Fe2O3還原過(guò)程中氣固反應(yīng)流的格子氣自動(dòng)機(jī)模擬研究.pdf

1、CO高溫還原Fe2O3的過(guò)程是冶金還原過(guò)程中最具代表性的基本反應(yīng)過(guò)程，探究該過(guò)程的還原反應(yīng)特性、反應(yīng)機(jī)理對(duì)冶金反應(yīng)器設(shè)計(jì)、工藝過(guò)程的優(yōu)化意義重大。該過(guò)程是多步反應(yīng)過(guò)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(gè)階段構(gòu)成，因其涉及流動(dòng)、傳熱等傳遞過(guò)程的耦合，給研究帶來(lái)了一定的難度。針對(duì)該過(guò)程，本文基于格子氣自動(dòng)機(jī)方法構(gòu)建了一種單步反應(yīng)流模型，運(yùn)用該模型對(duì)CO還原Fe2O3的過(guò)程進(jìn)行了逐級(jí)模擬研

2、究，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。針對(duì)氣固反應(yīng)過(guò)程的多環(huán)節(jié)耦合問(wèn)題，借鑒了多物質(zhì)、多能態(tài)的反應(yīng)物和產(chǎn)物氣體屬性標(biāo)示方式，采用固體顆粒邊界節(jié)點(diǎn)周圍氣體粒子的屬性，來(lái)表達(dá)該區(qū)域內(nèi)的反應(yīng)氣體的濃度、溫度等性質(zhì)，結(jié)合該種性質(zhì)設(shè)計(jì)氣固反應(yīng)概率，建立氣固反應(yīng)流的格子氣元胞自動(dòng)機(jī)模型，以CO還原FeO的數(shù)值算例為對(duì)象，驗(yàn)證了模型的合理性與實(shí)用性。
　　本研究基于前文所構(gòu)建的氣固反應(yīng)流模型，著重對(duì)Fe2O3到Fe3O4的反應(yīng)過(guò)程展開模擬研究，得到了不同

3、反應(yīng)條件下還原反應(yīng)特性和顆粒反應(yīng)界面變化規(guī)律。結(jié)果表明：當(dāng)溫度、濃度升高時(shí)，還原速率增快，完全反應(yīng)所需的時(shí)間縮短，顆粒反應(yīng)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(dāng)顆粒半徑、管道入口寬度增大時(shí)，還原的速率減慢，顆粒完全反應(yīng)所需的時(shí)間增大。此外，當(dāng)管道的高度增大時(shí)，對(duì)反應(yīng)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(guò)微型流化床研究了CO還原Fe2O3的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性，結(jié)合所構(gòu)建的氣固反

4、應(yīng)流模型對(duì)Fe2O3還原過(guò)程中Fe3O4轉(zhuǎn)化為FeO、FeO轉(zhuǎn)化為Fe的單步還原過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算，嘗試通過(guò)單步反應(yīng)串聯(lián)組合的方式對(duì)還原過(guò)程的多步反應(yīng)進(jìn)行耦合。結(jié)果表明：反應(yīng)溫度越高，反應(yīng)還原速率越大；表觀活化能會(huì)隨著反應(yīng)的進(jìn)行呈現(xiàn)出先增大后減小再增大的變化趨勢(shì)；高溫Fe2O3轉(zhuǎn)化為Fe的過(guò)程每個(gè)單步反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，在反應(yīng)的初始階段Fe2O3轉(zhuǎn)化為Fe3O4的反應(yīng)最先發(fā)生，F(xiàn)e3O4轉(zhuǎn)化為FeO反應(yīng)速率比FeO轉(zhuǎn)化為Fe反應(yīng)速率快，F(xiàn)e2