1 前言

为实现碳中和社会，钢铁生产中H₂的利用不可或缺。若以H₂替代传统的碳基还原剂，便可直接减少CO₂排放量。然而，与CO还原为放热反应不同，H₂还原为吸热反应，且反应速率较高，因此其还原过程特性将发生显著变化。为了构建高效且稳定的还原工艺及其运行方案，有必要定量掌握整个工艺流程的热质平衡、工艺内部的物流与反应进程，以及作为反应物的铁矿石块状物料的反应特性等各维度特征。本研究旨在通过数值模拟，针对单一铁矿石颗粒和H₂还原竖炉这两个尺度的现象，把握其热流动及反应特性。

2 分析方法

2.1 单一矿石颗粒的还原解析模型

为估算单一铁矿石颗粒内还原过程的进行情况，以三维非稳态气相扩散方程为基础，将其与因还原作用导致气相组分消失和扩散这一生成项相结合，进而分析了颗粒内部的成分分布。铁矿石的还原过程采用假设为针对还原组分的一级反应的体积基准反应速率方程，以追踪颗粒各处局部反应的进展。此外，假定颗粒内部的气相组分与固相具有相同的温度，应用针对固相的三维非稳态热传导方程，并将反应热作为生成项加以考虑，从而同时解析了随反应进程变化的颗粒内部温度分布。

2.2 竖炉的热流分析模型

针对竖炉，采用了将装入物颗粒群视为虚拟连续体的两相处理方法。在此方法中，气体和装入物分别被视作独立相，并且每相均由多种化学物质构成。竖炉模型的基础方程包括各相的连续性方程、运动方程（分速度方向的动量守恒方程）、热平衡方程以及化学组分的平衡方程。此外，还考虑了两相之间的反应及反应热，以及两相间的热量与物质交换作为生成项。对于气相，还计入了装入物填充层内的流动阻力。通过联立求解上述所有基础方程，即可获得炉内组分、温度和流动阻力的分布情况。

3 分析结果

3.1 单一矿石颗粒的还原分析

针对直径为15mm的球形矿石颗粒（初始成分为Fe₂O₃），在温度为1083K条件下进行了还原过程的解析。还原气氛分别设定为CO和H₂。图1比较展示了两种条件下还原率均达到50%时，矿石颗粒内部固体组分的分布情况。本分析采用三维方式进行，但为了便于理解，以半径方向的一维分布形式呈现了各组分的含量分布。由CO还原所形成的组分分布中，各组分的分布曲线在图中几乎呈垂直状态，除靠近界面的区域外，每处仅存在一种组分。这种分布表明各阶段的还原反应在极狭窄的区域内，即以界面反应的形式进行。与此相反，由H₂还原所形成的分布中，各组分的含量分布曲线则呈现出平缓的坡度分布，多个组分在较大范围内共存，尤其在颗粒中心部位，可明显观察到Fe₂O₃、Fe₃O₄和FeO三种组分同时存在。这种分布特征表明，各阶段的还原反应均以空间扩展的方式进行。基于上述情况，CO还原过程较适合采用传统还原反应分析中广泛使用的未反应核模型；对于H₂还原，在使用未反应核模型进行反应解析和反应行为推测时需要加以注意。

3.2 竖炉的热流分析

针对高20m、半径2.13m的圆筒形竖炉，开展了热流与反应分析（图2）。作为还原气体，将温度1203K的H₂以流量32.8m³/s从高度10.25m的位置吹入；作为冷却气体，将温度316K的N2以流量15.7m³/s从高度0.25m的位置吹入。此外，在高度5.25m的位置进行冷却气体的排气。装入物从炉顶以温度303K装入，下降速度为0.7mm/s。在上述工况下，装料的还原反应主要发生在竖炉的上部，但在中部却出现了升温与还原反应滞后现象。这被认为是由于从炉底部吹入的还原气体向上部行进所致。

4 结论

本研究通过多维多尺度数值模拟，揭示了H₂还原铁矿石颗粒与传统CO还原在反应机理上的本质区别。微观层面，H₂还原呈现出显著的空间扩展反应特征，与CO的界面反应模式截然不同，这表明传统未反应核模型不适用于氢还原过程的精确描述。宏观层面，竖炉模拟结果表明，装入物的还原主要集中在炉身上部，且受底部吹入气体流动的影响，炉体中段易出现升温滞后与反应迟缓现象。上述结果证实，氢还原过程的热质平衡与反应动力学具有独特的多尺度耦合特性，这为构建高效稳定的氢基竖炉还原工艺提供了重要的理论依据与数据支撑。