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铁粉-空气燃烧三维耦合模型研究显示，颗粒尺寸减小提升燃烧温度和氧化度，但过小颗粒降低分离效率并加剧NOx排放。当量比0.8时NOx最大，富燃条件下Fe2O3质量分数降至29.93%。考虑温度依赖的热物性及多阶段氧化（Fe→Fe3O4→Fe2O3），建立了包含辐射传热的两相流模型。
吴梦杰|杜永波|王长安|侯宇杰|高新月|顾俊岩|白文刚|车德福
中国陕西省西安市710049，西安交通大学能源与动力工程学院多相流在电力工程国家重点实验室
摘要
传统化石燃料在燃烧过程中会产生大量碳排放，导致严重的环境污染。为了迅速实现双碳目标，迫切需要开发新的零碳替代燃料。作为新兴的能源载体，铁粉具有显著的优势：高体积能量密度、丰富的储量、低生命周期成本以及可回收的燃烧产物，使其成为领先的零碳候选材料。然而，以往的研究主要集中在单个铁颗粒燃烧过程中的颗粒温度、燃烧时间和火焰速度等特性上，而对燃烧产物的分布和NOx排放特性的研究相对较少。本研究聚焦于旋风燃烧器中铁粉-空气的三维复杂燃烧过程。采用欧拉-拉格朗日方法对铁粉和空气进行双向耦合建模，全面考虑了阻力、浮力和碰撞等机械效应，以及颗粒间的相互辐射效应。基于铁粉在不同温度范围内的氧化反应，系统地建立了一个多阶段反应体系，其中包括比FeO更高层次的氧化产物。此外，还考虑了颗粒热容和密度的温度依赖性，修正了传统模型中热物理性质恒定的假设，并量化了颗粒尺寸、氧浓度和当量比等关键参数对铁粉燃烧特性的影响。模拟结果表明，减小颗粒尺寸可以提高燃烧器内的整体温度和铁粉的氧化程度。然而，过小的颗粒会增加NOx排放，同时降低颗粒分离效率。在贫燃条件下，Fe2O3成为铁粉燃烧的主要氧化产物，其理论最大质量分数可达100%；而在富燃条件下，铁粉的氧化程度降低，Fe2O3的质量分数降至29.93%。燃烧器内的温度在化学计量比时达到峰值，而NOx的最大质量分数出现在当量比为0.8时。氧浓度的增加显著提高了燃烧器内的峰值温度、NOx质量分数以及铁转化为Fe2O3的转化效率。本研究为铁粉-空气燃烧的实际应用提供了理论指导和数据支持，对推动全球能源转型和实现低碳经济具有重大价值。
引言
目前，人类的能源消费仍然严重依赖化石燃料[1]，由于化石燃料具有高能量密度、优异的燃烧特性以及储存和运输的便利性，它们在全球能源贸易中发挥着重要作用。然而，过度开发和利用化石燃料不可避免地加剧了温室效应，对地球环境造成了严重污染[2]、[3]。化石燃料的有限供应和生产速度也限制了全球经济的增长潜力[4]。从长远来看，化石燃料阻碍了人类社会的可持续健康发展，对全球向低碳经济的转型构成了重大挑战[5]。
为应对全球气候变化并加速能源转型，来自风能和生物质等可再生能源的发电比例一直在稳步增加[6]、[7]，为解决全球能源危机提供了新的思路和方向。然而，可再生能源的发展面临诸多挑战[8]、[9]、[10]、[11]，包括高昂的资本成本和发电的不稳定性。最关键的问题是可再生能源的间歇性，这限制了其满足持续供电需求的能力。电池和氢气被广泛认为是新兴的能源载体[12]、[13]。虽然电池在能源储存中发挥着不可或缺的作用，但当前技术范式下的能量密度相对较低。尽管氢气具有显著的高能量密度，但在远距离能源传输方面仍面临挑战[14]、[15]、[16]。
金属燃料可以克服传统水力发电、太阳能和地热能等清洁能源在储存、运输和贸易方面的地理限制，并在时间和空间上分离燃料的生产和利用，从而实现全球范围内的广泛应用[17]。由于金属燃料几乎满足了理想能源载体的所有要求，近年来受到了广泛关注[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。在所有金属中，铁是一种极其多用途的材料，广泛应用于建筑、交通、军事工业和机械制造等领域。铁燃料具有高体积能量密度、丰富的储量、低生产和运营成本、燃烧产物易于回收以及零碳排放等优点，成为极具前景的能源储存介质[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。
迄今为止，已有一些关于铁粉燃烧行为的研究。Hazenberg等人[30]建立了一个欧拉-拉格朗日模型来模拟铁气溶胶的异质燃烧，研究了铁尘火焰的结构和燃烧速度随当量比的变化。Wen等人[31]开发了一个用于三维逆流燃烧器中稳定铁粉火焰的非稳态数值模型，并分析了不同氧化剂环境下铁颗粒的燃烧特性。Maghsoudi等人[32]构建了一个单铁颗粒在空气中异质反应的数学模型，研究了热辐射和对流热传递对燃烧过程的影响。Mich等人[33]采用欧拉-拉格朗日多相建模方法计算了典型的铁-空气一维自由传播火焰。Thijs等人[34]首次对铁粉火焰中的NOx形成进行了数值分析，确定了氮氧化物形成的关键机制。
然而，在构建颗粒模型时，现有研究通常仅将FeO视为唯一的氧化产物，忽略了颗粒比热容的变化和颗粒间的辐射热传递，这种简化可能导致模拟结果与实际运行条件之间的差异，从而限制了铁燃料燃烧技术在工程应用中的有效性。
本研究聚焦于旋风燃烧器中铁粉-空气的三维复杂燃烧过程。利用Fluent软件建立了一个多物理场耦合计算系统，包括湍流模型、离散相模型、辐射模型和化学反应速率模型。通过全面考虑机械效应（如阻力和浮力）以及颗粒间的相互辐射效应，构建了铁粉和空气的双向耦合模型，准确描述了气-固两相的动态质量、动量和能量交换过程。同时，基于铁粉在不同温度范围内的氧化反应，系统地发展了一个多阶段反应体系，其中包括更高层次的氧化产物。此外，还考虑了颗粒热容和密度的温度依赖性，修正了传统模型中热物理性质恒定的假设。
通过量化氧浓度、当量比和颗粒尺寸对铁粉-空气燃烧过程中温度场分布、NOx形成特性及产物成分比例的影响，本研究为后续的实验研究和工业应用提供了可靠的数值基础，对加速铁燃料燃烧技术的工业化具有重要意义。
章节摘录
几何模型和物理性质参数
旋风燃烧器是一种高效的固体燃料燃烧装置，在燃烧工程领域具有广泛的应用前景[35]、[36]。如图1所示，其核心结构主要包括入口、圆筒、圆锥和排气管。为了实现铁粉和空气的有效混合并强化燃烧过程，本研究在入口法线方向上布置了表面颗粒注入源，以引入铁粉燃料。
铁颗粒尺寸的影响
铁颗粒尺寸对燃烧过程有显著影响[35]。燃烧的稳定性（如火焰位置、气体温度和铁的氧化程度）取决于铁粉的尺寸[41]。由于大颗粒具有较大的质量和惯性，它们会对气体流动产生更大的机械阻碍。当气体试图绕过这些颗粒时，会产生显著的流动阻力，从而降低气体流速[44]。
结论
本研究聚焦于旋风燃烧器中铁粉-空气的三维复杂燃烧过程，采用欧拉-拉格朗日方法对铁粉和空气进行双向耦合建模。基于铁粉在不同温度范围内的氧化反应，系统地建立了一个多阶段反应体系，其中包括比FeO更高层次的氧化产物。在此基础上，进行了系统分析，研究了颗粒尺寸对燃烧过程的影响。
CRediT作者贡献声明
吴梦杰：撰写——原始稿件、软件开发、方法论、实验研究。杜永波：撰写——审稿与编辑、验证、实验研究、数据分析。王长安：撰写——审稿与编辑、项目管理、方法论、实验研究。侯宇杰：软件开发、方法论、概念构思。高新月：数据分析、概念构思。顾俊岩：验证、监督。白文刚：监督、资源协调。车德福：监督、资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢陕西省重点研发项目（编号2024GX-YBXM-478）和中央高校基本科研业务费（编号xzy022024076）的财政支持。
