在炼铁流化床反应器中，通过注入稀释氧气来模拟气体流动和颗粒行为

《Powder Technology》：Simulation of gas flow and particle behavior with diluted oxygen injection in an iron-making fluidized bed reactor

本研究采用多相粒子流固耦合（MP-PIC）方法模拟工业流化床反应器中稀释氧气燃烧器对铁颗粒气固两相流动及传热的影响，通过参数化仿真优化氧气喷射条件以降低热点区域，减少颗粒达到临界脱液态温度的比例。验证表明MP-PIC模型在实验室规模与实验数据吻合良好，但温度预测存在一定偏差。

　　在现代工业生产中，铁矿石的还原过程是制造高质量铁的关键环节。传统上，高炉是主要的生产方式，但该工艺需要大量的能源消耗，并且会产生显著的环境污染。近年来，直接还原铁（DRI）技术作为一种替代方案逐渐受到关注，它不仅减少了对焦炭的依赖，还提供了更加环保的生产路径。DRI工艺中，流化床反应器被广泛使用，其通过热气体流使铁矿石颗粒流化，并借助气体中的还原剂（如一氧化碳和氢气）进行还原反应。为了提高还原效率和产品质量，研究者们不断探索如何优化反应器内的热环境、热斑形成以及防止颗粒粘结的条件。

本文通过计算流体力学（CFD）方法，对工业规模流化床反应器中气体流动与铁矿石颗粒行为进行了系统研究。重点在于分析稀释氧燃烧器对固体颗粒加热的效果，以及不同操作参数对热斑形成和颗粒粘结风险的影响。研究采用了多相粒子-单元（MP-PIC）方法，该方法能够有效模拟大量颗粒在反应器中的行为，同时保持较高的计算效率。通过将MP-PIC方法与开源CFD软件OpenFOAM-4.x相结合，研究团队构建了一个适用于工业规模的模拟框架，并对其实验室规模的反应器进行了验证，结果与实际测量数据高度吻合。

在流化床反应器中，铁矿石颗粒的还原过程涉及多个复杂的物理和化学机制。首先，颗粒需要被加热到一定温度，以便与还原气体发生反应。其次，还原气体在颗粒表面的扩散和反应过程决定了还原效率。此外，颗粒之间的相互作用以及颗粒与反应器壁面的接触也会影响整个系统的热传递和流动特性。因此，理解这些机制并优化反应器的操作参数，对于提高生产效率和降低环境污染具有重要意义。

稀释氧燃烧器是流化床反应器中常用的加热装置，它通过将氧气与惰性气体（如氮气）混合，形成温度较低但覆盖范围较广的火焰，从而减少高温区域的形成。这种设计不仅有助于控制热斑的大小，还能降低颗粒粘结的风险。在实验中，研究人员通过调整氧气喷射速度、氮气比例和喷射角度等参数，观察其对颗粒温度分布和热斑形成的影响。结果显示，提高氧气喷射速度、增加氮气比例以及减小喷射角度，均能有效降低颗粒的最高温度和热斑的尺寸。其中，较高的喷射速度对减少超过临界粘结温度的颗粒数量尤为显著。

颗粒粘结是流化床反应器运行中常见的问题，尤其是在高温条件下，颗粒容易因热膨胀和表面反应而发生粘结，进而影响反应器的正常运行。实验研究表明，铁矿石颗粒在特定温度范围内（如673–773 K和923–973 K）会表现出明显的粘结行为。一旦颗粒温度超过这些阈值，小颗粒会迅速聚合成较大的桥接结构，从而阻塞气体通道，导致反应器床层塌陷。因此，控制颗粒温度是防止粘结的关键措施之一。

为了进一步研究颗粒粘结行为，研究人员在实验室条件下进行了等温热重分析（TGA）实验。实验发现，在纯氢气环境中，铁矿石颗粒在800°C（1073 K）以上会发生显著粘结；而在一氧化碳环境中，临界温度则提高到1050°C（1323 K），并且在此温度下，颗粒还会因孔隙生长而出现明显的膨胀现象。这些实验结果为理解颗粒粘结机制提供了重要的理论依据，并为后续的工业规模模拟提供了参考。

在实验室规模的模拟中，研究人员首先对气体相进行了稳态模拟，以评估稀释氧喷射对颗粒温度分布的影响。随后，他们进行了多相模拟，考虑了颗粒与气体之间的相互作用，以及颗粒之间的碰撞和热传递。模拟结果表明，稀释氧喷射能够有效提高颗粒的平均温度，同时减少局部高温区域的形成。这说明，通过优化燃烧器的设计和操作参数，可以显著改善流化床反应器的热分布特性，从而降低颗粒粘结的风险。

在工业规模的模拟中，研究人员进一步验证了实验室模拟的准确性。他们发现，稀释氧喷射的优化不仅能够提高颗粒的平均温度，还能显著降低颗粒粘结的可能性。这表明，工业规模的流化床反应器可以通过调整燃烧器参数，实现更均匀的温度分布，从而提高还原效率和产品质量。此外，研究还发现，颗粒的运动轨迹和相互作用对热斑的形成具有重要影响，因此，优化颗粒的流动状态也是控制热斑的关键因素之一。

综上所述，本文通过MP-PIC方法对工业规模流化床反应器中的气体流动和颗粒行为进行了系统研究，重点分析了稀释氧喷射对颗粒温度分布和热斑形成的影响。研究结果表明，通过提高喷射速度、增加氮气比例以及减小喷射角度，可以有效降低颗粒的最高温度和热斑的尺寸，从而减少颗粒粘结的风险。这些发现为优化流化床反应器的操作参数提供了理论支持，并为提高铁矿石还原效率和降低环境污染提供了可行的解决方案。