铁矿物还原的几个宏观动力学问题

Aiming at the rate characterization of the processes of gas-solid reduction of multi-mineral iron ore, diffusion of multi-component gas mixture with chemical reaction, and carbon-iron ore solid-solid reduction involving a reacting gas flow, the mechanisms of the processes will be respectively studied with theoretical analysis and kinetic experiments. The corresponding macroscopic and/or mesoscopic kinetic models will be established, including the macro/meso kinetic models for gas-solid reduction of multi-mineral iron ore, the calculation model for diffusion coefficients of multi-component gases, the full kinetic model for the reduction of iron ore with multi-component reacting gases, and the overall kinetic model for the carbon-iron ore solid-solid reduction involving a reacting gas flow. The results of the project can not only be directly used to study the reduction processes of iron ore, but also has its general scientific and methodological significance for the study of similar gas-solid reaction processes, leading to an important contribution to the development of macro kinetics. The results can also be used in the numerical simulation, design and operation optimization of related metallurgical reactors.

针对非均质多矿相铁矿物的还原、多组元气体体系（包括耦合有化学反应的体系）的扩散和有反应气体通过的固体碳与铁矿物的固固还原过程这三方面的问题，通过理论分析和动力学实验，对相关的过程机理进行解析，建立起相关的宏/介观完整动力学模型，即非均质多矿相铁矿物气固还原过程的宏/介观动力学模型、多组元气体体系扩散系数计算模型、考虑气相反应和多组元气体扩散的混合还原气还原铁矿物过程的完整动力学模型、考虑有多组元反应气体通过的固体碳与铁矿物的固固还原过程的综合宏观动力学模型。项目成果不仅可直接用于对铁矿物还原过程的研究，而且对类似的气固反应过程的研究有着普遍的科学问题和研究方法方面的意义，将对冶金宏观动力学的发展做出贡献。项目成果可用于相关冶金过程和反应器的数值模拟和设计操作优化。

本项目针对非均质多矿相铁矿物的还原、（包括耦合有化学反应的）多组元气体体系的扩散和有反应气体通过的固体碳与铁矿物的固固还原过程三方面的问题，通过理论分析和动力学实验，对相关的过程机理进行了解析，并建立了相应的（宏/介观）完整动力学模型。非均质多矿相铁矿物的还原方面，制备了含铁铝尖晶石的赤铁矿球团，并开展了大跨度CO/H2比例和铁铝尖晶石含量条件下的铁矿球团还原动力学实验。实验结果表明，不同含铁矿相颗粒的反应进程不同。因此，提出了将每种含铁矿相颗粒单独处理，借鉴现有微粒模型，基于叠加不同颗粒还原速率构建多颗粒微粒模型的建模思路。以双矿相含铁矿物为例，就双颗粒微粒模型的建立过程进行了详细的介绍和推导。多组元气体体系的扩散方面，以精确描述复杂多组元体系传质过程的Maxwell-Stefan关系式为基础，建立了与其耦合的铁矿物气固还原动力学模型。开展了仅考虑二元互扩散系数DAB引入偏差的定量计算。研究结果表明，无论是CO-CO2-N2体系还是H2-H2O-N2体系下，仅考虑DAB所引入的误差均随着气相主体中N2体积、铁矿物还原度以及温度的增加而增大。CO+H2还原气条件下，仅考虑DAB所计算的CO还原速率偏小，H2还原速率偏大，总速率偏大，并且这些偏差随矿石还原度的提高和固体产物层结构参数的减小而增大。对某一组元（CO或H2）的还原速率而言，仅考虑DAB所计算的偏差随该组元含量的增加而减小。对总速率而言，各组元含量越接近，偏差越大。与之相反，各组元含量差异越大，偏差越小。有反应气体通过的固体碳与铁矿物的固固还原方面，考虑外部碳源，对气固反应、固固反应和涉及各组元的气体均相反应的速率进行相应表征，最终耦合多组元气体扩散系数的计算模型和多颗粒微粒模型，建立了有混合煤气流通过的固固还原过程的宏观动力学模型。本项目所建立的系列模型可直接用于对铁矿物还原过程的研究，对理解和表征炼铁反应器内的现象和过程具有不可替代的理论指导意义，也是开发炼铁反应器的数值模拟和工艺数学模型不可或缺的模型基础。