工程热物理学科进展

动力工程及工程热物理学科进展讲座燃烧学2005.09.12动力工程及工程热物理学科进展讲座热力学传热与传质燃烧学多相流内流\外流新能源\可再生能源燃烧学燃烧学是研究着火、熄火、燃烧过程和机理的学科。燃烧是指燃料与氧化剂发生强烈化学反应，并伴有发光发热的现象。燃烧不单纯是化学反应，而是反应、流动、传热和传质并存、相互作用的复杂的物理化学现象。燃烧学的研究内容包括燃烧过程的热力学，燃烧反应的动力学，着火和熄火理论，预混气体的层流和湍流燃烧，气体、液体和固体燃料燃烧，液滴和煤粒燃烧、液雾、煤粉和流化床燃烧，发动机燃烧，推进剂燃烧，超音速燃烧，爆震燃烧，边界层和射流中的燃烧，湍流和两相燃烧的数学模型，火灾以及燃烧的激光诊断等。燃烧学燃烧学依其研究内容可划分成基础燃烧学气液燃料燃烧固体燃料燃烧火灾燃烧燃烧诊断动力工程及工程热物理学科进展讲座概论发动机燃烧煤燃烧火灾燃烧•目前全世界能源总消费量约为130亿吨标准煤，化石能源占85%以上•工业国家能源消费早期经历了由煤炭向石油、天然气等优质能源转变，再进一步向可再生能源过渡•为实现可持续发展，欧洲、日本等正大力发展风电、太阳能、生物质能等可再生能源，每年增长率达30%以上世界能源发展趋势美国能源部对世界常规石油产量高峰值的预测0102030405060701900192519501975200020252050207521002125历史中(3,003)低(2,248)高(3,896)2%需求增长率下降率:R/P=10(高)2047(中)2037(低)2026十亿桶/年世界能源发展趋势（续）•化石燃料峰值在2030左右•2060年左右可再生能源接近总能源消费量的一半可再生能源核能水电天然气石油煤炭传统生物能B.tce世界能源发展趋势（续）•人均能源消费量与人均GDP的增长有很强的相关性•从世界范围看，人均GDP达1万美元（中等发达国家水平）以前，人均能源消费量增长较快，其值约为4吨标煤，其后增长变缓•在人均GDP达1万美元阶段，日本人均能源消费量为4.25吨标煤(1980年)，韩国为4.07吨标煤(1997年)，而美国为8吨标煤(1960年)0050001000015000200002500030000100002000030000400005000060000万吨油当量GDP/（1990年盖凯）亿美元□日本●意大利○法国△德国◇英国━韩国+中国台湾6000050000400003000020000100000050001000015000200002500030000万吨油当量典型工业化国家/地区能源消费总量与GDP总量的关系世界能源发展趋势（续）05,00010,00015,00020,00025,00019601970197519801985199019951999美元/人美国（人均PPP）日本韩国中国0.002.004.006.008.0010.0012.00吨标煤/人美国（人均能源消费）日本韩国中国国际能源科技发展计划面向21世纪的可持续发展，美国、欧洲、日本等倡导了一系列新的能源科技发展计划Vision21,FutureGen-发展以煤气化为基础的多联产技术，以实现煤的高效、清洁利用，制氢和实现CO2近零排放。GenerationIV-开发新一代先进核能技术，国际核电呈复苏趋势。FreedomCar-发展氢能和燃料电池技术，逐步实现向氢能经济过渡。Grid2030-发展高度安全可靠的超级电网技术。可再生能源快速增长，到本世纪中将成为能源供应的重要组成部分。2002年我国能源状况•一次能源消费量为14.8亿吨标准煤，产量为13.87亿吨标准煤，为世界第二大能源消费国•一次能源以煤为主，占近70%•人均能源消费水平还很低，只有世界平均水平的一半•发电装机容量3.57亿千瓦，居世界第2位•近年来我国能源需求已呈明显增长的趋势未来我国能源需求预测•2020年，我国一次能源需求值在25~33亿吨标煤之间，均值是29亿吨标煤煤炭：21~29亿吨石油：4.0~4.5亿吨天然气：1600~2000亿立方米发电装机容量：8.6~9.5亿千瓦•2050年要达到目前中等发达国家水平，人均能源消耗应达3.0吨标煤以上，能源需求总量约为50亿吨标煤我国能源面临的矛盾与挑战1、供需矛盾尖锐，石油安全问题凸现•我国人均能源可采储量远低于世界平均水平•2020年需大量进口石油和天然气•我国煤炭资源丰富，但探明程度低，可供建矿的精查储量严重不足•到2050年，我国能源供应将更为严峻，国内常规能源难以满足需求的增长2050年中国常规能源供应情景分析•煤炭:占50%以下，年产35亿吨，相当于目前全世界产量的80%•石油：2020年达到2亿吨的高峰，之后逐年下降，2050年约1.2亿吨•天然气:估计约2000亿m3•水电:400MW•核电:340MW，相当于目前全世界核电的装机容量全部常规能源供应只相当于33亿吨标煤0102030405060200220102020203020402050（年份）（单位：亿吨标煤）可再生能源核能水电天然气石油煤一次能源消费未来我国能源供应情景分析全国石油产量高峰约1.7-2.1亿吨，将出现在2010-2020年间2050年以前全国石油年产量可保持在1亿吨以上020004000600080001000012000140001600018000200002200019501960197019801990200020102020203020402050石油产量（万吨）实际值低预测值高预测值未来50年全国石油产量预测（翁氏模型法）我国能源面临的矛盾与挑战（续）•我国能源效率约为31.2%，与先进国家相差10个百分点，主要工业产品单位能耗比先进国家高出20-50%以上•目前，我国正面临着重化工业新一轮增长，国际制造业转移以及城市化进程加速的新情况，经济发展对能源的依赖度增大，能源翻一番保GDP翻两番的任务艰巨2、能源利用效率低下，节能任务十分艰巨我国能源面临的矛盾与挑战（续）•从环境容量看，二氧化硫为1620万吨，氮氧化物为1880万吨，到2020年，如不采取措施，两者的排放量将分别达到4000万吨和3500万吨•我国CO2的排放量已成为世界第2位，未来将面临巨大的国际压力3、环境污染严重，可持续发展面临较大压力“三步走”发展战略与目标2020年：力争能源翻一番，实现GDP翻两番•节能优先、优化结构、提高能效，建设节能型社会•以煤为主，依靠科技进步，走出一条具有中国特色的煤炭高效、清洁开发利用道路•采取综合措施，推进替代燃料技术发展和应用，建立石油安全保障体系“三步走”发展阶段与目标（续）2035年：能源多元化发展初具规模•加速发展核能，力争在2035年左右使核电在发电中比重达到16%，成为“核电大国”•积极发展风能、生物质能和太阳能，可再生能源实现规模化发展•氢能燃料电池汽车实现商业化应用“三步走”发展阶段与目标（续）2050年：初步实现能源可持续发展•煤炭在一次能源中比重减小到50%以下•2035年后，新增的能源需求主要由可生能源和核能等新能源提供，使其占有比重超过30%•氢燃料动力汽车成为交通运输的重要组成部分，大量减少石油的进口基础燃烧学基础燃烧学研究的主要任务建立并发展受流动、传热传质和化学反应相互作用控制的燃烧过程的理论描述方法和数学物理模型；寻求数学物理模型在各种条件下的数值解和在某些特定条件下的分析解，发展相关的数值计算方法和理论分析方法；将燃烧理论模型应用于煤燃烧、发动机燃烧和火灾等工程实际燃烧问题的研究中。基础燃烧学研究与发展趋势燃烧化学反应动力学和层流燃烧的研究湍流-复杂化学反应相互作用的理论模型研究湍流多相燃烧的理论模型研究湍流燃烧的大涡模拟和直接模拟研究燃烧理论在工程实际燃烧问题中的应用研究固体燃料燃烧固体燃料燃烧煤燃烧固体废弃物燃烧（垃圾燃烧）研究与发展趋势煤的清洁燃烧煤燃烧中的污染物生成、迁移及控制燃烧过程数值计算多联产资源化利用CO2减排技术火灾燃烧火灾的发生、发展和防治的规律既不具有完全的确定性，也不是完全随机的，而是兼有确定性和随机性的双重特点。所谓确定性，是指对于周围环境和火源条件均给定的火灾，它的发生发展的过程及其规律都是确定的；随机性是指从总体上来看，火灾的发生原因、发火形式、发生环境、可燃物种类及其分布等诸多因素是不确定的。研究手段实验模拟和计算机模拟火灾燃烧重点和主要任务针对火灾形成与发展的共性科学问题城市重大火灾的预防与控制重点工程（地下工程、森林生态工程、煤田与矿井、工业企业）火灾的预防与控制火灾孕育、发生和发展乃至突变成灾的过程火灾系统和外界环境、人相互作用机理与规律发动机燃烧从燃烧发动机已经有100年历史，近20~30年来燃烧发动机的技术取得了突飞猛进的发展，发动机的热效率获得明显提高，排放得到有效控制燃烧基础研究的进展和燃烧控制技术的提高对燃烧发动机的改进起到了至关重要的作用。发动机燃烧目前为止燃烧发动机仍主要依靠石油类燃料;石油资源的短缺和石油燃烧所带来的大气污染问题已成为全世界面临的重大问题;燃烧发动机的研究将主要集中在现有石油类燃料发动机的节能和污染物控制、石油替代燃料发动机、可再生能源发动机和新型燃烧方式发动机上;目标是通过石油类燃料发动机节能延长石油资源的使用期，开发燃烧发动机的石油替代燃料实现发动机的燃料替代，开发新型发动机燃烧技术实现高效清洁燃烧;为实现上述目标，需要在发动机燃烧方面开展系统深入的基础研究和应用基础研究，为发动机技术的不断发展提供理论支撑和技术创新源泉。燃烧发动机内燃机高效、清洁燃烧一直是内燃机研究与发展中的关键问题能源（主要是石油资源）匮乏和环境恶化是当前人类面临的两大挑战汽车及内燃机既是石油资源的主要消耗者，也是大气特别是城市大气污染的主要来源随着我国汽车工业的迅速发展和汽车保有量的不断增加，燃料的使用量也将大幅度增加，节约能源与降低汽车尾气污染已成为我国当前迫切需要解决的主要问题研究开发高效低污染发动机和清洁代用燃料发动机对提高能源利用效率，降低城市空气污染，保护环境有十分重要的现实意义和深远的社会经济效益燃烧发动机我国煤炭资源相对丰富，但石油资源非常短缺，而近年来石油需求直线上升，我国从1993年开始成为石油进口国，1999年进口石油4000万吨，2003年进口石油达9300万吨，到2004年增至1.2亿吨，占国内原油需求总量的35%,中国已成为世界上主要的石油进口国。根据国际能源机构预测，2010年中国石油消费的61%、2020年石油消费量的76.9%要依靠进口。我国目前的石油进口量已超过石油消费量的30%，随着我国经济的进一步发展和汽车拥有量的增加，石油资源的供给矛盾将更加突出并影响到我国经济发展和能源战略安全问题。因此，提高石油类燃料发动机节能和开发石油替代燃料发动机就成为我国今后需要重点解决的关键问题。燃烧发动机石油类燃料的主要消费者是汽车，我国汽车保有量达1650万辆（不含农用车）并且每年以15%速度增长，这些汽车大部分集中在大中城市，汽车尾气排放是造成城市大气污染的主要来源。据环保部门统计，2002年我国机动车排放占城市大气污染的比例为：北京市一氧化碳(CO)达63%，氮氧化合物(NOx)达40%，碳氢化合物(HC)达74%；上海市一氧化碳(CO)达86%，氮氧化合物(NOx)达56%，碳氢化合物(HC)达96%。目前北京市的汽车保有量约为200万辆，远远低于洛杉矶和东京，但其排放量却与这两个城市相当，因此，石油类燃料燃烧污染物控制也将是我国今后迫切需要解决的主要问题。燃烧发动机燃烧污染物控制既涉及到现有石油类燃料（柴油、汽油、天然气、液化石油气）的洁净利用技术，也涉及到开发和研制高效清洁新型石油替代燃料，如二甲醚、甲醇、乙醇、汽油醇，生物柴油、煤制柴油（FT油）、氢气等，这些石油替代燃料可从煤，植物、生物质中制取，对缓解石油燃料短缺起到一