1、热力设备与系统的诊断、优化与综合评价研究进展一：火焰中烟黑辐射特性及形貌诊断的新方法

（1）研究背景

碳烟是燃料(包括煤)未充分燃烧的一种重要产物，它对燃烧效率、传热过程和环境效应有着多方面的影响。碳烟颗粒在火焰中的生成和演化是一个复杂的物理化学过程，火焰中碳黑生成机理研究十分困难，必须借助一定的检测手段才能获得碳黑的形貌、数目、浓度等参数，为碳黑的初生、成核、生长以及氧化等过程提供定量的数据支持。碳烟形成发生在几毫秒甚至更短的时间范围内，对这一过程的理解和描述需要从微观原子尺度的化学动力学到介观的颗粒动力学，耦合考虑前驱体化学、粒子成核、颗粒质量/尺寸生长和烧蚀等，这是一项非常有挑战性的任务。针对这些问题进行系统深入研究，特别是颗粒历史和火焰流场特性的测量和分析对认识和理解碳烟过程有着重要的意义。

目前，火焰中碳黑检测手段主要分为接触式和非接触式两类。非接触式方法主要是光学方法，不会对火焰造成干扰而且准确度高，但是往往不能观察碳黑团聚物的结构参数。接触式测量方法是用各种采样技术从火焰中采集碳黑样品，然后再用扫描电子显微镜、透射电子显微镜或化学分析电子光谱仪分析碳黑形貌结构、粒径以及成分，然而此类方法会对火焰造成干扰并且操作繁琐、工作量大。

本年度煤燃烧国家重点实验室的研究人员在碳烟颗粒的取样、测量、诊断等方面取得了较大的突破，分别发展了新的接触式取样技术和非接触式碳烟形貌参数测量技术，均具有成本低、操作简便等特点。

（2）主要研究内容

1）提出了单点时差热泳取样技术，实现了碳烟扩散火焰的多参数测量（如图1所示）。对于辐射能力很强的碳烟火焰，独特之处在于，采用超薄石英玻璃片设计了一种新型热泳探针。由于石英玻璃探针的高透射率，在取样过程中能够实现热泳探针与火焰传热的对流主导，能够分析出火焰的流速，进而获得颗粒在火焰内的停留时间。石英玻璃探针能够消除辐射加热，在很短的取样时间内温升较小，可以很好地“冷冻”样品颗粒免于高温破坏。此外石英玻璃探针具有很好的化学惰性和稳定性，能够收集和完好保存10 nm的碳烟颗粒，这对研究碳烟过程的初始阶段具有非常重要的意义。通过单点时差热泳取样测量了碳烟火焰径向和轴向的颗粒体积分数、初级粒子直径、颗粒尺度分布函数以及火焰气体流速。特别是对颗粒尺度分布函数的测量，发现了碳烟颗粒的双模态和三模态尺度分布，分析了碳烟颗粒的成核、表面生长和团聚过程，这为进一步建立准确的碳烟模型提供了基础实验数据。相关研究成果发表于国际燃烧领域专业顶级期刊Combustion and Flame上。

图1 不同采样技术得到的火焰中(a)碳黑体积浓度以及(b)碳黑主颗粒粒径对比

2）基于图像处理技术及辐射反演方法，发展了碳烟形貌参数（初始颗粒粒径、初始颗粒数目、体积浓度）的反演诊断方法（如图18所示）。在以乙烯为燃料的不同气氛燃烧产生的层流扩散火焰上开展了小型火焰中碳黑粒子形貌参数的研究。采用CV-M9CL型相机拍摄火焰的图像，通过正则化算法计算反演得到火焰中粒子温度及吸收系数的分布。然后采用热泳取样(TSPD-TEM)方法在火焰不同高度位置处取样，通过电镜分析获得不同火焰中碳黑团聚物的形貌参数及浓度，在这些参数已知的条件下利用广义Mie理论(GMM)计算碳黑团聚物的吸收系数。基于以TSPD-TEM法检测计算得到的碳黑吸收系数为基准验证了图像法的可靠性，在此基础上，提出了一种同时反演碳黑团聚物初级粒子粒径、数目以及浓度的方法：利用图像法检测得到碳黑吸收系数的分布，然后采用粒子群算法反演得到烟黑团聚物粒径、数目以及浓度在火焰中的分布。相关研究成果发表于国际燃烧领域专业顶级期刊Combustion and Flame上。

图2 乙烯扩散火焰中:(a) 碳黑主颗粒粒径，(b)碳黑主颗粒数目，(c)碳黑体积浓度分布

3）利用以上碳烟测量诊断新方法，研究火焰中碳烟微观形貌和纳米结构的演变过程，并研究不同燃料碳烟生成特性的差异，这对进一步理解碳烟的生成机理和模型的创建有重要意义。具体来讲，基于同轴射流火焰燃烧器，通过多点热泳采样和TEM分析，研究了正庚烷、正丁醇以及二者等体积混合物扩散火焰中碳烟形貌和纳米结构的详细演变过程，并比较了三种燃料火焰中碳烟颗粒的差异，分析了掺混正丁醇对碳烟生成特性的影响。主要关注碳烟形貌特征包括碳烟颗粒形状、基本颗粒粒径、积聚颗粒投射面积、分形维数等。碳烟的纳米结构通过微晶条纹分析方法进行量化，具体方法是使用一款基于Matlab自主开发的图像处理软件SootFringe，处理碳烟颗粒的HRTEM图片，得到相关纳米结构参数，包括微晶长度、微晶曲率和层间距，通过统计分析进而得到碳烟发展过程中纳米结构的演变规律（如图19所示）。相关研究成果发表于本领域权威期刊Fuel。

图3  B00和B30火焰中：(a)碳黑在不同放大倍数下的TEM图, (b)碳黑粒径分布

以上研究工作在专业顶级期刊Combustion and Flame共发表2篇论文，分别在专业权威期刊Fuel、International Journal of Hydrogen Energy、Applied Energy、Energy Conversion and Management、Applied Thermal Engineering等发表17篇SCI论文，其中，ESI高引用论文一篇。在国内外学术会议和学术机构进行邀请报告2次。

（3）主要创新点和贡献

在接触式碳烟取样和诊断技术方面，创新性提出了单点时差热泳取样技术，开发出超薄石英玻璃片新型热泳探针，在取样过程中能够实现热泳探针与火焰传热的对流主导，进而分析出火焰的流速。石英玻璃探针的化学惰性和稳定性，能够收集和完好保存10nm的碳烟颗粒，克服了光学诊断的盲区以及传统热泳取样的样品不稳定性。发现了乙烯层流扩散火焰内碳烟颗粒的双模态和三模态尺度分布，为建立准确可靠的碳烟模型打下了基础。

在非接触式碳烟颗粒测量和诊断技术方面，采用一种相对于激光检测方法来说设备要求相对简单、成本较低的方式实现碳黑粒子的形貌参数分布的检测。在检测原理上，首次采用分步反演的方式得到碳黑的团聚体和初级粒子粒径、数目、体积浓度等形貌参数分布。碳黑的形貌参数分布的检测为烟黑生成机理的研究提供了有效的分析和测试手段。

在发展的先进碳烟测量诊断技术基础上，观测到火焰中碳烟颗粒的详细演变过程；包括碳烟形貌参数和纳米结构参数；自主开发了图像处理软件SootFringe，用于处理碳烟颗粒的HRTEM图像，对碳烟纳米结构进行量化描述，并发现了碳烟内部纳米结构的变化规律；另外本研究也从层流火焰角度进一步验证了含氧燃料可以有效降低碳烟的排放。

（4）重要论著及专利

2、热力设备与系统的诊断、优化与综合评价研究进展二：能源-环境-经济耦合体系的多尺度核算评价、模拟优化与政策研究

（1）研究背景

以煤为主的资源禀赋决定了我国能源消费结构和模式；燃煤是碳排放、汞排放、PM_2.5等污染物排放的主要排放源之一。在这种背景下，如何降低温室气体和污染物排放，成为中国亟待解决的重大现实问题。中国又是世界上最大的发展中国家。当前，我国正处于全面建设小康社会的关键阶段，在经济和社会等各方面都在经历重大改革。如何在发展经济、改善民生的同时，制定行之有效的清洁低碳发展政策和战略，解决我国经济与能源环境协调可持续发展的问题，成为研究者和决策者需要迫切解决的重大现实议题。近年来，相关研究因研究者的视角不同分别局限于技术层面、经济性或政策视角，缺乏真正多学科实质交叉的耦合研究。在此背景下，建立一个实质耦合系统：从能源系统内部动态能量物质流出发，到外部环境容纳的污染排放，进而延伸至经济系统反馈；开展能源-环境-经济耦合体系的多尺度系统核算与分析，从生产、供给和消费等视角出发对我国能源-环境-经济复杂系统进行动态、科学、整体、客观评价，通过系统动态建模和情景优化分析，深入揭示能源-环境-经济关联与作用机理，定量评估节能减排政策的代价、有效性和普适性，探索符合我国国情的低碳清洁发展的路径，既是亟待解决的重大现实问题，也是具有重大价值的科学问题。

（2）主要研究内容

1）燃煤系统内部动态热力学模拟和描述。基于氧燃烧电站与常规电站之间的差异性，借助数学建模与仿真手段完成了对该物理过程的动态描述，结合厂级控制设计方法，提出了多种闭环控制结构方案，并在不同运行指令、干扰与策略等运行工况下，测试与比较了这些控制策略的鲁棒性，优选了适合于氧燃烧电站中各子系统的控制方法，并获取了氧燃烧电站运行过程中的动态特征，为实际运行与操作提供技术指导。从氧燃烧电站的运行特点出发，在双燃烧工况模式下提出了采用分阶段式切换与部分控制的运行策略，实现了空气燃烧工况与氧燃烧工况之间的快速、平稳与安全过渡。为避免制取CO₂产品过程中发生运行故障，提出了控制物流温度高于CO₂三相临界温度的运行策略，达到了维持合适的产品品质、回收率与运行能耗等运行目标。为满足子系统之间的耦合运行，提出与比较了多种运行模式与策略，极大地降低了运行能耗与提高了运行灵活性。为动态表征系统的热力学性能和从热力学角度辨识过程控制对系统运行的影响，提出了系统性强与功能性强的动态火用分析方法，并率先在氧燃烧电站中得以运用与验证，获取了运行过程中系统在能耗表现上的实时变化趋势，深刻揭示了控制系统内部构成（不同控制层与控制环节）对系统运行能耗的影响，为优化系统控制与运行提供理论依据。相关研究成果发表于Environmental Science & Technology等本领域专业权威期刊上。

图4 a)动态火用计算方法及评价体系; b)系统火用损及效率

2）能源系统排放清单及多尺度核算与分析

结合燃煤系统内部动态模拟，计算不同热转化方式和燃烧参数下的排放强度，直接耦合到碳排放和污染物排放动态清单的建立，并结合国际上现有的清单估算理论和方法，系统性地建立了涵盖从全球到省市等不同尺度经济体的碳排放和高分辨率大气汞排放清单。在清单的基础上，从生产和消费两个视角系统核算了全球186个经济体4836个经济部门（186×26）能源和有色金属相关的碳排放和汞排放排放量；大幅更新了中国化石能源燃烧碳排放和大气汞排放清单并计算了消费端碳排放和大气汞排放量；同时，还深入分析了贸易对不同尺度经济体大气汞排放的转移效应，明确了不同视角下各经济体应承担的大气汞排放责任。相关成果发表在能源类一区期刊Renewable & Sustainable Energy Reviews和环境类权威期刊Journal of Cleaner Production上，并分别入选ESI Hot Paper和Highly Cited Paper。

图5 全球尺度经济体内涵的大气汞传输路径

3）能源政策模拟与评估

首次将能源系统模拟与系统投入产出理论多区域模型相结合，构建了三尺度能源投入产出模型，准确测算了在国内和国际贸易双重影响下，典型城市经济体部门能源体现强度；通过核算体现在国内和国际贸易中的能源流，发现北京市是典型的净能源进口的城市经济体，由此明确了北京应承担消费者责任。此外，设计了北京市能源控制量均摊、按能源强度分配节能任务等五种能源消费控制政策情景，通过利用数据包络方法和方向距离函数测算五种政策情景的经济成本，辨识了最优的节能政策。上述成果发表在能源类一区期刊Renewable & Sustainable Energy Reviews上，并入选ESI Highly Cited Paper。

图6  全国分区域体现能消耗量与强度

（3）主要创新点和贡献

能源系统动态模拟评价方面：为动态表征系统的热力学性能和从热力学角度辨识过程控制对系统运行的影响，提出系统性强与功能性强的动态火用方法，有效整合稳态建模与仿真、动态建模与仿真以及火用计算，获得不同运行工况下系统在不同时刻下的火用值，绘制火用随时间变化的曲线，运用后期数据处理手段定义评价指标，实现对系统控制、运行与能耗的优化。将动态火用方法运用到富氧燃烧电站中，定量计算得到每一个运行工况下的能耗、系统对运行参数变化的灵敏性程度、控制结构对系统运行能耗的影响以及控制策略的选择等。发现系统运行能耗主要发生在系统本身，控制结构所产生的能耗不大，其影响形式与程度取决于控制结构在系统运行中所起的作用，表明提升系统热力学性能的关键在于改进系统流程结构和提升设备性能。

排放清单及多尺度核算与分析方面：首次将能源系统模拟和过程分析-投入产出综合方法相结合，首次计算出历年变化的全国尺度的煤炭消耗的碳排放因子，并大幅度更新和补充了不同尺度多种来源碳排放和大气汞排放信息，有利于政策制定者更全面地掌握和管理碳排放和大气汞排放；明确了不同尺度社会经济体生产和消费端碳排放和大气汞排放的责任，对于制定“共同但有区别”的减排责任分配机制有重要的参考价值；从直接和间接两个角度辨识了重点排放部门，有助于发掘减排潜力；为我国参与碳排放和大气汞减排国际谈判提供方法和数据支持，有助于我国参与国际应对气候变化和汞减排行动，履行《巴黎协定》和《水俣公约》减排义务。

能源政策模拟与评估方面：多尺度模型能区分不同经济系统的生产技术与经济结构差异，从而避免了单尺度投入产出模型假设系统内外强度一致而带来的核算误差，能有效提升城市以及省域经济能源资源消耗与环境影响核算的准确性和全面性，极大改进和丰富了区域能源资源消耗与环境影响核算工具体系；此外，建立了节能政策成本测算模型，为决策者优化节能政策、因地制宜制定合理的节能政策提供了方法参考。

（4）重要论著及专利