基于CFD-DEM耦合模拟的铜渣余热驱动生物质热解回转窑颗粒流动与传热机理研究

《Powder Technology》：Simulation and experimental study of radial jet blowing–suction air curtain dust control technology in auxiliary haulage roadways of coal mines

本文创新性地提出将冶金铜渣(CS)余热回收与生物质热解过程耦合，通过CFD-DEM多相流模拟揭示了回转窑内颗粒动力学与传热机制。研究表明，20%的CS载量可形成最均匀的温度场，8 rpm转速能优化热传导效率，为工业废热资源化提供了新范式（NOx/SOx减排）。

　　

Highlight

这项研究通过创新的CFD-DEM耦合方法，揭示了铜渣(CS)作为高温热载体在生物质热解回转窑中的关键作用。模拟结果生动展示了颗粒在窑内的"翻滚流动"现象——靠近壁面的活跃区与核心被动区形成鲜明对比，就像一场热量的舞蹈。当CS载量达到20%时，粒子们仿佛跳起了完美的集体舞，温度分布达到最高均匀度！有趣的是，即便只有5%的CS加入，也能显著改善加热效果，好比给生物质粒子们请来了专业"热身教练"。

Model description

回转窑中利用铜渣颗粒余热进行生物质热解的过程涉及复杂的气固相互作用，包括流动动力学、热量质量传递和化学反应。本研究重点探究该系统的气固流动动力学与传热行为。采用CFD-DEM耦合方法对反应性气固流进行建模，CFD方法处理质量、能量、动量和标量场的耦合微分方程...

Boundary and input conditions

本研究模拟回转窑内高温CS颗粒与生物质颗粒的流动和传热特性。采用标准k-ε湍流模型，入口表面设置速度进口边界条件，气体流速为350 mL/min。出口采用大气压力边界条件，其他所有壁面设置为壁面边界条件。模拟过程中，颗粒以特定温度被引入回转窑...

Solid volume fraction

颗粒体积分数决定了流体与颗粒相之间的相互作用，区分了稀相和密相流动状态。图7展示了回转窑内固体体积分数的分布情况。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，高颗粒浓度区域在不同操作条件下保持相似。这表明...

Conclusions

本工作系统探索了在高温铜渣(CS)作为直接接触热载体作用下，回转窑内生物质热化学转化的传热动力学。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载量导致更高的平均和角向颗粒速度、更有效的混合以及改进的传导和对流传热...