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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X<0.11的Fe2O3→Fe3O4单步反应、0.11
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