“燃”情無限
——煤燃燒國家重點實驗室

隸屬于華中科技大學能源與動力工程學院的煤燃燒國家重點實驗室始建于1986年，于1991年6月通過國家驗收，是我國首批建設的國家開放型重點實驗室，也是我國煤燃燒領域唯一的國家重點實驗室。作為國家科技創新體系的重要組成部分，實驗室不僅是國家級的從事煤的高效低污染利用的基礎理論研究、面向國民經濟主戰場的技術開發和高層次專業技術人才培養的基地，也是國家組織高水平基礎研究和應用基礎研究、聚集和培養優秀科學家、開展學術交流的重要基地。

實驗室以高效、清潔、低碳、安全的燃料燃燒和能源利用的理論和技術為核心，主要研究方向包括：燃料特性與湍流反應流體力學，能源利用中的污染物生成機理與防治，熱能轉換與先進利用，熱力設備與系統的診斷、優化與綜合評價。目前，實驗室在這些前沿領域開展了一系列富有特色的研究工作，取得了一批創新性的研究成果。

面向國家重大需求

煤炭是我國最主要的一次能源，煤燃燒是最重要的煤炭利用方式。煤燃燒國家重點實驗室立足國家主要能源煤炭的轉化利用與環境保護重大需求，致力于以煤為代表的化石能源和以生物質為代表的可再生能源的燃燒和轉化過程及其污染物生成和控制的應用基礎研究，促進清潔高效低碳能源利用技術和裝備的開發，服務國家經濟、社會和環境的可持續發展。

煤燃燒國家重點實驗室

跨尺度流動與傳熱機理研究是能源、環境、物理、力學等諸多學科的研究前沿，也是燃煤可吸入顆粒物排放與控制、CO2地質封存及強化驅油驅氣等國家重大需求領域的共性基礎科學問題。由于涉及到寬譜的時空尺度，常規連續模型和微觀分子模型對此類復雜輸運過程有很大的限制，因此構建高效可靠的跨尺度流動與傳熱數值模型一直是當前該領域的挑戰性難題。

實驗室在此方向開展了長期的系統性研究，針對跨尺度流動與傳熱中常規方法難以描述大時空尺度跨度的困難，實驗室研究人員從流體分子的介觀動理學輸運理論出發，構建了一類新型的跨尺度流動傳熱數值模型-DUGKS。該方法可根據流動的局部尺度信息自適應地動態演變，跨越從自由分子流到連續流動。在此方法的基礎上，實驗室開發了基于DUGKS的跨尺度流動傳熱計算平臺（dugksFoam），并研究了非連續條件下若干由溫差驅動的非平衡熱流問題。

實驗室提出的DUGKS方法以分子動理學的Boltzmann理論為基礎，屬于介觀模型，克服了微觀方法和宏觀方法的根本性限制，可以自適應地描述跨尺度流動與傳熱的動態演變過程，從而為研究跨尺度流動傳熱這類復雜物理過程的機理提供了可靠高效的研究手段。此方法已得到美、英、法、德等國家同行學者的跟蹤，被應用于湍流、溫室氣體地質封存、非常規油氣藏開發、航空航天等領域，被法國航空航天國家實驗室的學者在文中評價為“所提方法改變了研究現狀”。

聚焦國內重大挑戰

全國燃煤電廠超低排放已完成大半，燃煤電廠排放的SOx、NOx、煙塵等常規污染物已經處于很低的水平，與此同時，以汞為代表的非常規污染物也逐漸進入人們的視野，對燃煤產生的汞有效控制是當前乃至未來相當長時期內中國所面臨的一項挑戰性任務。而燃煤汞的排放控制機理與技術研發就是實驗室在能源利用中的污染物生成機理與防治技術研究領域的重點研究項目。

多年來，實驗室圍繞汞的反應機理、單項脫汞技術、污染物聯合脫除這些問題進行了系統深入的研究?；趯嶋H燃煤煙氣體系中汞的均相和非均相反應機理的研究，實驗室建立了實際燃煤煙氣中多催化活性組分耦合的多相反應動力學模型，發展了適合非均相催化燃燒反應表面活性位密度計算的方法，提出了溫度系數的概念，構建非均相反應化學與溫度之間的本構關系式，詳細闡釋反應溫度對汞氧化反應的影響機制，為實現燃燒中汞向易于控制形態的轉化奠定了理論基礎，對燃煤汞的強化氧化脫除控制技術的實施具有非常重要的科學意義和實用價值。

除此之外，實驗室還將基于密度泛函理論的第一性原理計算，應用到煙氣中Hg0在吸附劑表面的非均相吸附和氧化機理的研究中來，對反應機理進行更深層次的揭示；發展了基于最高占據分子軌道和最低未占據分子軌道的汞吸附劑篩選方法，可以有效地篩選表面反應活性較強的吸附劑，為吸附劑材料的篩選奠定基礎；形成了脫汞吸附劑的批量制備技術，為基于磁珠的可再生吸附脫汞技術示范奠定了基礎。

燃煤PM2.5的排放和控制研究是實驗室在能源利用中的污染物生成機理與防治技術研究領域的另一研究重點，燃煤是PM2.5的主要排放源之一，對燃煤產生的PM2.5有效控制也是當前乃至未來相當長時期內中國所面臨的一項挑戰性任務，而相關控制技術的開發，取決于對其生成與遷移機制的認知程度。近幾十年來，國內針對顆粒物的研究已經取得一定進展，但是對PM2.5的排放及控制尚缺乏深入的理解和準確的理論描述，難以滿足控制技術進一步發展的需求。

針對當前燃煤電站常用靜電除塵器等煙氣凈化設備對PM2.5的脫除效率遠低于對粗顆粒的脫除效率，不能滿足現行“超低排放”要求的現狀，實驗室轉換傳統思路，強調了從“源頭”對燃煤PM2.5進行控制，在燃燒過程中“切斷”PM2.5生成途徑的核心思想。在研究前期工作基礎上，實驗室突破常規PM2.5吸附劑吸附容量低、減排效率有限等局限，建立了PM2.5吸附劑物化特性的優化原則；通過不同吸附劑的科學調配、插層改性、化學浸漬等物理化學方法研發高效吸附劑的定向設計/改性方法，開發更加高效、適應性強的PM2.5吸附劑；通過引入水處理絮凝團聚理論，發明了化學團聚細顆粒PM2.5的團聚促進新技術；通過促進細顆粒物團聚長大，有效提高現有除塵設備的除塵效率，突破了利用脫硫塔除塵實現超低排放的瓶頸，成功實現低成本的超低排放。

站在國際學科前沿

經過近30年的建設，煤燃燒國家重點實驗室裝備了眾多先進分析測試儀器和實驗平臺，現具備燃燒過程解析、火焰全息診斷、重金屬實時監測等眾多先進測試技術和高端分析儀器，擁有富氧燃燒碳捕集、生物質熱解多聯產、化學鏈燃燒等多個大型中試實驗平臺和種類齊全的燃燒試驗臺架，為開展深入的能源與環境相關領域應用基礎研究和技術開發、為高層次人才培養和高水平合作研究提供了良好的平臺。

截至目前，實驗室在煤燃燒領域已經取得了豐碩的理論和技術創新成果：發表高水平學術論文1911篇，其中SCI收錄論文966篇、EI收錄論文1279篇；授權發明專利185項（其中國際2項）、軟件知識產權16項，成果轉讓2820萬元；出版著作14部、其中國際著作8部；獲得省部級以上科技獎勵17項。其中包括國家自然科學獎二等獎、國家技術發明獎二等獎、國家科技進步獎二等獎、國際燃燒會議“杰出論文獎”、聯合國工業發展組織(UNIDO)藍天獎、IEEECPMT學會杰出技術貢獻獎等。

如今，煤燃燒國家重點實驗室在國內外學術界和工業界已經有著廣泛深入的影響，不僅先后被本學科領域頂尖綜述性學術期刊Progress in Energy and Combustion Science列為“世界上有重要影響的13個煤燃燒研究基地之一”和“世界上最有影響的15個富氧燃燒低碳利用基礎研究團隊之一”，還與煤燃燒領域多個國際著名研究機構簽署了聯合實驗室協議，與美國麻省理工學院、日本東京工業大學等世界一流大學開展長期學術交流與合作，成為國際學術界本領域最活躍的研究機構之一。

在未來，實驗室將繼續響應國家重大需求，立足于已經取得的成就之上，持續加強學科交叉與融合，推進基礎研究及技術應用不斷深入、研究領域不斷擴展，為國家和時代的發展貢獻更多的力量。