氢气作为一种还原性很强的清洁能源,应用于直接还原工艺中有效的减少了二氧化碳的排放量。随着制氢技术的成熟,氢气直接还原工艺的研究变得非常有意义。本文根据氢气还原铁矿石的化学平衡和热平衡方程,计算了还原气最小需气量。研究表明当使用纯氢气作为还原剂时,需气量较传统直接还原工艺显著增多,氢气利用率降低;当还原气中配入氮气或甲烷时,需气量均减小,但配入甲烷时的需气量显著减少,导致还原气中含氢量很低。本文基于CFD三维竖炉模型,将氧化铁矿料层简化为多孔介质模拟分析了炉顶还原尾气出口压强、炉顶还原尾气出口大小、竖炉还原段高度、支管直径大小、支管长度、炉顶单双还原尾气出口和还原段单双还原气入口这七个因素对竖炉还原段内流场的影响。然后根据前期研究结果将三维竖炉模型近似简化为二维薄片模型,为了更准确的研究还原段内的流场,采用计算流体动力学和离散单元法相耦合的方法（CFD-DEM）,根据相似原理将球团颗粒放大四倍进一步模拟分析了竖炉还原段直径、通入还原气量、竖炉还原段炉身角和竖炉支管倾斜角度这四个因素对炉内流场的影响。通过上述研究得到设备参数和工艺参数对竖炉还原段内气流分布的影响情况,为竖炉设计提供参考。最后假设球团矿含Fe₂O₃量100%,还原反应分三步进行,建立CFD二维竖炉模型,采用滑移网格代替物料下行近似模拟研究了还原气（纯H₂）中配入氮气或甲烷对物料金属化率和温度场的影响。研究表明还原气中配入氮气或甲烷使物料沿高度方向的金属化率降低,还原尾气出口温度升高,且配入CH₄后对物料金属化率和还原温度的影响较大。