[发明专利]一种褐煤微波干燥多物理场仿真模拟方法

说明书

本发明公开了一种褐煤微波干燥多物理场仿真模拟方法，包括以下过程：在COMSOL软件中建立褐煤微波干燥的多物理场耦合模型，所述褐煤微波干燥的多物理场耦合模型包括微波炉和煤样中的电磁场模型、煤样中的传热传质场模型和煤样中水分的渗流场模型；根据微波炉和褐煤煤样实物结构，在COMSOL中建立褐煤微波干燥的3D几何模型；对3D几何模型赋予材料属性；设置初始条件和边界条件；对3D几何模型划分网格；计算获得褐煤微波干燥过程中电场、温度场的分布。本发明可以获得褐煤微波干燥过程中电场、温度场以及水分等关键参数的动态分布规律，极大程度上节约时间和成本，进而对褐煤微波干燥过程的调控和优化具有一定的理论指导。

技术领域

本发明属于褐煤仿真模拟技术领域，具体涉及一种褐煤微波干燥多物理场仿真模拟方法。

背景技术

中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭供应中国67.5％的一次能源和75％以上的电力。我国褐煤资源储量丰富，实现低阶褐煤资源的清洁高效利用成为国内关注的重点研究方向。不幸的是，由于褐煤固有的局限性，如水分和氧含量高、运输成本高、二氧化碳排放量大、低热值和高自燃的倾向，极大地限制了它们的大规模应用。因此，通过增加其能量来提高褐煤的品质是相当重要的，脱水是最为关键的第一步。微波干燥处理是一种去除煤中水分十分有效的方法。与采用传导、对流和辐射，由外向内的传统加热干燥方式不同，微波采用电磁波作用机制，能够深入原料内部，是一种由内向外的体积式加热方式。

与传统加热干燥方式相比，微波加热干燥具有很多独特的优势：1)非接触式加热；2)能量转移而不是热量传递；3)快速加热；4)选择性加热；5)体积加热；6)快速启动和停止；7)内部加热；8)更高的安全水平和自动化。此外，微波干燥方式可以减少在传统干燥方式中煤本身不希望产生的效果(如部分氧化)。

众所周知，褐煤微波干燥过程中温度和水分的变化十分复杂，因为材料的介电特性是关于微波频率、温度和水分含量的复杂函数，微波加热过程中温度和水分含量的变化将严重影响材料吸收微波的能力。由于煤样介电特性变化对温度和含水量十分敏感，在微波加热过程中，煤样介电特性不断变化将会导致电场分布变化，同时，电场分布的变化会导致煤样中温度场和含水量的变化，从而导致煤样介电特性变化，这是一个复杂的双向耦合过程。以往建立的用来描述微波干燥过程中褐煤传热过程的模型并没有考虑水分、温度以及介电特性的相互影响，而只是把介电特性当成一个常数处理。目前大多数微波模拟研究都集中在食品、木材和矿物上，对煤微波处理过程的模拟关注较少。

因此本专利致力于了解微波干燥褐煤时煤样温度和水分的变化以及与煤样介电特性的相互耦合，研究褐煤在微波场中的热湿传递规律，对微波干燥褐煤的实际应用提供一定的理论指导。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出了一种褐煤微波干燥多物理场仿真模拟方法，解决了现有技术中没有考虑微波干燥过程中褐煤传热过程的水分、温度以及介电特性的相互影响的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种褐煤微波干燥多物理场仿真模拟方法，其特征是，包括以下过程：

建立褐煤微波干燥的多物理场耦合模型，所述褐煤微波干燥的多物理场耦合模型包括微波炉和煤样中的电磁场模型、煤样中的传热传质场模型和煤样中水分的渗流场模型；

根据微波炉和褐煤煤样实物结构，建立褐煤微波干燥的3D几何模型；

对3D几何模型赋予材料属性；

设置初始条件和边界条件；

对3D几何模型划分网格；

计算获得褐煤微波干燥过程中电场、温度场的分布。

进一步的，所述建立褐煤微波干燥的多物理场耦合模型的具体操作过程为：