单层下行反应器内气固流动特性及其对氢矿物相变装备工艺控制的指导意义

为解决难选铁矿资源高效开发与氢矿物相变装备工艺优化问题，东北大学韩跃新团队针对单层下行反应器(SDR)开展冷态实验研究，揭示了床层压降脉动信号"拐点"与流态化实现的关键关联，阐明了反应腔内颗粒浓度梯度分布规律及操作参数对表观浓度的影响。该研究为下行式氢矿物相变装备实现"三通一反"提供了理论依据，成果发表于《Powder Technology》。

　　

钢铁工业作为国家战略支柱产业，其命脉——铁矿资源却面临严峻挑战。中国铁矿禀赋差、难选矿占比高，年进口额超千亿美元，资源安全岌岌可危。传统流态化磁化焙烧虽能处理难选铁矿，但物料与能量利用效率亟待突破。在此背景下，东北大学提出的氢矿物相变技术(Hydrogen Mineral Phase Transformation)成为新突破口，而实现该技术核心装备——多层流化床下行式反应器高效运行的关键，在于精确掌控其基本单元单层下行反应器(Single-layer Downstream Reactor, SDR)内的气固流动特性。

研究团队通过冷态实验系统探究SDR内气固流动行为。采用赤铁矿与石英配比混合料作为床料，在初始床高90mm条件下，结合压力脉动信号分析(采样频率80Hz)、能量频域解析等技术手段，揭示了操作参数与流动特性的定量关系。特别关注了工业级规模下(进料速率55kg/h，流化气速0.030m/s)床层动态演变规律。

表征稳定工况下的床层状态与溢流特性
实验发现床层压降脉动信号出现"拐点"是实现床层流动的关键标志。当赤铁矿占比60%-100%时，压降曲线均呈现先升后降的抛物线特征，拐点对应床层由固定态向流态化转变的临界状态。通过快速傅里叶变换(FFT)分析发现，气固流动使能量集中频域扩展至0-3.5Hz，显著宽于简单流态化的频带范围。

反应腔内颗粒分布规律
三维浓度监测显示：进料端、中部区域与排料端的颗粒浓度呈阶梯式递减，这种浓度梯度构成床料流动的驱动力。定量分析表明，表观颗粒浓度与进料速率呈正相关(最大增幅达18.7%)，与流化气速呈负相关，当气速超过0.035m/s时会导致床层过度膨胀。

工艺控制启示
该研究首次阐明下行结构反应器内"拐点"信号与流动状态的对应关系，为工业装置在线监测提供了可靠指标。提出的浓度梯度驱动理论解释了床料定向流动机制，而操作参数-浓度关联模型可直接指导氢矿物相变装备的工艺优化。研究团队特别指出，维持0-3.5Hz特征频域是保证反应器"三通一反"(气相通、固相通、热相通及逆向流动)稳定运行的重要判据。

这项由韩跃新教授团队主导的研究，通过多尺度实验分析揭示了SDR内气固流动的本质规律，不仅为下行式氢矿物相变装备的工程放大奠定理论基础，更对提升我国难选铁矿资源利用率具有战略意义。研究获得国家重点研发计划(2021YFC2901000)、国家自然科学基金(52474284)等项目的支持，相关成果为破解铁矿资源"卡脖子"难题提供了创新解决方案。