流态化冶金气固还原反应过程机理的介尺度自组织模拟方法

To investigate the new fluidized bed metallurgical process, it is of great importance to explore the macroscopic characteristics and the meso-scopic mechanism of gas-solid interactions in the reduction of iron oxide. Achieving the self-organized evolution of the reaction process by establishing a meso-scale model is will facilitate the development of both basic theories and new technologies in this area. Based on our previous work, considering the coexistence of multi-step iron oxide reduction reactions and the complicity of rate control mechanisms, as well as the heterogeneous in both reacting system and reactions of the gas-solid reduction reaction in the fluidized bed, a meso-scale self-organized simulation method is proposed to describe the reaction process and mechanisms of fluidized bed gas-solid reduction of iron oxide. The kinetic characteristics will be quantitatively studied. Based on the experimental results, the mechanism of coexistence characteristics of iron oxide multi-step reaction and the mechanism controlling function of different kinetic will be investigated, the influence of fluidization on the reaction will also be clarified. A new simulation method featuring a meso-scale discretized description combining gas-solid transfer phenomena and the chemical reactions, as well as its adaptive evolution rules will be established to reveal the multi-scale properties of the fluidization reduction process. This research will promote theoretical development of metallurgy and related disciplines.

以流态化冶金新工艺为背景，探索铁氧化物流态化气固还原反应过程机理的宏观特征与介观气固相作用机制，提出通过建立介尺度模型实现反应过程的自组织演化机制调控，对铁氧化物流态化还原反应相关基础理论和新技术发展意义重大。项目在前期工作基础上，针对铁氧化物还原反应的多步反应并存及速率控制机制综合作用，以及流态化气固还原反应的非均匀结构非均相反应问题，开展流态化冶金气固还原反应过程机理的介尺度自组织模拟方法研究。研究铁氧化物流态化气固还原反应过程动力学特征的定量描述方法，在实验基础上提出铁氧化物多步反应共存特征描述与不同动力学行为控制的机理函数，明确流态化行为对反应过程的影响；提出并建立完全离散的气固相传递与化学反应综合过程的介尺度模型；提出以模型演化规则自适应于系统状态的机制调控方法，实现流态化气固反应进程自组织演化的过程模拟，跨尺度揭示流态化冶金还原反应过程机理。将促进冶金及相关学科理论发展。

项目以流态化冶金还原反应过程为对象，构建了完全离散化的铁氧化物多步还原过程模拟的介尺度模型，实验与模拟研究了铁氧化物复杂传递和化学反应综合过程的物理化学变化，获得对流态化冶金气固还原反应过程机理的新认识。主要进展及结果：1）根据铁氧化物的物相转变规律，提出了描述多步反应共存的动力学分析方法，按转化率值进行还原过程阶段划分、失氧率占比进行反应综合；微型流化床反应分析系统的实验研究明确了各单步反应的速率常数随温度和还原气浓度的升高而增大，反应机理随反应进程推进由界面化学反应逐渐转变为气体内扩散。2）铁矿粉的冷态模型实验研究获得了不同属性铁矿粉的流化特性，修正了铁矿粉流态化的临界流化速度计算，最小流化速度修正值误差小于4.91%；得到鼓泡流化床非均匀结构的形成跟颗粒粒径分布和气固作用相关的特征及规律，鼓泡流化床内气泡尺寸及其上升速度随床层高度和表观气速的增加而增大。3）在已建立的多物质、多能态格子气元胞自动机模型基础上，提出气固相还原多步反应的介尺度模拟方法，以网格节点处气体粒子的运动概率描述气体在固相内的扩散过程、以局域固相物性和反应条件相关联的反应概率描述界面化学反应进程、以牛顿第二定律描述颗粒运动过程；设计以“状态识别-特征判断-规则启用-自主运行”为核心模型演化机制，实现对复杂流态化反应过程的自组织演化模拟。4）开展铁氧化物流态化还原过程的介观模拟研究，发现铁氧化的初始孔隙率和粒径是决定反应机理转变的关键因素； Fe2O3的氢还原过程在不同温度条件下不同氧化铁的含量会随反应进程而变化，中间物相Fe3O4和FeO含量呈现先增加后减小的演变趋势；通过分析反应条件对颗粒运动行为的影响，得到颗粒流化状态受气体流速和颗粒内部结构的共同制约。项目成果揭示了流态化气固相还原反应过程的物理化学本征规律，为解决从介观到宏观的跨尺度模拟、掌控流态化非均相多步并行复杂还原反应过程的核心技术提供理论支撑和应用技术开发基础。