流化床中铁矿石粉还原过程的团聚行为数值模拟及非粘性添加剂抑制机制研究

针对流化床直接还原铁矿石粉过程中颗粒团聚和失流态化难题，研究人员通过建立CFD-DEM耦合模型，揭示了高温下固体桥接力的动态作用机制，发现添加15%非粘性颗粒可显著降低团聚体比例和尺寸，拓展操作气速与温度窗口，为清洁炼铁技术优化提供理论支撑。

　　

在钢铁工业面临高能耗、高污染挑战的背景下，流化床直接还原铁矿石粉技术因其短流程、低排放优势被视为清洁炼铁的未来方向。然而这一技术长期受困于颗粒高温团聚引发的失流态化现象——还原过程中新生铁原子在颗粒表面形成固体桥接（solid bridge），导致颗粒黏结成团，最终使流化床"冻结"瘫痪。以往研究虽发现提高气速、添加搅拌装置等方法可缓解团聚，但存在能耗增加或设备复杂化等弊端。如何在不改变反应器结构的前提下实现高效抑制，成为突破技术瓶颈的关键。

研究人员通过建立创新的CFD（计算流体力学）-DEM（离散元法）耦合模型，首次实现了对还原铁矿石粉流化过程中固体桥接力动态演变的精确刻画。该模型创新性地引入时间-温度双变量固体桥接力方程，并采用准二维流化床几何简化计算（80×8×0.384 mm）。通过对比有无固体桥接力的工况，发现瞬时桥接力与碰撞频率共同决定团聚程度：在948 K和0.45 m/s标准工况下，未添加抑制剂时床层内迅速形成直径超5 mm的大团聚体，而添加15%非粘性颗粒后团聚体比例下降60%，平均尺寸缩小至2 mm以下。

关键技术包括：1）基于Mikami方程的固体桥接力动态模型；2）粗粒化DEM算法降低计算量；3）多参数耦合分析（温度898-998 K、气速0.3-0.75 m/s、添加剂比例5-20%）。研究特别验证了非粘性添加剂的"隔离效应"：这些颗粒插入铁矿石粉接触界面，既阻断固体桥接形成，又通过增强碰撞动能破坏初始团聚核。值得注意的是，添加剂使最低稳定流化气速从0.4 m/s降至0.3 m/s，最高工作温度提升50 K，这意味反应器可在更节能的工况下稳定运行。

结论部分指出，该研究不仅阐明固体桥接力主导的团聚动力学机制，更确立非粘性添加剂的最优添加比例（15%）与操作窗口拓展规律。相比传统机械搅拌方案，这一"化学修饰"策略无需改造设备即可提升流化稳定性，对实现工业化连续生产具有重要指导价值。论文成果发表于《Powder Technology》，为发展绿色冶金技术提供了突破性的数值研究范式。