当前世界钢铁行业面临节能减排压力,非高炉炼铁成为钢铁行业可持续发展的前沿技术。发展回转窑直接还原铁为代表的煤基直接还原铁技术在天然气相对缺乏的我国具有重要意义。由于回转窑内物料反应、传质、传热过程和机械动力学之间关系复杂,导致实验研究窑内传输反应行为较困难。随数值模拟技术的发展,可以通过数值模拟技术分析窑内复杂的传输反应过程。本文以攀枝花中试基地预还原回转窑为对象,通过Fluent软件对窑内三维气固流动传热燃烧过程模拟,预测窑内气体、物料及壁面温度分布,优化回转窑工艺参数,为铁矿粉预还原过程提供理论依据,从而为其进入熔分炉终还原奠定基础。本文首先分析铁矿粉预还原回转窑内气固传输模型和物料流动机理,其次分析窑倾角、转速、煤气喷吹速度、初始煤气温度、物料质量流量等因素对回转窑内物料运动、煤气流动、煤气与物料温度分布等规律的影响,最后探讨回转窑内烟气温度场分布以及气固相组分分布的规律。采用欧拉-欧拉双流体模型计算回转窑三维气固流动与传热行为发现,煤气在窑内螺旋式前进,煤气温度在距窑头0~15 m下降速度较快,随后变缓。煤气喷吹速度越高则窑内煤气温度越高。煤气轴向运动速度在距窑头0~25 m区域上升较快,随后变缓。煤气初始温度越高,煤气轴向运动速度越高。物料颗粒运动集中于活动层,窑内物料体积分数分布呈S形,物料颗粒最大速度位于中心弦位置(X/L为0.5),此时回转窑运动模式为泻落模式。回转窑倾角过大导致物料颗粒最大速度远离中心弦位置,回转窑转速提高促使物料颗粒最大速度更接近中心弦位置。回转窑截面温度先平缓降低,后迅速下降最后又趋于平缓。计算确定合理的铁矿粉预还原回转窑工艺和结构参数为:物料质量流量13.88 kg/s、煤气进口风速16 m/s、回转窑倾角3°、回转窑转速0.6 rpm。采用涡耗散模型计算回转窑煤粉燃烧行为发现,煤粉在距窑尾0~1.3 m区域燃烧,此区域为回转窑火焰燃烧区。初始煤气温度高,窑内烟气温度峰值离窑尾远,火焰区域长。煤粉距窑尾21 m左右燃尽,距窑尾1.3 m左右燃烧最剧烈。窑内O₂质量分数分布由窑头至窑尾逐渐降低,CO₂质量分数分布由窑尾至窑头逐渐降低。煤气喷吹速度越高,窑内O₂质量分数越大。煤气初始温度越高,窑内O₂质量分数越小。煤气喷吹速度和初始温度对CO₂质量分数分布影响较小。