流态化非均相还原反应是以流化床为反应器的非高炉炼铁新技术中的基础反应过程,研究铁氧化物流态化还原反应规律将为促进新技术的发展及应用奠定重要理论基础。铁氧化物还原过程具有多步非均相反应特征,复杂边界条件下非均相反应行为对数值模拟方法带来了巨大的挑战,为此,提出“流态化非均相还原反应过程的介观模拟方法研究”的研究课题,力求通过建立新的介观模拟方法,实现从介观或微观气固作用机制到宏观复杂还原反应过程等行为规律的跨层次模拟,加深对相关领域复杂过程本质规律的认识。论文以铁氧化物流态化气体还原过程为研究对象,从颗粒尺度和颗粒内孔隙尺度出发,基于元胞自动机思想和格子气理论,通过分析气固非均相反应和颗粒运动过程的物理本质,提出了一种由简单微观局域作用规律及演化规则来描述复杂流动及气固非均相还原反应等过程的介观模拟方法。通过对流态化非均相反应系统内流动基本现象及反应过程相关问题的数值模拟,验证了介观模拟方法在研究具有复杂边界条件的复杂气固还原等反应系统的有效性。以实验与模拟相结合的方式,从介观尺度揭示了铁氧化物流态化还原反应过程的多步反应特征和气固作用规律。主要研究结论如下:(1)基于格子气元胞自动机思想,提出了流态化非均相反应的介观模拟方法。该方法具有完全离散化的二维模拟体系,包括离散化的模拟空间结构、气相、固体颗粒和演化时间;在多物质、多能态格子气元胞自动机基础上,提出采用网格节点上不同方向上的气体粒子运动概率来描述气体在固相内的扩散过程,采用与固相物性和局部反应条件相关联的反应概率来描述界面化学反应过程,并以均匀固相颗粒内的扩散传质问题和气固反应问题分别检验了扩散与界面反应过程方法的正确性;基于固体颗粒受力分析,采用牛顿第二定律描述颗粒运动过程,并以经典颗粒沉降问题进行了方法的检验;在满足格子气流体粒子的平均自由程限制下,通过调整气体粒子与固体颗粒的演化时间差,实现了气固相反应与颗粒运动的耦合。(2)为将介观方法用于研究复杂流态化反应系统的模拟,先后模拟研究圆柱绕流与传热、多孔介质内的气固反应、多颗粒沉降和流态化非均相反应等过程。模拟结果表明:圆柱所受曳力大小随雷洛数和圆柱孔隙率的增大而减小,而圆柱表面平均Nusselt数随雷洛数增大而增大;当在体系内放置多个圆柱时,圆柱间相互干扰使所有圆柱所受曳力减小,若圆柱间距增大,曳力也将随之增大。反应速率随多孔介质的初始孔隙率和反应温度的增大而增大;若反应机理为气体内扩散,固相产物集中形成于未反应固相外围,具有清晰的反应前沿;若反应机理为化学反应,固相产物分散形成于多孔介质内部。颗粒群沉降过程中,上下游颗粒所受曳力不均,导致颗粒群以聚团形式沉降;随流体流速增加,聚团逐渐转变为圆弧状。随反应进行,处于流化状态的颗粒的孔隙率增大,致使其所受曳力显著减小,反应后颗粒发生沉降。(3)基于还原过程的物相转变及失氧率变化规律,设计了将多步还原过程拆分为总失氧率X2O₃→Fe₃O₄单步反应、0.11p的Fe₃O₄→Fe O单步反应和X>t_p的Fe₃O₄→Fe O→Fe两步反应的多步反应动力学分析方法,t_p为单步与两步反应转变点。运用微型流化床反应测试分析仪和多步反应动力学分析方法研究不同反应条件下的铁氧化物多步反应特征。实验研究发现:CO还原纯Fe₃O₄的Fe₃O₄→Fe O→Fe过程的反应速率受析碳反应和颗粒粘结的影响,随温度的升高呈现出先增大、后减小、再增大的趋势。对于H₂还原巴西铁矿粉过程,当流化床入口气体流量大于400m L/min(标态)时,气体外扩散对还原过程的影响降至最低;系统分析了400–570℃和600–800℃内铁氧化物还原过程中各单步反应的反应机理和动力学参数,为铁氧化物流态化氢还原过程的介观模拟提供了模拟参数。(4)以铁氧化物流态化还原反应过程为背景,模拟研究了铁氧化物氢还原过程的多步反应特征及气固作用规律。基于介观模拟方法,提出对固体粒子和气体粒子的物性状态进行标记以区分还原过程中的不同氧化铁和不同气相;根据固体粒子及节点处气体粒子物性,按照界面化学反应描述方法实现对各单步还原反应的描述。研究了静止状态下Fe O单颗粒的氢还原过程,发现Fe O的初始孔隙率和粒径是决定反应机理转变的关键因素,在大粒径和小孔隙率下,反应机理随反应进行由相界面反应转变为气体内扩散。研究了流化状态下Fe₂O₃单颗粒的氢还原过程,得到不同温度条件下不同氧化铁的含量随反应进程的变化关系,发现Fe₃O₄和Fe O的质量分数最高可分别达80%和40%,且可通过各中间物相含量变化揭示还原过程的多步反应规律。模拟流化状态下Fe₂O₃颗粒群的氢还原过程,考虑了反应温度、H₂浓度和表观气速对还原过程的影响,发现受孔隙率增大而沉降的Fe₂O₃颗粒在表观气速提升为Fe₂O₃颗粒最小流化速度的6.70倍时可再次达到较好的流化状态;此外,由于上下游颗粒所受曳力差异,还原过程中颗粒会出现聚团现象。上述研究,综合反映出所建立的介观模拟方法不仅能再现流态化非均相还原反应系统中的复杂流动及反应现象,更能表征出传统数值模拟方法难以刻画的气固相间的微观作用机制,实现从微观(介观)到宏观层次的跨越,并具有数值稳定、复杂边界条件易处理等优点。因此,介观模拟方法将为研究复杂流化反应系统提供一种全新思路和途径,为流态化炼铁新技术的发展提供新的理论认知手段。