基于CFD-DEM模型的颗粒级铁矿石还原分析方法技术

本发明专利技术提供了一种基于CFD

【技术实现步骤摘要】
基于CFD
‑
DEM模型的颗粒级铁矿石还原分析方法


[0001]本专利技术涉及一种铁矿石，具体涉及一种描述铁矿石还原的方法。

技术介绍

[0002]铁矿石还原是目前冶金工艺中的主要单元操作，主导着制铁过程的能源消耗和温室气体(GHG)排放。因此，即使略微提高铁矿石的能源效率或减少温室气体排放，也会对生铁的成本产生相当大的好处，更重要的是，对减少相关的碳足迹有益。
[0003]虽然包括传质在内的基于DEM的模型已广泛应用于许多颗粒系统，但进一步的应用在不同操作条件如在不同的还原气体和温度下，尚未得到更定量和系统的验证。此外，需要对一些主要操作条件对铁矿石还原的影响进行更多的定量研究。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术针对现有技术的不足，提供了一种基于CFD
‑
DEM模型的颗粒级铁矿石还原分析方法，捕获粒子尺度上的信息，可应用于例如高炉的复杂还原过程，为实际操作提供指导，而且也为更好地了解铁矿石还原过程提供了良好的基础。
[0005]技术方案：一种基于CFD
‑
DEM模型的颗粒级铁矿石还原分析方法，包括以下步骤：
[0006](1)根据还原高炉构建几何体物理模型；
[0007](2)根据几何体物理模型构建铁矿石还原过程中的流体相控制方程组，所述流体相控制方程组包括连续性方程、动量方程和能量方程；
[0008](3)建立固相控制方程，所述控制方程为颗粒运动控制方程、颗粒间导热方程；
[0009](4)选择不同的压力、等温性、气体成分和流量参数对颗粒级铁矿石还原过程进行模拟计算，分析比较不同参数下颗粒级铁矿石还原效果规律。
[0010]进一步，步骤(2)所述连续性方程为：
[0011][0012]式中，ρ
f
为气体密度，单位为kg/m3；ε
f
为气体局部空隙率；t为时间；u为气体表观速度，单位为m/s。
[0013]更进一步，步骤(2)所述动量方程为：
[0014][0015]式中，p为气体压力，单位为Pa；F
fp
为单位体积内气体颗粒间相互作用力，单位为N；g为重力加速度，单位为m/s2；τ为气相应力张量，单位为Pa。
[0016]更进一步，步骤(2)所述能量方程为：
[0017][0018]式中，c
pf
为气体比热容，单位为J/(kg
·
K)；k
f
为气体导热系数，单位为W/(m2·
K)；A
p
为颗粒表面积；T
f
为气体温度，单位为K；T
p
为颗粒温度，单位为K；h
fp
为气体与颗粒间对流换热系数；
[0019]其中：
[0020]A
p
＝6(1
‑
ε
f
)/d
p
[0021]h
fp
＝(2.0+0.6Re
i1/2
Pr
1/3
)kf/dpi
[0022]式中，i表示第i个颗粒；Pr为普朗特数，Pr＝(μ
f
·
c
pf
)/k
f
；Re为雷诺数，Re＝(ρ
f
d
p
·
v
f
)/μ
f
；d
p
为颗粒直径，单位为m；v
f
为气体流速，单位为m/s；μ
f
为气体粘度，单位为kg/(m
·
s)；d
pi
为第i个颗粒的直径。
[0023]进一步，步骤(3)所述颗粒运动控制方程为：
[0024][0025][0026]式中，m
i
为第i个颗粒质量，单位为kg；v
i
为第i个颗粒水平速度，单位为m/s；f
e,ij
为第i个颗粒和第j个颗粒之间的弹性力，单位为N；f
d,ij
为第i个颗粒和第j个颗粒之间的粘性阻尼力，单位为N；f
pf,i
为第i个颗粒与流体之间的作用力，单位为N；m
i
g为第i个颗粒的重力，单位为N；I
i
为第i个颗粒转动惯量，单位为kg
·
m2；ω
i
为第i个颗粒的旋转速度，单位为rad/s；T
t,ij
为第i个颗粒和第j个颗粒之间的切向力矩，单位为N
·
m；T
r,ij
为第i个颗粒和第j个颗粒之间的滚动摩擦力矩，单位为N
·
m。
[0027]进一步，步骤(3)第i个颗粒和第j个颗粒间导热方程为：
[0028]Q
i,j
＝h
c
(T
j
‑
T
i
)
[0029]式中：T
j
为第j个颗粒温度，单位为K；T
i
为第i个颗粒温度，单位为K；h
c
为热传导系数。
[0030]进一步，所述物理模型包括网格以及边界线。
[0031]有益效果：1、本专利技术采用离散相DEM理论建模，可对还原过程中任意时刻任意颗粒的温度和还原速率进行观测、仿真计算分析；
[0032]2、本专利技术综合考虑颗粒间导热、气体和颗粒对流换热，使仿真计算分析更贴近实际情况，计算结果更为精确；
[0033]3、本专利技术可以通过更改气体组分参数和温度参数，对比还原效果，对实际热工参数的优选提供理论依据；
[0034]4、本专利技术具有成本低、精度高等显著优点，可以较容易获得某些通过实验方法不容易获得的铁矿石颗粒还原的规律及参数。
附图说明
[0035]图1为本专利技术基于CFD
‑
DEM模型的颗粒级铁矿石还原分析方法的流程图；
[0036]图2为本专利技术基于CFD
‑
DEM模型的颗粒级铁矿石还原分析方法几何形状和CFD网格的示意图；
[0037]图3(a)(b)为不同压力对赤铁矿颗粒还原率影响规律的示意图；
[0038]图4为不同气体成分对赤铁矿颗粒还原率影响规律的曲线图；
[0039]图5(a)(b)为不同温度对赤铁矿颗粒还原率影响规律的曲线图；
[0040]图6(a)(b)(c)为不同流量对赤铁矿颗粒还原率影响规律的曲线图。
具体实施方式
[0041]一种基于CFD
‑
DEM模型的颗粒级铁矿石还原分析方法，包括以下步骤：
[0042](1)根据参考文献中的建立还原铁矿石的物理模型；
[0043](2)建立铁矿石还原过程中的流体相控制方程组，所述流体相控制方程组包括连续性方程以及动量方程；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于CFD
‑
DEM模型的颗粒级铁矿石还原分析方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)根据还原高炉构建几何体物理模型；(2)根据几何体物理模型构建铁矿石还原过程中的流体相控制方程组，所述流体相控制方程组包括连续性方程、动量方程和能量方程；所述能量方程为：式中，c
pf
为气体比热容，单位为J/(kg
·
K)；k
f
为气体导热系数，单位为W/(m2·
K)；A
p
为颗粒表面积；T
f
为气体温度，单位为K；T
p
为颗粒温度，单位为K；h
fp
为气体与颗粒间对流换热系数；其中：A
p
＝6(1
‑
ε
f
)/d
p
h
fp
＝(2.0+0.6Re
i1/2
Pr
1/3
)kf/dpi式中，i表示第i个颗粒；Pr为普朗特数，Pr＝(μ
f
·
c
pf
)/k
f
；Re为雷诺数，Re＝(ρ
f
d
p
·
v
f
)/μ
f
；d
p
为颗粒直径，单位为m；v
f
为气体流速，单位为m/s；μ
f
为气体粘度，单位为kg/(m
·
s)；d
pi
为第i个颗粒的直径；(3)建立固相控制方程，所述控制方程为颗粒运动控制方程、颗粒间导热方程；(4)选择不同的压力、等温性、气体成分和流量参数对颗粒级铁矿石还原过程进行模拟计算，分析比较不同参数下颗粒级铁矿石还原效果规律。2.根据权利要求1所述的基于CFD
‑
DEM模型的颗粒级铁矿石还原分析方法，其特征在于：步骤(2)所述连续性方程为：式中，ρ
f
为气体密度，单位为kg/m3；ε
f
为气体局部空隙率；t为时间；u...

【专利技术属性】
技术研发人员：鄂殿玉，华晴赉，荆祎，周鹏，郭苏雅，文英明，郑奇军，焦璐璐，
申请(专利权)人：鑫铂斯南京智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：