围绕燃煤机组耦合生物质直燃发电在非球形生物质大颗粒气固两相动力学模型方面的研究进展开展综述，从国内外燃煤机组直燃耦合生物质发电技术的应用历程中全面分析直燃耦合非球形生物质大颗粒数值模拟过程中存在的问题，建议通过颗粒分辨的直接数值模拟（DNS）获得各种典型的非球形颗粒的曳力升力系数和力矩系数的新关联式，耦合非球形颗粒平移及旋转运动，构建适用于非球形生物质大颗粒的通用气固两相动力学模型，为揭示生物质与煤粉直燃耦合过程中的颗粒输运和热转化特性提供支撑。
燃煤机组耦合生物质直燃发电研究进展：非球形生物质大颗粒气固两相动力学模型
汪靖良1，方庆艳1，YIN Chungen2,马 仑1，马启磊3,乔 瑜1,张 成1，陈 刚1
1.华中科技大学 煤燃烧与低碳利用全国重点实验室
2.AAU Energy Aalborg University,Aalborg East, Denmark
3.中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司
生物质颗粒较大，且呈现不规则的非球形；在国内目前缺乏成熟技术方案和相关经验的情况下，准确模拟不规则、非球形生物质大颗粒的运动轨迹是准确模拟其燃烧过程的基础和关键，也是该领域的难点。通过颗粒分辨的直接数值模拟获得各种典型的非球形颗粒的曳力、升力系数和力矩系数的新关联式，耦合非球形颗粒平移及旋转运动，构建适用于非球形生物质大颗粒的通用气固两相动力学模型。
研究背景
国家明确大力发展燃煤机组耦合生物质直燃发电技术，并强调加快推进关键技术研发，在国内目前缺乏成熟技术方案和相关经验的情况下，计算流体力学（CFD）可为准确模拟不规则、非球形生物质大颗粒气固两相动力学特性提供有效的研究工具，但对于不规则、非球形生物质大颗粒，现有的球形粒子（煤粉）运动模型过于简单，难以适用。
研究内容
从国内外燃煤机组直燃耦合生物质发电技术的应用历程出发，全面分析直燃耦合非球形生物质大颗粒数值模拟过程中的局限，总结非球形颗粒气固两相流模型研究现状，并归纳利用颗粒分辨的直接数值模拟(Particle-resolved DNS)导出的各种典型非球形粒子的曳力、升力系数和力矩系数关联式，并指出目前存在的问题。提出构建适用于非球形生物质大颗粒的通用气固两相动力学模型新的思路，为揭示生物质与煤粉直燃耦合过程中的颗粒输运和热转化特性提供支撑。
研究结论
1）国内目前缺乏成熟技术方案和相关经验的情况下，计算流体力学（CFD）可为准确模拟不规则、非球形生物质大颗粒气固两相动力学特性提供有效的研究工具。
2）多相流点颗粒模拟（RANS），只考虑平移，难以适用非球形生物质大颗粒高雷诺数下含平动、旋转与偏转的更复杂的运动状态。
3）颗粒分辨的直接数值模拟(DNS)导出典型非球形颗粒的曳力、升力和力矩系数的新关联式，虽有较好普适性，但并未与试验数据比较，未真正应用于工业界的多相流模拟，如燃煤锅炉耦合生物质燃烧。
4）通过直接数值模拟（DNS）准确导出不同非球形颗粒曳力升力及力矩相关系数，并耦合平移与旋转，与气固两相动力学试验数据交叉验证，构建适用于非球形生物质大颗粒的通用气固两相动力学模型，为揭示生物质与煤粉直燃耦合过程中的颗粒输运和热转化特性提供支撑。
图1 秸秆粉碎与输运示意
图2 生物质成型颗粒燃料在2种破碎方式下的木屑颗粒样品直径
引用格式：
汪靖良，方庆艳，YIN Chungen,等.燃煤机组耦合生物质直燃发电研究进展：非球形生物质大颗粒气固两相动力学模型[J].洁净煤技术,2023,29(9):14-23.
WANG Jingliang, FANG Qingyan, YIN Chungen, et al. Research progress on direct-fired biomass power generation in coal-fired units: Gas-solid two-phase dynamic model for largenon-spherical biomass particles.[J]. Clean Coal Technology,2023,29(9):14-23.
作者简介
汪靖良（1996），男，在读博士研究生，主要从事于非球形生物质颗粒直接数值（DNS）模拟、非球形生物质气固动力学模型构建和燃煤锅炉耦合生物质掺烧的高效、清洁燃烧过程的数值模拟，国家自然科学基金：稀相流非球形生物质大颗粒气固两相动力学模型研究（批准号：52376110）的主要参与者。
通讯作者
方庆艳，工学博士/博士后，教授，博士生导师，丹麦Aalborg University能源技术系访问学者。2007年毕业于华中科技大学能源与动力工程学院，获热能工程专业博士学位，主要从事生物质与煤先进燃烧理论与技术、智能发电、燃烧数值模拟等方面研究。主持与承担国家重点研发计划国际合作项目1项、国家自然科学基金4项、国家自然科学基金重大项目课题1项、国家高技术发展863项目2项，广东省重大科技专项1项、广东省教育部产学研结合项目1项，横向科技项目20余项。授权国家发明专利20余项，发表学术论文150余篇，出版著作3部《煤粉低NOx燃烧数值模拟》《燃烧数值模拟方法与应用》和《电站锅炉混煤掺烧与经济运行》。荣获2015年中国商业联合会科技进步一等奖和电力建设科技进步二等奖各1项、2012年教育部科技进步二等奖1项和2011年湖南省科技进步三等奖1项。
