气-固两相反应流广泛存在于自然现象和工业过程当中,涉及复杂的动量、热量及质量传输过程和化学反应过程（简称“三传一反”）,是冶金、化工、能源等过程工程领域的关键共性科学问题。研究气-固两相反应过程在宏观及介观尺度下的物理化学现象,对于揭示气-固两相反应流传输过程及化学反应的基本规律和耦合机制意义重大。而铁氧化物流态化还原过程是典型的气-固两相反应流问题,其还原过程复杂,表现出多步反应动力学特性,深入研究铁氧化物多步还原动力学特性的形成及演化机理有助于气-固两相反应流模型的建立和完善,同时对深入认识过程工业相关反应过程的本质,促进工程技术的应用和发展具有重要意义。通过对气-固两相反应流宏观物理化学行为和微观（介观）运动本质的分析,提出了一种基于气体粒子-固体颗粒之间的微观（介观）相互作用、“三传一反”过程的自组织演化和介观运行及调控机制的气-固两相反应流的元胞自动机模拟方法。该方法通过对气体粒子属性的离散化处理来描述其有限的物质种类和能量状态;通过统计离散节点处的动量、物质种类和能量状态来得到气-固两相反应流系统的宏观物理化学特征参数;并基于质量守恒、动量守恒、能量守恒和组分守恒等基本定律,从介观尺度出发,运用元胞自动机思想及格子气理论,建立了气-固两相的单速、多能态、多物质和化学反应的格子气元胞自动机模型,在不求解宏观控制方程组的条件下,得到传递现象和化学反应过程的演化特性。运用热力学及反应动力学理论分析了化学反应过程的控制机理;通过对多组分扩散、圆柱表面绕流及传热、简单均相化学反应动力学、无固体生成的气-固反应过程、有固体生成的气-固反应过程和多孔固体与气体的反应过程的模拟,分析了不同界面化学反应概率、固体产物内的气体扩散概率、反应气体浓度、反应气体温度等反应条件下的气-固反应过程特性,并与相关的数理模型计算结果进行了比较,验证了气-固两相反应流的格子气元胞自动机模型的可行性和适用性;运用随机四参数多孔介质生成算法,研究了介观尺度下复杂结构的生成及特性表征,分析了多孔复杂结构的影响因素,探讨了气-固两相反应流复杂系统中气相反应物与产物粒子在固体颗粒表面及内部结构中的扩散、传热和化学反应的作用原理,揭示了气-固两相反应过程的介观特征、传输过程与化学反应的耦合机制。采用微型流化床反应分析系统,实验研究了铁矿粉及纯铁氧化物在不同还原气浓度、不同表观气速、不同温度条件下的流态化等温还原动力学特性,并运用传统动力学分析方法,即模型匹配法和等还原度法对实验数据进行处理,结果显示常用的动力学模型不能准确、详细地获得铁矿粉及铁氧化物还原过程特性,并且发现还原过程的表观活化能会随着转化率的增大而发生变化,说明铁氧化物的还原过程具有多步反应动力学特性;基于Johnson-Mehl-Avrami（JMA）方程,建立了多步反应模型,运用SPSS数学分析工具对实验数据进行分析,并用SEM/EDS和XRD等检测技术对不同还原阶段的还原产物进行检测,验证了还原过程中Fe₂O₃→Fe₃O₄、Fe₃O₄→FeO和FeO→Fe的并行反应特性,获得了各单步反应在还原过程中的演化规律和动力学参数,从新的视角对铁氧化物还原过程多步反应的物理化学特性进行了更准确的表达。基于铁矿粉及铁氧化物还原动力学实验研究,运用多组分、多能态格子气元胞自动机模型,设计了铁氧化物还原反应过程的控制参数,深入研究了铁氧化物还原过程中产物气体浓度、固体形貌和颗粒内部转化率及金属化率等过程特性随时间和空间的演化规律,分析了气体成分、单步反应概率、反应限制性环节等反应条件对还原过程特性的影响,并进一步应用到了多组分气体与多层铁氧化物颗粒的反应过程,讨论了由无孔隙与多孔颗粒组成的固定床层的反应特性。结果表明当单步反应概率相同且内扩散过程为限制性环节时,化学反应只发生在一个界面上,并逐渐向固体中心收缩,符合收缩未反应核模型的描述,而当单步反应概率存在差异并且界面化学反应成为限制性环节时,化学反应将发生在一个Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO和Fe共存的环形过渡区域内,与一定条件下铁氧化物还原实验研究发现的反应特性相符,揭示了铁氧化物多步还原过程特性的形成机理和演化规律,不仅能获得宏观特征,还能描述微观作用,同时具有计算并行、绝对数值稳定等优点,为气-固两相反应流的模拟研究提供了一种新思路和新手段。