Locally resolved DEM/CFD simulations of a generic oxy-fuel kiln for lime production (Open access)
Maximilian Brömmer*, Enric Illana Mahiques, Viktor Scherer
Keywords: DEM/CFD; Packed bed; Calcination; Oxy-fuel; Limestone
DOI: 10.1016/j.partic.2026.03.028
富氧燃烧技术应用于石灰窑，可有效提升热利用效率和燃料燃烧效率，助力石灰生产工艺实现节能降碳与绿色转型。但相较于传统空气燃烧模式，富氧燃烧工况下石灰窑内CO2体积分数偏高，会改变窑内温度分布与碳酸钙分解特性，进而引发窑内复杂的流体流动行为。为此，本研究拟采用DEM-CFD数值方法，模拟分析颗粒运动规律及其与流体间的复杂相互作用。
高精度的DEM-CFD通过强耦合迭代求解算法，具备良好的计算收敛性与稳定性，可获得高精度的流场特性，能够准确反映颗粒运动过程中的流固耦合界面，但该方法计算成本过高；未解析DEM-CFD则对流固相间作用力进行简化处理，降低了计算成本，虽能够描述非连续介质在流场中的宏观运动特征，但无法精准刻画流固耦合边界条件。
本文提出一种局部解析模拟策略，在石灰窑燃烧器喷枪区域，结合浸入边界法（IBM）采用高精度DEM-CFD开展计算，窑内其余区域则用未解析DEM-CFD方法。这种混合策略在计算精度与成本间取得了巧妙平衡。研究以一小型石灰竖窑为对象（窑体高2.5 m，直径0.64 m，窑内装填22,400粒径不同的石灰石颗粒），分别采用未解析法与局部解析法，针对喷枪区域流场开展对比模拟分析。
模拟结果表明，采用两种模拟策略，预测的石灰窑内整体平均煅烧程度的差异较小，二者主要差异体现在煅烧程度的局部分布和颗粒最高温度及其分布两方面。利用未解析法获得的最高温度偏高，这可能会造成对产品质量预测的偏差。研究证实，可采用未解析模型对石灰窑整体平均煅烧度进行模拟计算，而针对决定产品品质等关键细节区域，则需采用高精度数值模型。
本研究成果可为石灰窑内部温度场及碳酸钙分解特性的精准模拟提供理论依据，同时也为富氧燃烧技术在石灰窑中的工程应用提供技术参考。
本文已OA，收录于专刊“2nd International Workshop on Reactive Particle-Gas Systems - Special issue organized by the Collaborative Research Centre BULK-REACTION”。客座编辑为马格德堡大学Dominiquen Thévenin教授、Evangelos Tsotsas教授，以及波鸿鲁尔大学Viktor Scherer教授、Francesca Di Mare教授。欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”进入ScienceDirect官网阅读、下载！
编辑、排版：《颗粒学报》编辑部
文章信息
Brömmer, M., Mahiques, E. I., & Scherer, V. (2026). Locally resolved DEM/CFD simulations of a generic oxy-fuel kiln for lime production. Particuology, 113, 236-248. https://doi.org/10.1016/j.partic.2026.03.028