综述：近期在流化床加压氧燃料燃烧的CFD（计算流体动力学）建模方面取得了进展：这是一种实现清洁燃烧的先进技术

《Fuel》：Recent advance in CFD modeling of pressurized oxy-fuel combustion in fluidized bed: a prominent technique for clean combustion

加压富氧流化床燃烧（POFBC）技术通过富氧和加压提升燃烧效率并降低污染物排放，但多物理场耦合机制复杂，需依赖CFD数值模拟研究参数影响及模型优化。本文系统综述POFBC技术发展，分析多相流、化学反应、传热等模型适用性，总结国内外研究成果，为工程优化提供理论支撑。

　　
高压氧燃料流化床燃烧技术（POFBC）作为清洁能源与碳捕集协同优化的创新方向，近年来在工业应用与理论研究中均取得显著进展。该技术通过引入高纯度氧气替代空气作为氧化剂，在加压环境下实现燃料的高效燃烧与二氧化碳富集，有效解决了传统燃煤过程中NOx、SO2等污染物排放与碳排放难题。以下从技术背景、研究挑战、数值模拟方法创新及国际研究进展四个维度展开系统性分析。

一、技术背景与核心优势
工业燃煤场景中，常规空气燃烧模式面临双重困境：氮气稀释效应导致NOx生成量居高不下，二氧化碳浓度难以突破50%阈值。POFBC技术通过氧浓度调控（可达95%以上CO2富集率）和压力强化（通常运行压力3-6 bar），实现了燃烧效率与污染控制的双重突破。具体表现为：氧富化显著抑制氮氧化物生成路径，实验数据显示NOx排放可降低40%-75%；加压环境增强气固传质效率，使碳捕集效率提升至90%以上。这种耦合效应为煤基能源系统实现深度脱碳提供了新路径。

二、复杂多物理场耦合挑战
POFBC系统涉及气固两相流、多组分化学反应、辐射传热及湍流等多物理场耦合，其复杂性体现在三个方面：首先，高压条件下（3-6 bar）气相密度增加约20倍，导致传统雷诺数判据失效，气固滑移速度等关键参数受压力梯度影响显著。其次，燃料前处理过程（如生物质干燥、煤粉制备）引入的热力学参数与反应动力学存在强耦合关系，需建立多尺度模型进行协同分析。再者，污染物生成机制呈现非线性特征，例如NOx形成与O2浓度、温度梯度的乘积关系密切，传统经验模型难以准确预测高压条件下的排放分布。

三、数值模拟方法创新与模型优选
针对实验研究成本高、周期长的痛点，CFD模拟技术成为关键研究工具。当前主流建模方法呈现三大发展趋势：1）相分布建模方面，双流体模型（TFM-Euler）与离散相模型（DDPM-DEM）实现互补，前者通过连续相密度梯度修正捕捉固气两相交互，后者通过粒子轨迹追踪获得局部污染物浓度分布。2）反应机理建模采用多步骤动力学模型，重点突破燃料氮自环化（FNL）与Zeldovich链式反应的耦合模拟，引入压力修正因子（P=1 bar时基准，P=5 bar时需调整23%-35%活化能）。3）传热模型创新体现在辐射传热部分，通过建立粒子-气体辐射交换矩阵，将传统角系数法扩展至三维动态场计算，有效解决高压下热边界层畸变问题。

四、国际研究前沿与协同创新
研究团队正形成差异化创新格局：英国伯明翰大学团队（Bi等）通过高精度粒子图像测速（PIV）技术，建立气固滑移速度与压力的修正关联式，发现压力每增加1 bar，滑移速度提升约18%；波兰查托奇科理工大学（Lasek等）通过建立NOx生成概率模型，揭示氧浓度阈值（>25%）与压力协同作用可使NOx减排达70%；中国东南大学团队（Zhong等）开发的多相流-反应耦合模型，成功预测生物质颗粒在高压下的异质点火行为，活化能修正系数达0.32。值得关注的是，中韩联合研究组（Kim等）在300 kW级循环流化床中实现碳捕集效率92.7%，其核心创新在于开发自适应压力-温度耦合调控算法。

五、工程应用转化路径
当前技术转化面临三大瓶颈：1）设备尺度效应，实验室5 kW系统到300 MW机组需建立多尺度验证体系；2）材料耐受性，高温高压工况下（>800℃/5 bar）的耐火材料寿命不足3000小时；3）系统集成度，现有模型多针对单一子系统（如燃烧或捕集），缺乏全系统协同优化框架。突破路径包括：开发基于数字孪生的实时调控系统，集成压力强化燃烧与低温碳捕集技术；构建多尺度验证数据库，涵盖0.1-100 m3量级设备参数；研制梯度复合耐火材料，通过微观结构设计将热应力裂纹扩展率降低至0.8%以下。

六、未来研究方向
1）多相流-化学反应耦合建模：需建立压力-温度-氧浓度三维调控模型，重点解决生物质灰分与煤灰的协同作用机制；
2）非稳态过程捕捉：开发自适应网格加密技术，实现2000-5000μm颗粒尺度的高分辨率动态追踪；
3）系统集成优化：构建"燃烧-捕集-能源转换"全链条数字孪生平台，实现碳排放强度（CEI）从现行120 gCO2e/kWh降至45 gCO2e/kWh的技术突破。

该领域研究呈现三大特征：基础研究向微观机理深化（如颗粒表面氧化动力学），工程应用向系统集成推进（如整体反应器热力学-流体力学耦合），技术验证向多尺度对标发展（实验室-中试-示范工程参数校准）。随着CFD模型精度提升（RMS误差<5%）与算力成本下降（100kW算力成本<3美元/小时），预计到2030年POFBC技术成熟度将从当前TRL4阶段跨越至TRL8级，为全球能源系统低碳转型提供关键技术支撑。