Fe2O3還原過程中氣固反應流的格子氣自動機模擬研究.pdf

1、CO高溫還原Fe2O3的過程是冶金還原過程中最具代表性的基本反應過程，探究該過程的還原反應特性、反應機理對冶金反應器設計、工藝過程的優(yōu)化意義重大。該過程是多步反應過程，一般分為 Fe2O3轉(zhuǎn)化為 Fe3O4、Fe3O4轉(zhuǎn)化為 FeO、FeO轉(zhuǎn)化為Fe這三個階段構(gòu)成，因其涉及流動、傳熱等傳遞過程的耦合，給研究帶來了一定的難度。針對該過程，本文基于格子氣自動機方法構(gòu)建了一種單步反應流模型，運用該模型對CO還原Fe2O3的過程進行了逐級模擬研

2、究，并結(jié)合實驗進行對比分析。針對氣固反應過程的多環(huán)節(jié)耦合問題，借鑒了多物質(zhì)、多能態(tài)的反應物和產(chǎn)物氣體屬性標示方式，采用固體顆粒邊界節(jié)點周圍氣體粒子的屬性，來表達該區(qū)域內(nèi)的反應氣體的濃度、溫度等性質(zhì)，結(jié)合該種性質(zhì)設計氣固反應概率，建立氣固反應流的格子氣元胞自動機模型，以CO還原FeO的數(shù)值算例為對象，驗證了模型的合理性與實用性。
　　本研究基于前文所構(gòu)建的氣固反應流模型，著重對Fe2O3到Fe3O4的反應過程展開模擬研究，得到了不同

3、反應條件下還原反應特性和顆粒反應界面變化規(guī)律。結(jié)果表明：當溫度、濃度升高時，還原速率增快，完全反應所需的時間縮短，顆粒反應界面收縮呈現(xiàn)的非均勻性結(jié)構(gòu)更加明顯，且顆粒界面靠近氣體入口處被還原的程度明顯高于其余部位；當顆粒半徑、管道入口寬度增大時，還原的速率減慢，顆粒完全反應所需的時間增大。此外，當管道的高度增大時，對反應速率的影響不明顯，該變化規(guī)律與宏觀規(guī)律相吻合。通過微型流化床研究了CO還原Fe2O3的反應動力學特性，結(jié)合所構(gòu)建的氣固反

4、應流模型對Fe2O3還原過程中Fe3O4轉(zhuǎn)化為FeO、FeO轉(zhuǎn)化為Fe的單步還原過程進行了模擬計算，嘗試通過單步反應串聯(lián)組合的方式對還原過程的多步反應進行耦合。結(jié)果表明：反應溫度越高，反應還原速率越大；表觀活化能會隨著反應的進行呈現(xiàn)出先增大后減小再增大的變化趨勢；高溫Fe2O3轉(zhuǎn)化為Fe的過程每個單步反應同時發(fā)生，在反應的初始階段Fe2O3轉(zhuǎn)化為Fe3O4的反應最先發(fā)生，F(xiàn)e3O4轉(zhuǎn)化為FeO反應速率比FeO轉(zhuǎn)化為Fe反應速率快，F(xiàn)e2