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龙图腾网获悉东北大学申请的专利基于数字孪生的高炉一氧化碳成分场计算方法获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN119626359B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2025-11-18发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202411827050.7，技术领域涉及：G16C20/10；该发明授权基于数字孪生的高炉一氧化碳成分场计算方法是由张颖伟;张鼎森;金泳男;商凯丞;冯琳设计研发完成，并于2024-12-12向国家知识产权局提交的专利申请。

本基于数字孪生的高炉一氧化碳成分场计算方法在说明书摘要公布了：本发明提供一种基于数字孪生的高炉一氧化碳成分场计算方法，涉及高炉碳排放技术领域，研究了高炉内部化学成分的分布，采用纳维‑斯托克斯方程模拟气体流动，并利用基于网格的有限差分算法求解二维高炉流体模型，得到气体速度场、温度场和固体温度场。同时，建立了化学动力学模型，考虑了焦炭燃烧、碳溶解损失和氧化铁还原反应。高炉被划分为五个子空间，并计算了相应的反应速率场。最后，通过炉顶气体数据的迭代得到了一氧化碳浓度场。这种方法能够实时开发出符合工业要求的一氧化碳浓度场模型。

本发明授权基于数字孪生的高炉一氧化碳成分场计算方法在权利要求书中公布了：1.一种基于数字孪生的高炉一氧化碳成分场计算方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1：使用未反应核收缩模型对气固反应过程进行描述； 步骤2：计算高炉化学反应； 步骤3：生成高炉建模区域，建模区域的网格使用椭圆偏微分方程生成，通过纳维-斯托克斯方程，即NS方程描述流体力学中流体流动；将NS方程简化为二维形式，并将高炉中的流体视为不可压缩的；二维NS方程被离散化并求解，以推导出高炉内部的速度场和压力场； 步骤4：计算反应速率，假设在一个定义的区域内，当多个碳化学反应同时发生时，一氧化碳的消耗速率等于相应反应速率的代数和； 步骤5：假设高炉每个子空间内反应物的化学性质均匀，喷吹口的气体成分作为输入，顶部的气体成分作为输出，构建成分场模型，预测高炉内任何给定点的CO浓度；任何位置的CO浓度均为喷吹口的CO浓度加上沿气体路径的CO浓度变化； 步骤6：对成分场模型采用双向计算方法，从顶部到底部逐层计算炉顶的一氧化碳浓度，然后从底部到顶部计算炉底的一氧化碳浓度；这两个计算的结果取平均值，得到最终的成分场模型；通过成分场模型进行成分场计算，获得当前高炉运行状态； 所述步骤1具体为：假设固体反应物由微小的球形颗粒组成，气体围绕这些颗粒并促进化学反应，其中化学反应仅发生在反应物接触的表面，随着反应的进行，反应界面逐渐缩小；考虑传质阻力对反应速率的影响，特别是外层气体在渗透球形壳层与未反应的核心物质反应时所遇到的阻力，获得反应速率之间的关系表示为： 其中，x1是转化率，t是反应时间，AURCM是反应速率常数，E是能量，R1是气体常数，T1是反应温度,exp是e指数运算； 所述步骤2具体为： 计算碳的完全燃烧化学反应，具体的化学方程式是： C+O2＝CO22 在氧气供应不足的情况下，碳会发生不完全燃烧，化学方程式为： 2C+O2＝2CO3 阿伦尼乌斯经验公式建立了反应速率与反应环境温度之间的数学关系，将温度与反应速率之间的关系描述如下： 式中，r表示反应速率，x和y分别代表反应物和产物，c表示物质的浓度，a和b表示反应级数，A是频率因子，Ea表示反应的活化能，R是摩尔气体常数，T表示绝对温度； 在高温下，碳与二氧化碳反应生成一氧化碳；该反应用以下公式表示： C+CO2＝2CO5 反应速率公式为： k1＝exp27.201-35900t7 k2＝exp14.240-18350t8 k3＝10.39 k5＝exp29.588-36760t10 Ef＝exp{ln0.15t-1073300}11 式中，moc是焦炭的初始碳含量，是每平方米焦炭颗粒的数量，Mc是气体的摩尔质量，PT是总压力，γCO2、γCO、γH2O分别表示二氧化碳、一氧化碳和水蒸气的摩尔分数； 氧化铁FeO在高温下转化为铁酸体反应方程为： FeO+C＝Fe+CO12 反应速率表示为： 其中，Ts为固体温度，为FeO的摩尔分数，ds是固体颗粒直径，ψs是固体形状因子，εs是炉料孔隙度； 采用未反应收缩核模型来描述氧化铁的间接还原，方程如下： Fe2O3+3CO＝2Fe+3CO217 为了量化使用还原气体还原球形铁氧化颗粒的整个过程，考虑三个反应过程级别：气体膜扩散，即气体不接触矿石；矿石颗粒内部的扩散；以及反应界面发生的化学反应；通过整合铁氧化物间接还原反应的三个过程，间接还原反应的速率表示为： k11＝exp5.8493-3460t19 式中，K11是该反应的平衡常数，Ds11表示气体扩散效率，φs是固体形状因子，每平方米固体颗粒粒子数，PCO一氧化碳反应界面压力，PCOe是一氧化碳平均压力，fs是铁矿石还原度。

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