流化床反应器传热传质效率高、反应性能好,在非高炉炼铁中具有良好的应用潜力。然而,流态化过程中非均匀结构的产生容易导致诸多问题,使得流化床难以发挥出相应优势,如气泡尺寸过大、气泡上升速度过快造成的气体沟流短路问题,导致还原气利用率较低,不合适的颗粒粒径分布和表观气速造成的颗粒偏析和分层问题,导致床内传热和反应不均,降低铁矿粉还原效果,亟需通过一定的调控方法改善床内非均匀结构情况。因此,研究流态化过程中的非均匀结构和调控方法对提高还原气利用率,增强铁矿粉还原效果,促进流态化冶金发展具有重要意义。论文采用物理实验和计算机模拟相结合的方式对鼓泡流化床内非均匀结构特性进行了系统的研究,进一步探索了鼓泡流化床内非均匀结构特性的调控方法,从而为流化床反应器的设计与操作提供科学依据。主要研究内容及结论如下:(1)以玻璃珠为原料在典型工况下进行流态化实验,研究表观气速、质量配比等因素对床内非均匀结构的影响。在完全流化状态下,床内气泡呈弥散状分布,气泡运动周期可分为两个阶段,初始阶段气泡在床层下部周期性生成、长大,在第二阶段气泡上升至床层中部,气泡急剧膨胀,床层表现出明显的非均匀性,原因是床层上部受气流扰动的影响更强,同时气泡的聚并更加剧烈,导致气泡运动后期对床层的非均匀性影响更大。在特定配比条件下,B类粒径小于300μm,B:D的粒径比小于0.56,随表观气速降低床内逐渐出现颗粒偏析,表观气速低于0.278m/s时发生明显分层,此时床层下部处于静止状态,床层上部处于流化状态。原因在于表观气速介于两类颗粒u_mf之间,B类颗粒呈流化状态,D类颗粒呈静止或临界状态,在气泡尾涡作用下两类颗粒分离,表现为D类颗粒在床层底部偏析的现象,随着床内颗粒循环,偏析程度不断加重,最终导致颗粒分层。(2)基于欧拉—拉格朗日参考系建模,利用CFD-DEM方法模拟研究了二维鼓泡床的流态化过程。通过对比同等条件下文献双流体模拟结果以及实验结果,验证了CFD-DEM方法的有效性。模拟典型实验工况,研究床内气相速度分布以及分布板开孔率对床内非均匀性的影响。结果表明,气泡的周期运动伴随床内速度场的波动,完全流化后床内气泡行为与实验相符,气泡尾涡起到汇聚气流的作用,使床层上部气固相速度分布不均,扰动剧烈,局部颗粒聚集程度高,床层非均匀性强;床层下部气泡尺寸小,尾涡对气流作用有限,速度分布均匀,床层非均匀性弱;减小分布板开孔率可以使床内速度分布更均匀,速度分布范围相较于不设置分布板开孔率时减小29.4%。(3)基于欧拉—拉格朗日参考系,利用CFD-DEM方法模拟研究了三维鼓泡床的流态化过程,对比二维床和三维床非均匀结构特性差异。研究表明:三维床与二维床的非均匀结构特性规律表现一致,具有类似的颗粒循环,但是二维床中气泡尾涡对气流的汇聚作用更强,原因在于二维床具有明显的边壁效应,限制气流的横向运动。研究了表观气速、B类颗粒粒径、分布板开孔率对非均匀结构的影响程度,通过调节以上因素可以使气泡尺寸减小35%以上,改善床内非均匀性;在B、D类颗粒混合的双组分系统中,将表观气速控制在D类颗粒的1.5~2 u_mf,B、D类颗粒的粒径比控制在0.56以上,可有效避免颗粒偏析和分层。通过二维鼓泡流化床和三维鼓泡流化床的实验和模拟研究,深化对床内非均匀结构的认识,为流态化冶金过程非均匀结构调控方法提供一定理论参考。