根据我国钢铁行业的发展现状,目前急需要一种具有生产效率高、环境污染少、产品质量好等优点的炼铁工艺来替代现有的能耗高、污染严重、产品质量低的炼铁工艺。气基直接还原炼铁工艺除具有以上优点外,而且生产流程短、杂质含量少从而逐渐成为国内外研究的热点。在此背景下本文对气基直接还原工艺的主体设备竖炉的温度场和流场进行了模拟研究。从还原气利用率和达到预定温度两个方面对竖炉内的最小需气量进行了理论计算,确定了球团矿的需气量。并对直接还原竖炉内球团矿的热平衡进行了计算。通过DEM-CFD耦合的方法对球团矿的通风阻力进行了模拟,得到的拟合方程用于球团矿通风阻力的计算。采用计算流体软件FLUENT建立了竖炉的气固传热模型。将球团矿简化为多孔介质,物料的运动采用滑移网格模拟,还原反应采用三步反应参与计算,得到氢气直接还原铁竖炉还原段的温度场,同时也能够得出还原产物随高度的变化情况,并计算出还原气的热效率。结果表明:在一定范围内,随着氢气气量的增加还原段温度梯度逐渐变窄,炉顶气温度逐渐升高,并且还原气的热效率逐渐降低。简化的竖炉还原段气固传热模型适用于氢气直接还原竖炉还原段温度场的预测以及炉内反应产物的分析。通过DEM-CFD耦合方法对竖炉不同的床层条件进行了数值分析,研究了气体流场的变化规律。结果表明倒“V”形床层结构,可以有利于降低料层上部中心气流的速度,延长气体的停留时间,保持竖炉内温度,同时也有利于减少粉尘的带出。颗粒的直径大小对竖炉内气体的流速变化有一定的影响。随着颗粒直径的增大,竖炉内气体的速度和波动幅度逐渐增加,但速度的增加幅度会随着颗粒直径的增大逐渐减小。鼓风速度的增加对气体速度分布影响较大。当竖炉的下行速度是1~2m/h时,竖炉内的流场和静止状态相比变化不大。