铁矿粉流态化还原反应流的变尺度离散模拟方法

For the simulation of fluidized reduction flow of fine iron ore, a method of unified modeling the integered process of flow, mass transfer, heat transfer and chemical reactions in gas-solid two phase flow with a set of interaction rules between gas and solid particles in micro (mesoscopic) view and evolution rules for the flow reaction system is presented. In the model, gas particles and solid particles will move in two different scaling space, which have integer times relationship between cells for gas and solid. By analyzing macro physical and chemical behavior and the nature of micro movement in gas solid two-phase reaction flow, considering gas particle of different property to describe different gas reductant and products, giving the parameter of threshold value for the reaction and change of energy level gas-solid particles, and determining the collision role rules and self-organized evolution mechanism of gas or solid particles in fluidized reduction flow of fine iron ore. The statistics of type, momentum, and energy level of gas or solid particles will be used to describe the macroscopic physical and chemical characteristics of gas-solid two-phase reaction flow. A model of multiscale discrete simulation for fluidized reduction flow of fine iron ore will be built and simulation and experimental testing will be conducted. The research will revealing the nature in the process coupling with physical transfer and chemical reactions. The research will be expected to explore a new approach and spark some new ideas for simulation of fluidized reduction, metallurgical reaction engineering and related disciplines. It will also provide a theory base for new metallurgical technology such as FINEX.

针对铁矿粉流态化还原反应流模拟问题，提出一种以微观（介观）气体粒子-固体颗粒相互作用和系统演化规则来统一模拟宏观气-固相间的流动、传质、传热和化学反应综合过程的变尺度离散模拟方法。模型系统的气体粒子和固体颗粒运动在有整数倍关系的不同尺度空间；通过对气固两相反应流宏观物理化学行为和微观（介观）运动物理本质的分析，设置气体粒子的不同属性来描述不同还原气体及产物气体，设计反应影响参数的阈值条件、粒子能级的属性、以及铁矿粉流态化还原反应流中气体粒子与固体颗粒的碰撞作用规则和系统的自组织演化机制；用气体粒子-固体颗粒的类型、动量和能级的统计结果来反映气固两相反应流的宏观物理化学特征。建立铁矿粉流态化还原反应流的变尺度离散模型，进行模拟研究和实验测试，揭示过程的本质特征及传输和反应耦合机制。项目研究将为流态化模拟方法、冶金反应工程学及相关学科发展提供新思路，为FINEX等冶金新工艺技术发展奠定基础

铁矿粉流态化直接还原工艺具有经济、节能和环保的优势，已发展成为一种重要的非高炉炼铁工艺。研究该工艺中所涉及的铁矿粉反应流相关问题，对于认识工艺过程本质，指导工艺完善与应用具有重要的学术意义。.因此，通过对铁矿粉气固两相流态化还原过程涉及的流动、传热等多种传输现象与化学反应综合过程的宏观行为及其微观物理本质的跨层次分析，运用元胞自动机思想及格子气理论，基于质量、动量和能量守恒的基本原则，提出一种以微观(介观)气体粒子-固体颗粒相互作用和系统演化规则来模拟宏观气-固相间传输和化学反应综合过程的变尺度离散模拟方法。建立综合描述气固两相的多物质、单速多能、化学反应元胞自动机模型，基于可调控的规则演化和统计计算得到既有气固相间介观作用细节又符合宏观性质特征的数值模拟结果。.通过典型多圆柱绕流的表面传热、一级反应动力学和气固未反应核等过程模拟，验证了所建立模型的可行性和有效性。设计多孔介质生成算法来表征介观尺度下固相复杂结构及过程形态变化；研究气相反应物与产物粒子在固体颗粒表面及内部复杂结构中的流动、传热和化学反应的作用原理，揭示了气固相反应过程的本质特征及传输和反应过程的耦合机制。基于微型流化床分析仪，研究铁氧化物及铁矿粉在不同CO及H2还原气浓度及组成、不同温度的多步还原动力学特性及规律，运用SPSS数学分析工具，建立了表征铁氧化物流态化多步还原过程的动力学参数与还原条件(如温度，气体浓度)之间的定性或定量关系。对铁矿粉单颗粒的流态化还原过程、简化的填充床及流化床系统的还原过程模拟研究得到复杂气固相反应流的变化规律，说明所建立的离散模型可以描述铁矿粉气固反应流过程的宏观特征，更能表征气固相间的微观作用，而且具有并行快捷、绝对数值稳定、易于过程调控的优点。因此，离散模型的建立为气固两相流模拟研究提供了一种新手段，也为相关学科发展提供新思路，为FINEX等冶金新工艺技术研发奠定理论基础。