流态化直接还原炼铁反应器的格子气模型研究

探索炼铁新工艺是低碳冶金技术发展的必然。流化床反应器随着氢冶金被重视而可能成为铁矿粉直接还原的重要发展方向。气固两相流理论是铁矿粉直接还原反应器高效化设计的基础。本项目基于元胞自动机以微观局域自组织相互作用来体现宏观复杂现象的思想，提出气固两相流的变尺度格子气模拟方法：通过对固体颗粒与格子气流体粒子的运动空间，以及存在大速差的不同运动空间采用不同尺度的网格划分，期望以空间变尺度网格划分方法体现不同的运动形式及其特征。在前期探索研究奠定的方法基础上，建立鼓泡流化床、喷动流化床的格子气模型；研究模型演化规则与宏观行为之间的关系，确定模型物理量与真实物理量间的转换方法；以实验检验模型的正确性。本项目可望开辟气固两相流从微观到宏观跨层次模拟研究的新途径，提供复杂冶金流化床反应器流体动力性能研究的新手段。研究对揭示气固相间作用规律，阐明反应器的流体动力学原理有重要意义，为反应器设计奠定理论基础。

流态化直接还原以其经济、节能和环保的优势，逐渐成为一种重要的非高炉炼铁工艺，得到更多关注和发展。研究该工艺中涉及到的气固两相流相关问题，对于认识工艺本质，探索反应器有效设计方案，指导工业生产具有重要的学术意义和经济价值。本课题主要基于多尺度分析理论，从气固两相流的微观作用机制和宏观表现形式出发，提出了气固两相流变尺度格子气模拟方法；针对流态化炼铁反应器内气固两相流的基本特性进行了研究和分析。提出的变尺度格子气模型方法以正六边形格子气FHPIII模型为基础，对流域空间和运行时间采取变尺度方法进行离散处理，设计系统中气体粒子和固体颗粒的演化规则，解决了单相气体流动、气固两相流动、气固两相喷动以及流化不同区域的宏观速度差别等问题。在此基础上，结合不同流化床反应器的流动特性及模型表征方法，分别建立了鼓泡流化床和喷动流化床的变尺度格子气模型。通过对比典型玻璃珠鼓泡床的流化特性的冷态模型实验和相应的Fluent数值模拟结果，检验了所建立模型的正确性和有效性，并据此进行了模型的完善和优化。另外，在利用冷态实验进行铁矿粉床与玻璃珠床的鼓泡特性实验时，发现同属B类（Geldart分类法）颗粒的玻璃珠和铁矿粉的流态化特性存在明显差异，这是由于颗粒性质不同，以及流态化过程中铁矿粉颗粒的粉化所导致。为此，对模型中涉及固体颗粒的相关部分进行了演化规则的改进设计，并增加了对典型颗粒流特性的模拟研究，以便使建立的模型能更好地反映涉及铁矿粉的气固两相流动特性。最后，运用变尺度格子气模型，模拟研究了铁矿粉鼓泡床和喷动床的气固两相流行为，并获得了与实验和Fluent模拟基本规律一致的结果。较一般的数值模拟方法，所提出并建立的模型不仅能表达宏观特征，更能表征气固之间的微观作用，而且还具有并行快捷的计算优势和无数值计算误差的优点。因此，变尺度格子气模型的建立为气固两相流模拟研究提供了一种新思路和新手段，也为探索流态化还原反应器的设计和优化提供了新方法。