新型侧搅拌流化床反应器流态化炼铁过程的多元多相体系模拟及尺度放大理论

Fluidized bed reactor has proved to be an important branch of non-blast furnace iron making due to the high heat and mass transfer efficiency, simple structure and low cost. A new idea that side stirring is applied to inhibit sticking in the process of fluidized bed iron making is proposed and the fluidized bed is innovatively changed from traditional downstream mode to the countercurrent mode, in which stirring along with other new technologies such as external sound field and pulsating gas is used to reduce iron oxide powder rapidly.This study includes three parts: high temperature reduction kinetics experiment, cold physical simulation and numerical simulation. The new fluidized bed reactor is designed and made. The kinetic equations of particle reaction is coupled with fluidized bed model via material balance and the model parameters are determined by the thermal experiment and the estimation values. The coupling model of bubble size, particle size and reactor size of the new fluidized bed is obtained. According to the similarity principle, the cold model is built. Advanced techniques including PIV, high speed camera and image processing are used to obtain the phenomenological equation of operation parameters, equipment parameters and physical parameters and establish the structure-dependent multi-fluid model based on the energy minimization multiscale method. The multiscale computational fluid dynamics method is formed to simulate the coupling process of flow-transfer-reaction in the fluidized bed and the scaling up theory of multicomponent multiphase reactor is acquired.

流化床反应器传热传质效率高，设备结构简单，造价低，已成为非高炉炼铁的重要分支。本项目提出将侧搅拌应用于流态化炼铁过程抑制粘结的新思路，并创新性将流化床由传统的顺流模式改为逆流模式（即下行床），利用外加声场、脉动气流等新技术，对氧化铁粉进行快速还原。该项研究主要包括高温还原动力学实验，冷态物理模拟及数值模拟三部分。设计并制作热态新型流化床反应器，利用物料衡算把颗粒反应的动力学方程嵌入到流化床模型中，通过热态实验和对模型参数的估算确定模型参数，得到气泡尺寸，颗粒尺度与新型流化床反应器尺度间的耦合模型;根据相似原理建立冷态模型，利用PIV，高速照相，图像处理等先进技术，得到新型流化床的操作参数、设备参数以及物性参数之间的唯象方程；建立基于能量最小多尺度方法的结构多流体模型，形成整套模拟流化床流动-传递-反应耦合过程的多尺度计算流体力学方法及多元多相反应器的放大理论。

流化床反应器传热传质效率高，设备结构简单，造价低，已成为非高炉炼铁的重要分支。在流态化炼铁工艺的实际生产过程中，由于气固分布不均匀会造成腾涌、沟流、颗粒粘结甚至死床等不正常流化现象，进而会降低传热传质效率和铁矿粉还原率，不利于流化床反应器的稳定运行，容易发生事故。为了解决流化过程中的气固分布不均匀，首先就要提高流化床反应器的性能，而流化床反应器的性能在很大程度上取决于气泡行为，降低气泡尺寸可以使鼓泡流化床更加高效地运行。本课题提出将侧搅拌应用于流态化炼铁过程抑制粘结的新思路。该项研究主要包括冷态物理模拟，数值模拟以及高温实验三部分。冷态物理模拟中将气固流化床的流化质量分为两个区域进行控制，一个是分布板作用区域，另一个是搅拌作用区域，在不同区域内分别进行物理模拟实验研究，找到最佳设备参数。并在最佳设备参数下对流化床的流化质量进行因次分析，建立流化质量与其影响因素的准数关系式；数值模拟中，基于冷态侧搅拌流化床内固体颗粒的流动特性，验证数值模型的正确性。利用商业CFD软件Fluent研究了搅拌桨类型、搅拌转速、表观气速等参数对侧搅拌流化床内气泡相行为、颗粒运动与分布特性、侧搅拌鼓泡床反应器内温度分布特性的影响规律；高温实验中，以冷态物理模拟实验装置的模型数据为依据，建立热态新型侧搅拌流态化炼铁反应器，研究在不同温度、不同搅拌桨转速、不同气流量下对铁矿粉还原时间及还原率的影响。通过这些科学问题的研究，为新型侧搅拌流化床反应器的科学放大提供了理论依据和实验支撑。