好;(3) 燃烧过程中氮氧化物(NOx)的生成得到有效抑制,排放量显著下降(NOx排放量低于80 ppm)。

本课题组对MILD燃烧进行了系统研究,建立了易于工程模拟使用的改进甲烷富氧燃烧/无焰燃烧两步、四步总包反应机理 (Wang et al. CST, 2012),研究了空气无焰燃烧和富氧无焰燃下的分区特性和临界转化特性(王林, 2013);基于20 kW实验平台开展了常规旋流燃烧和MILD燃烧状态下的详细的炉内测量实验,获得了NO和CO超低排放的推荐区间(Hu et al. EF, 2018 a),进一步通过详细CFD模拟,获得了最优当量比及NO的近零排放( Hu et al. EF, 2018 b)。

 

2.湍流两相反应流体力学

2.1 多相湍流燃烧的全解析数值模拟(FR-DNS)

多相湍流燃烧过程广泛存在于自然界及工程运用中,是一个存在着多场耦合及时空多尺度结构的复杂体系,比如多相之间的动量传递过程、传热传质过程、气固表面反应与气相反应等,同时这些过程存在着复杂非线性的相互作用,是当前国内外燃烧学研究者们重点关注的领域之一。

经十余年的持续研究,本课题组提出了实现无滑移边界条件的高效简便算法--BTDF边界增厚直接力法(江茂强等, 工程热物理学报, 2018; Jiang & Liu. JCP, 2019),发展了基于浸没边界法(IBM)与格子Boltzmann方法(LBM)耦合的全解析两相湍流并行高效模拟程序PFlows(Bao et al., PoF, 2012; Bao et al, IJHFF, 2012; Cao et al. AMC, 2015; 查露, 中科院大学学报, 2015; Jiang et al., MNF, 2018),可全解析模拟流体网格达10^9,颗粒数达10^5量级的三维气固两相流,在5000 CPU核上实现了0.8以上的并行效率,为研究颗粒群沉降、颗粒团聚结构及曳力模型、颗粒流动不稳定性等问题提供了工具。进一步开发了低Mach数燃烧反应的格子Boltzmann耦合模型(Chen et al., CMA, 2008),并与表面燃烧反应动力学相耦合开发了碳棒群多相燃烧的高效并行模拟程序,模拟了二维多碳棒的团聚燃烧,研究了多碳棒燃烧时流场扰动的影响和碳棒数目对反应速率的影响(朱合华[硕士论文],2016)。

2.2 多相湍流燃烧的多尺度模型和数值方法 (WLES\PDF)

从物理和化学过程特征尺度的时空分布来看,多相湍流燃烧是一个典型的多尺度问题。相关建模、模拟过程中准确把握多尺度特性以及开发配套的多尺度算法对于多相燃烧模拟至关重要。

本课题组早在2000年开始就对两相反应流PDF模型进行系统研究,并建立相应的数值计算方法(Liu et al. PCI, 2002)。近年来,为提高多相湍流场模拟精度,并得益于计算资源的大幅增加,我们在直接数值模拟(DNS)下对颗粒漂移、碰撞等颗粒运动特性进行定量统计分析,引入过滤器,FTLE及小波分析等工具分析流场与颗粒间的多尺度相互作用,据此构建多尺度颗粒亚格子(SGS)模型及相应的自适应LES平台,并用于大涡模拟(LES)框架下对两相均匀各向同性湍流(Xiong et al. Acta Mech Sinica, 2017)以及对撞湍流(Wu et al. Comp Fluids, 2016)颗粒复杂运动特性进行分析。

最近,我们发展了一种基于结构化微分过滤(DF)和小波自适应过滤(WFDNS)的大涡模拟方法,对于模拟颗粒相的各种单点统计量和两点统计量,均表现出了良好的特性(Xiong et al., Int. J. Multiphase Flow, 2019)。

 

2.3 多相湍流燃烧的大涡模拟(LES-FPV)

煤粉燃烧是一个复杂的多尺度过程,涉及到气固两相流、煤粉的脱挥发、焦炭燃烧、湍流气相燃烧以及辐射换热等物理和化学过程。因此.对锅炉煤粉燃烧火焰的稳定性进行有效、实时的预报是至关重要的。其中煤粉的脱挥发和焦炭燃烧是一个复杂的过程需要高精度的流场解析作为基础。大涡模拟(LES)是近十年来快速发展起来的数值模拟方法,目前在湍流燃烧、多相流燃烧等领域已取得初步成功的应用。它将湍流分为大尺度湍流和小尺度湍流,对大尺度湍流直接模拟,用模型模拟小尺度湍流。

本课题组运用大涡模拟方法(LES)对一个煤粉燃烧器进行了模拟,并对其燃烧的稳定性进行了一系列分析。目前正使用火焰进程变量模型(FPV)来模拟湍流燃烧,并对火焰不稳定性进行分析。

 

2.4 多相湍流燃烧的不稳定性及其调控

在现代电站燃煤锅炉中,火焰检测和燃烧诊断技术对电厂运行的安全性、经济性有非常重要的意义。其中火焰局部熄火着火及其不稳定对锅炉的运行寿命及其安全性影响极大。且火焰不稳定性是一个复杂的过程需要高精度的流场解析作为基础。大涡模拟(LES)是近十年来快速发展起来的数值模拟方法,目前在湍流燃烧、多相流燃烧等领域已取得初步成功的应用。它将湍流分为大尺度湍流和小尺度湍流,对大尺度湍流直接模拟,用模型模拟小尺度湍流。

本课题组使用LES+FPV来模拟湍流燃烧。然后通过normalized flame index (N.F.I) 分析辨别火焰行为,结合温度云图分析不同火焰模式的热贡献。首先通过Da、Re和标量耗散率来初步研究火焰稳定性及局部熄火着火。本课题针对复杂的火焰,发展了通过对比热释率,OH基浓度,温度及混合分数来探究其火焰的稳定性。


 

2.5 弥散介质的辐射特性及其辐射传热

辐射占电站锅炉煤粉火焰与水冷壁热传递的90%以上,准确计算弥散介质(包括CO2、H2O等非灰气体,以及飞灰、焦炭、未燃尽炭等)的辐射特性对于燃烧室内传热预报至关重要。

早在20世纪90年代,本课题组就对弥散介质的辐射特性进行了系统研究,基于Mie理论发展建立了未燃尽炭的辐射特性模型(郑楚光, 柳朝晖. 华中理工大学出版社, 1996;Liu et al.APJCE. 2000)。近年来,为提高富氧燃烧锅炉中辐射热传递的预测精度,我们进一步发展了介质的非灰辐射特性模型,通过借鉴全光谱k分布思想,将气体、颗粒辐射参数进行重排,得到非灰气体 (Guo et al.IJHMT,2015)以及非灰颗粒 (包括飞灰Guo et al.IJHMT, 2017、未燃尽炭Guo et al.PCI, 2019)的灰气体/颗粒加权辐射特性模型 (WSGG-SK/WSGP-SK),模型计算量小,适用范围宽(可适用于CO2/H2O=0.05-2.0,T=600-2500K,L=0-50m),精度高,优于国际上同类模型。

上述辐射特性模型已用于35MWth和200MWe富氧燃烧炉内传热规律的研究(Guo et al. Fuel, 2015; Guo et al.Fuel,2017)。

 

3.能源动力装置和系统的仿真及优化

3.1 能源动力系统建模及仿真优化

富氧燃烧技术增加了空气分离系统(air separation unit,ASU)和烟气压缩纯化系统(compression and purification unit,CPU),从而会增加系统的投资成本和运行电耗,导致整个燃烧发电系统的供电效率降低,因此对整个O2/CO2 燃烧发电系统进行建模分析和优化,使系统在经济最优的状态下运行是很重要的。

以某现有600MW 超临界燃煤机组为对象,我们利用Aspen Plus软件对600MW 富氧燃烧发电系统全过程(空分系统、燃烧发电系统和烟气压缩纯化系统)进行建模分析并优化(孔红兵,中国电机工程学报,2012)。近年伴随3MW和35MW一系列中试平台建设,针对这些平台使用Aspen进行建模优化的工作也相应展开(罗威[博士论文],2016;Luo et al,IJGGC,2015)。针对典型增压富氧燃烧系统与常压富氧燃烧系统进行对比,表明增压富氧燃烧系统在经济性上有着突出优势(王巧[硕士论文],2016)

 

3.2 热力系统动态仿真及控制优化

动态仿真可以研究不同扰动或者运行工况下某个特征单元以及全流程的瞬态响应特性,从而为系统的设计、控制和运行提供帮助。

本课题组利用3MWth富氧燃烧实验平台,基于Aspen Plus Dynamics建立了3MWth富氧燃烧锅炉岛动态仿真模型。利用实验数据,在多种工况下对该模型进行了验证(Luo et al.IJGGC, 2015) ,并且对富氧燃烧锅炉岛在不同热负荷,以及某恒定负荷条件下不同过剩氧系数等不同扰动条件下的响应进行了研究,得到了系统应对不同扰动条件下的响应特性,为试验过程中运行工况寻优提供了很好的支撑(Luo et al. Energy Procedia, 2014) 。在该仿真模型中,利用Bristol矩阵与Niederlinski index方法对变量之间的相关性进行分析,设计相关的控制方案,并提出动态㶲的概念,对系统控制方案进行评价优化(Luo et al.Fuel,2015)。进一步的,建立了35MWth富氧燃烧锅炉岛动态仿真模型,设计了其全局控制方案和空气-富氧不同运行模式的切换控制方案。

 

3.3 燃烧装备的数值模拟及放大规律

燃烧器和锅炉的设计是煤粉富氧燃烧技术发展的关键,数值模拟方法能够有效的辅助富氧燃烧器及锅炉的设计及优化。我们发展了一套适用于富氧燃烧的数值模拟方法(IECR 2011),以0.3MW富氧燃烧器为对象,对富氧燃烧器的设计准则进行详细研究(IJGGC 2017)进而对3MW旋流燃烧器以及35MW旋流燃烧系统进行详细数值模拟,分析炉内流场、温度分布以及传热特性,预测结果与试验结果吻合良好(工程热物理学报2014;Fuel 2017);进一步地对200MWe富氧燃烧锅炉进行数值模拟,分析富氧燃烧的放大规律 (Fuel, 2015)。

基于以上研究,自主研发设计并实践了0.3MW、3MW以及12MW富氧燃烧低NOx旋流燃烧器,同时申请了多项专利(CN201803364U,CN101825278A,CN106439795),为富氧燃烧的发展奠定了基础。

 

 2020.7 更新

 



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