随着焦炭资源的日益枯竭以及环保要求的愈加严格,高炉炼铁工艺因其具有高污染、高能耗、高物耗等问题而面临前所未有的挑战。流态化还原炼铁工艺可以直接利用铁矿粉,省去了高炉炼铁工艺中污染最为严重的烧结与炼焦工序,摆脱了对焦炭资源的依赖,将成为非高炉绿色冶金技术发展的重要方向。气-固两相流态化是复杂的非线性、非平衡、多尺度问题,具有典型非均匀结构运行特征,研究气固两相流态化过程的非均匀结构及其演化特性对于流态化还原炼铁工艺的发展和应用具有重要意义。论文首先分析了气固两相流态化的基本特性,然后深入研究了鼓泡流化床中的非均匀结构及其演化特性,探讨了鼓泡流态化过程中的床层压降波动、临界流化速度、气泡行为、宏观偏析、颗粒粉化、床层膨胀率等床层基本特征描述问题,并进一步研究了鼓泡流化床中的非均匀结构形成机理和演化规律。主要研究内容和结果总结如下:(1)二维鼓泡流化床由于“边壁效应”导致在升速流化过程中存在显著的“迟滞效应”,使得其最小流化速度和完全流化速度均大于三维鼓泡流化床。实验得到二维床与三维床的最小流化速度与完全流化速度修正公式的修正参数,并明确了基于Ergun公式和Wen-yu公式最小流化速度修正公式的方法适用于二维鼓泡流化床,基于单颗粒受力分析的最小流化速度修正公式的方法适用于三维鼓泡流化床;完全流化速度修正公式及方法对于二维鼓泡流化床和三维鼓泡流化床均适用。(2)在二维鼓泡流化床中,气泡当量直径随着表观气速的增大而线性增加,气泡当量直径随着轴向高度的增大而线性增大。同时,气泡的上升速度随着表观气速的增大而增大,气泡上升速度随着轴向高度的增大而线性增大。对于宽粒径分布的固体颗粒而言,在流化过程中会发生偏析现象,使得颗粒产生分层现象。(3)当澳矿粉颗粒在鼓泡流化床内开始膨胀后,床层膨胀高度随着表观气速的增大而线性增大;根据实验数据建立的三维鼓泡流化床层膨胀率关联式,在预测三维鼓泡流化床内澳矿粉颗粒的床层膨胀率时的平均误差在3%以内,具有良好的适用性;在鼓泡流化床中,粒径800~1000μm的澳矿粉颗粒在流化一段时间后,床层上部会出现细小的悬浮颗粒,且该颗粒的粒径明显小于800μm,说明在流化过程中澳矿粉颗粒发生了粉化。通过二维鼓泡流化床和三维鼓泡流化床冷态实验研究,为流态化冶金技术的发展提供动力学理论研究依据。