综述：流化床中氧燃料燃烧用于CO2捕获的CFD建模最新进展

这篇综述系统阐述了计算流体动力学（CFD）在氧燃料流化床燃烧（Oxy-FBC）技术中的关键作用，重点分析了欧拉-欧拉（E-E）和欧拉-拉格朗日（E-L）框架下的多相流模型、热化学子模型及湍流模拟方法。文章通过对比传统空气燃烧与Oxy-FBC的差异，揭示了高浓度CO2环境下燃烧特性、传热机制和污染物控制的独特性，为碳捕集与封存（CCS）技术的工业应用提供了理论支撑。

　　

氧燃料流化床燃烧的CFD建模突破

Abstract
计算流体动力学（CFD）已成为解析氧燃料流化床燃烧（Oxy-FBC）复杂物理化学行为的核心工具。通过整合欧拉-欧拉（E-E）和欧拉-拉格朗日（E-L）框架，研究者能够精确模拟气固两相流动、传热传质及多步化学反应，为工业级Oxy-FBC系统的设计优化提供理论依据。

Introduction
全球CO₂排放的40%以上来自燃煤电厂，而氧燃料燃烧技术通过纯氧替代空气，使烟气CO₂浓度提升至90%以上，显著降低碳捕集能耗。与传统空气燃烧相比，Oxy-FBC兼具燃料灵活性、低NO_x排放和高效硫脱除等优势，尤其适用于循环流化床（CFB）和鼓泡流化床（BFB）反应器。

CFD Modeling of Oxy-FBC
模型开发
Oxy-FBC的CFD建模需耦合三大核心子模型：

1. 多相流动力学：采用双流体模型（TFM）或离散元法（DEM）描述气固相互作用，其中Gidaspow拖曳模型和KTGF理论广泛应用于固相应力计算；
2. 热化学过程：包含挥发分释放的Arrhenius方程、焦炭气化反应（C+CO₂→2CO）及均相燃烧（CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O）；
3. 湍流模型：RANS框架下的k-ε模型与LES方法分别适用于稳态和瞬态流动模拟。

关键挑战

• 高CO₂环境影响：CO₂的高比热容导致燃烧温度降低，需通过烟气再循环（RFG）调节炉内热平衡；
• 颗粒尺度效应：DEM虽能解析单个颗粒运动，但计算成本限制了工业级模拟，而MP-PIC方法通过统计 parcel 降低计算量；
• 辐射传热：CO₂-H₂O混合气的辐射特性需采用WSGG模型精确建模。

Oxy-fuel Fluidized Bed Combustion
技术优势

• 碳捕集经济性：省去胺吸收环节，直接压缩高浓度CO₂烟气；
• 污染物协同控制：低温燃烧抑制热力型NO_x，CaO床料同步脱硫；
• 燃料适应性：适用于煤、生物质及固体废弃物共燃。

CFD-DEM与MP-PIC的博弈
CFD-DEM通过牛顿定律追踪每个颗粒的运动，但计算量随颗粒数呈指数增长。MP-PIC采用概率密度函数（PDF）描述颗粒群行为，在30MW_th CIUDEN中试装置模拟中，将计算时间缩短80%而误差保持在5%以内。

Chemistry during Oxy-FBC
反应路径

1. 干燥与热解：燃料颗粒释放水分（H₂O_(l)→H₂O_(g)）后，经历多步热解生成焦炭（Char）、挥发分（C₂H₄+3O₂→2CO₂+2H₂O）和灰分；
2. 焦炭转化：在O₂/CO₂气氛中，同时发生燃烧（C+O₂→CO₂）和气化（C+CO₂→2CO）；
3. 污染物生成：燃料氮转化为HCN/NH₃，硫则以H₂S形式释放。

未来方向

• 开发高精度热化学子模型，特别是CO₂对自由基反应的抑制效应；
• 结合AI加速CFD计算，实现百万级颗粒的实时仿真；
• 探索超临界CO₂循环与Oxy-FBC的耦合机制。

这篇综述不仅梳理了Oxy-FBC建模的理论框架，更为下一代低碳燃烧技术的工程化提供了方法论指导。