发展直接还原铁生产是我国摆脱焦煤资源短缺羁绊、改善钢铁能源结构和产品结构、解决废钢资源短缺、实现资源综合利用、坚持钢铁产业可持续发展的重要途径之一。相比其它直接还原工艺,气基竖炉直接还原技术凭借其还原速度快、产品质量稳定、自动化程度高、单机产能大、工序能耗低等优点成为世界直接还原铁生产的主流工艺。随着气基竖炉直接还原工艺的不断创新,结合现有成熟的煤气化工艺,以煤制合成气为还原剂的竖炉直接还原技术是天然气资源不足而非焦煤资源丰富的中国发展直接还原铁生产的主导方向。尽管煤制气-气基竖炉直接还原技术是煤气化工艺和竖炉工艺两个成熟技术的组合,在理论上是可靠的,但实际实施过程中还存在诸多关键技术问题,包括：基于国内煤资源条件选择合理的煤制气工艺、基于国内铁矿资源制备气基竖炉用优质氧化球团、球团还原膨胀机理分析及性能改善、气基竖炉直接还原热力学及动力学机理研究、气基竖炉直接还原过程物质流和能量流分析等。为此,本文围绕煤制气-气基竖炉直接还原工艺以上关键技术问题进行了系统研究,并将其应用于硼铁矿高效清洁化综合利用。在全面把握现有煤气化工艺特征的基础上,结合竖炉还原工艺的需求,通过单指标横向对比和多指标综合加权评分法,综合投资成本、氧耗、煤耗、冷煤气转化效率、煤气中CO/H2、煤气氧化度、煤气中有效还原气含量、净热效率、碳转化率、单炉产能等指标,对Lurgi、Ende、Texaco和Shell四种主要煤气化技术进行定量化评价。结果表明,Shell气流床干粉煤加压气化法和Ende流化床粉煤常压气化法较适于作为气基竖炉直接还原用煤气的生产技术。基于国内铁矿资源,进行了气基竖炉直接还原用球团制备及冶金性能测试研究。结果表明,选用胶质价、膨胀容和吸水率较高的膨润土为黏结剂,生球性能和成品球抗压强度更高。在兼顾球团强度和品位的同时,膨润土的适宜添加量为1%。实验制备的三种铁矿球团综合性能良好,各项指标均满足气基竖炉实际生产的要求。基于国内铁矿资源,配加适宜黏结剂,选取合理工艺参数,能够得到气基竖炉直接还原用优质球团。鉴于球团的还原膨胀性能是决定竖炉内气流能否合理分布、生产是否顺行的最关键指标,本文在实施球团气基直接还原实验的同时,探索了温度、气氛以及脉石组分对球团还原膨胀的影响,并研究了硼镁复合添加剂改善球团还原膨胀性能的可行性。结果表明,随着气氛中H2含量的增加和还原温度的降低,球团还原膨胀率减小。CO气氛下球团内铁晶粒的絮状析出形态、渗碳反应以及还原反应热效应是导致球团还原膨胀率剧增的主要因素。球团中包含适宜量的CaO、SiO2和MgO有利于焙烧时产生渣相黏结,形成稳定的晶体结构,降低还原膨胀率。适宜量的硼镁复合添加剂改善了球团的还原膨胀性能,提高了球团还原冷却后强度。基于热力学原理和未反应核模型,系统分析球团气固还原反应热力学和动力学机理,获取煤气理论利用率计算式和还原反应速率解析式。结果表明,还原煤气中H2/CO大于1和温度高于800℃时,煤气利用率随H2/CO的增大和还原温度的升高而增大；随着还原产物渗碳量的增加、金属化率的升高和煤气氧势的增大而降低。在850-1050℃之间,随着还原气氛中H2含量的增加,反应的活化能逐渐降低,导致还原反应速率加快；但超过50%后,H2含量的增加对加速还原反应的影响逐渐减弱。H2气氛下,反应活化能为27.444 kJ/mol,界面反应为还原过程的限制性环节；CO气氛下,反应活化能为39.907 kJ/mol,反应初期界面反应阻力占优,随着还原的不断深入和产物层的逐渐增厚,在还原率达20%以后,内扩散阻力占据主导,成为主要限制性环节。通过物料平衡和能量平衡计算,分析气基竖炉直接还原过程物质流和能量流,并创建竖炉炯评价模型,解析气基竖炉直接还原过程的能量转换机制。结果表明,炉顶煤气中有效还原气体(H2+CO)含50%以上,若将其循环利用,可降低冶炼吨直接还原铁一半的煤气需求量。热支出中超过50%的热被炉顶煤气带走,而用于铁氧化物还原的耗热不到20%。气基竖炉直接还原炼铁90%的输入(火用)来源于还原煤气的化学炯,与高炉炼铁相比,冶炼吨铁需要输入的炯值更少。在炉顶煤气循环利用时,目的炯效率高达76%。随着还原煤气中H2/CO的升高、煤气量的减小、煤气温度的降低、出铁温度的上升以及直接还原铁渗碳量的增加,炉顶煤气温度逐渐下降,能量利用率逐渐升高。最后,将竖炉直接还原-电炉熔分新工艺应用于硼铁矿高效清洁综合利用,结果表明,新工艺实现了硼和铁的高效分离,硼收得率达95%,获得了活性达85%的高品位富硼渣。