气基直接还原竖炉工艺可有效降低钢铁生产过程中的能源消耗、CO₂和污染排放,并且可以降低对焦炭的依赖。气基直接还原竖炉的本质为高温气固逆流换热反应装置,竖炉内物料下行及还原气流场是否合理直接影响到竖炉的生产效率、产品质量和稳定性。而竖炉内物料下行及还原气流场受竖炉炉型、炉顶布料、球团矿化学反应等因素影响。针对这些问题本文进行以下几方面的研究:对竖炉炉型及操作对竖炉内球团矿颗粒下行速度分布的影响进行研究,结合离散单元法和计算流体动力学建立气基直接还原竖炉三维模型。通过引入散体动力学理论和Janssen理论对结果进行分析。得到不同气流速度、竖炉高度、直径、炉腹角和炉身角对竖炉内球团矿颗粒下行速度分布的影响规律。研究结果为竖炉炉型设计提供了理论参考。为研究竖炉炉顶布料对竖炉内颗粒分布及空隙率分布的影响规律。基于离散单元法建立挡板布料器和溜槽布料器竖炉炉顶布料模型,得到了挡板布料器和溜槽布料器中不同因素对颗粒分布和空隙率分布影响规律,发现竖炉内空隙率分布无法直接由颗粒分布得到,仅研究颗粒分布具有一定的局限性。综合对比分析,得到颗粒分布与空隙率分布之间的一定关系,为后续研究提供了参考依据。为研究气基直接还原竖炉内流固耦合问题,基于计算流体动力学对流场进行计算。计算中将竖炉内球团矿料层简化为多孔介质模型。通过实验方法得到在模拟竖炉氛围下球团矿的还原度和还原膨胀率随时间的变化规律。结合实验结果和上述两方面的研究结果,提出假设从而推导计算竖炉内空隙率分布。计算竖炉内惯性阻力系数和粘性阻力系数分布的回归方程,并通过编程导入计算模型中,从而得到考虑布料操作、物料下行速度分布及颗粒化学反应情况下气基直接还原竖炉内流场分布。根据上面的研究结果,提出双还原段竖炉,计算得到满足化学反应时所需的还原气量与满足竖炉内达到预定温度所需的还原气量以及辅助还原段最小还原段底部进气量。计算不同条件下双还原段竖炉还原段内流场变化,并与现有竖炉还原段内流场进行对比。发现双还原段竖炉可有效降低进气口处压强和所需风机功率,并对竖炉内流场具有一定的调节作用。