铜渣与生物质颗粒在耦合余热利用系统中的流动与传热特性：CFD-DEM数值模拟研究

《Powder Technology》：CFD-DEM investigation of the flow and heat transfer characteristic of copper slag and biomass particles in a coupled waste heat utilization system

本文提出了一种将生物质热化学转化与冶金炉渣余热回收相结合的创新系统，采用计算流体力学-离散元法（CFD-DEM）耦合模型，深入分析了回转窑内高温铜渣（CS）与生物质颗粒（WTS）的多相流动与传热相互作用。研究揭示了颗粒装载量、转速等关键参数对颗粒混合、温度分布及热传导效率的调控机制，为工业余热高效回收与生物质能转化提供了重要理论依据。

　　

Highlight

本研究通过CFD-DEM耦合模拟，揭示了铜渣（CS）作为直接接触热载体在生物质热解过程中的关键作用。结果表明，增加CS装载量可显著提升颗粒混合程度、平均滚动速度及热接触效率，从而加速传热。颗粒床呈现典型的滚动流态，具有明显的活跃区（近壁）和被动区（核心）。值得注意的是，20%的CS装载量产生了最高且最均匀的温度分布，而即使5%的装载量也能显著改善加热性能。颗粒轨迹分析揭示了由离心力和剪切力驱动的强烈径向偏析，这影响了热导率。在所有工况下，混合指数均低于0.2，表明由于颗粒尺寸和密度的差异，混合程度有限。此外，更高的转速改善了热均匀性，8 rpm被确定为最佳条件。CS增强了气相的有效热导率，导致更均匀的温度分布。这些发现为回转窑中的颗粒动力学和传热提供了详细的见解，有助于提高生物质转化效率和工业余热回收。

Model description

在回转窑中利用铜渣颗粒余热进行生物质热解涉及复杂的气固相互作用，包括流动动力学、热量和质量传递以及化学反应。本研究重点研究该系统内的气固流动动力学和传热行为。采用CFD-DEM耦合方法来模拟反应性气固流动。CFD方法处理质量、能量、动量和标量场的耦合微分方程，而DEM则跟踪每个离散颗粒的运动和碰撞。

Boundary and input conditions

本研究模拟了回转窑内高温CS颗粒与生物质颗粒之间的流动和传热特性。使用了标准k-ε湍流模型，在入口表面设置速度入口边界条件，气体流速设定为350 mL/min。出口采用大气压力边界条件进行建模，而所有其他壁面则指定为壁面边界条件。在模拟过程中，颗粒以特定的初始条件被引入回转窑。

Solid volume fraction

颗粒体积分数决定了流体和颗粒相之间的相互作用，区分了稀相和密相流动状态。图7显示了回转窑内部固体体积分数的分布。如图7(a)所示，在2-8 rpm的转速范围内，固体体积分数的整体分布模式变化极小，并且高颗粒浓度区域在不同的操作条件下保持相似。这表明...

Conclusions

这项工作系统地探索了在高温铜渣（CS）作为直接接触热载体的影响下，生物质热化学转化在回转窑中的传热动力学。结果证实，CS显著增强了反应器内的颗粒相互作用、传热效率和热均匀性。增加CS装载量导致更高的平均和角颗粒速度、更有效的混合以及改进的传导和对流传热。