近些年,全球气候变化、资源短缺等问题日益突出,节能减排已成为全世界面临的巨大挑战。钢铁冶金占工业CO2排放及能耗的15%左右。高炉作为钢铁生产的重要单元仍无法在短期内被替代,而高炉CO2排放占钢铁工业的70%左右。减少高炉碳输入是CO2减排的核心,可通过富氢及循环炉顶煤气等操作实现高炉炼铁低碳化。本文在喷吹工艺层面解析并构建了高炉低碳化炼铁流程;揭示回旋区物理化学特征及影响规律,为回旋区调控提供依据;设计新型风口喷吹机构,获得煤粉与还原气共喷吹流动燃烧行为,为高炉风口喷吹试验提供指导。首先,建立高炉分区热质平衡模型,获得了高炉富氧富氢合理操作区及节碳潜力。研究表明高炉富氧操作可提高风口理论燃烧温度,降低炉顶煤气温度,提高生产率;风口富氢可大幅降低铁的直接还原度,减少碳素消耗;高炉富氧富氢工艺可有效降低碳输入,但能量输入增加,炉顶煤气热值升高;而顶煤气循环氧气高炉耦合富氢喷吹不仅可实现高炉碳输入大幅减少,还降低了高炉能量输入;顶煤气循环氧气高炉耦合氢气喷吹可减碳23.2%,节能9.1%。然后,基于欧拉多相流理论,建立了高炉下部的气固流动耦合化学反应三维瞬态模型,研究了回旋区演化过程、形状尺寸、气固流动特征,获得了风口喷吹参数对回旋区的影响规律,为高炉回旋区调控提供依据。研究表明回旋区内颗粒进行快速的逆时针循环流动,而下部颗粒进行缓慢的顺时针运动;回旋区化学边界大于其物理边界;在相同鼓风流量下,富氧可有效促进回旋区的扩展,其尺寸大幅增加;随着风口气体速度的增加,回旋区的尺寸大幅增加;风口喷吹角度的增加,降低了风口水平轴线上的气体动能,因此回旋区深度明显缩小,而高度和宽度略有增加;在相同气体流量及氧气条件下,CO喷吹对回旋区物理深度的扩展有一定促进作用,但并不显著;H2喷吹降低了风口气体动能,回旋区尺寸减小。为指导高炉风口试验喷吹,建立了气粉流动燃烧三维数值模型,模拟了1580m3高炉风口富氧喷吹煤粉及煤层气的流动燃烧过程。研究表明随着煤层气喷吹量增加,煤粉燃尽率下降;CH4燃烧消耗了O2,抑制了煤粉挥发分燃烧以及固定碳与O2的反应,最终降低了固定碳的反应率,这揭示了煤层气与煤粉竞争燃烧过程;随着鼓风富氧量增加,煤粉燃尽率有所增加,但并不显著;随着喷煤量的减少,煤粉燃尽率有所提高;在25.8%O2鼓风条件下,喷吹煤层气80Nm3/tHM,喷煤比从153.4Kg/tHM降至133.4Kg/tHM时,未燃煤粉量与传统工况相当。针对430m3高炉30%、40%、50%氧气鼓风喷吹脱碳煤气流程,设计了五类喷吹机构,分别是套筒式喷枪-传统风口、单喷枪-贯通式风口、单喷枪-半贯通式风口、套筒式喷枪-贯通式风口、套筒式喷枪-半贯通式风口,模拟获得了煤粉及煤气流动燃烧特征。研究表明喷吹脱碳煤气的回旋区气相峰值温度都高于传统高炉;套筒式煤气/煤粉喷枪不适用于大量喷吹脱碳煤气;套筒式氧/煤喷枪喷吹氧气在一定程度可促进煤粉燃烧,但随着氧气喷吹量增加,其对煤粉升温的抑制效应大于燃烧的益处;贯通式风口输气管喷吹需保证氧气与煤粉、煤气充分混合扩散燃烧,才有利于煤粉燃尽率提升。针对顶煤气循环氧气高炉（430m3）喷吹工艺,高温煤气与氧气反应放热促进了煤粉后期的升温及固定碳的反应,煤粉燃尽率都比传统高炉高。在套筒式氧/煤喷枪-贯通式风口喷吹机构,回旋区出口煤粉燃尽率比传统高炉高22.3%。使用单喷枪-贯通式风口喷吹机构将所有氧气直接注入回旋区,可避免风口内产生局部高温区,煤粉燃尽率仅为58.8%,比传统高炉工况高6.8%。与顶煤气循环氧气高炉喷吹工况相比,其风口耦合甲烷喷吹消耗了氧气并产生了大量H2O,不利于煤粉中固定碳与O2的燃烧反应放热,这最终导致煤粉燃尽率下降。