随着全球工业的快速发展,气候变化、资源和环境问题已成为全球面临的最大挑战。钢铁工业是国民经济的重要基础产业,同时也是耗能大户,其中炼铁工序的能耗占钢铁流程总能耗的60%以上,所以推进炼铁工业绿色发展成为节能减排的关键。目前炼铁反应器内普遍存在煤气化学能未能充分利用的问题,造成这一现象的根本原因在于反应器内煤气物理能和化学能严重不匹配。尤其是对于采用富氢煤气的直接还原竖炉而言,氢还原吸热导致炉内热需求大幅上升,使得为满足热平衡不得不通入大量热煤气,造成炉内新鲜煤气量大、炉顶煤气还原势高、煤气利用率低、能耗高等问题。针对这一问题,本文首先设计了竖炉炉顶煤气循环工艺（TGR工艺）,旨在加强碳和氢元素的利用。其次提出了上部吹氧竖炉新工艺（内部燃烧吹氧DOB和外部燃烧吹氧IOB工艺）,在竖炉上部适当位置,吹入适当量的氧气,通过燃烧部分含有CO和H2的混合煤气,将过剩的化学能转换为物理能,打破只依赖煤气物理热的局限,降低由热平衡限制的煤气需要量,提高炉内上部温度和还原反应速度,从本质上提高煤气利用率,降低系统总能耗。最后结合上部吹氧和炉顶煤气循环工艺特点,设计了上部吹氧和炉顶煤气循环相结合的竖炉工艺（OB-TGR工艺）。本文通过建立静态工艺模型、一维动力学模型和二维动力学模型对所选工艺进行数值模拟分析和优化工艺评价。研究成果为直接还原竖炉乃至其他炼铁工艺的进一步优化和开发提供理论和实践基础。论文研究的主要内容和结论如下:（1）建立了直接还原竖炉的静态工艺模型,考察了不同竖炉工艺的物料和热量收支情况,并得到较优的竖炉工艺。TGR工艺中,TGR2竖炉的炉顶煤气还原势和系统总能耗最低,能量利用率最高,CO2排放量也相对较低。因此TGR2为TGR工艺中的较优工艺。上部吹氧工艺吹氧量分别为13.21,24.99,16.41 m3·tDRI-1。内部燃烧吹氧工艺由于目前工业技术的局限,应用于现阶段实际生产还存在困难。在外部燃烧吹氧工艺中,IOB2竖炉的炉顶煤气还原势、CO2排放量和系统总能耗较IOB1竖炉均有所降低,因此IOB2为上部吹氧工艺中的较优工艺。在吹氧+TGR工艺中,上部吹氧量分别为35.39,19.90,34.22 m3·DRI-1,吹氧+TGR2竖炉的炉顶煤气还原势、系统总能耗和CO2排放量最低,能量利用率最高,因此吹氧+TGR2为吹氧+TGR工艺中的较优工艺。（2）以静态工艺模型的模拟结果作为操作条件建立了一维动力学模型,对所选较优工艺进行数值模拟。TGR2竖炉海绵铁金属化率较传统竖炉降低1.96%。IOB2竖炉上部吹气位置为炉深4.75 m处（浮士体开始被还原的位置）。由于上部入炉煤气的还原势较低,导致上部空间煤气还原势过低,抑制了浮士体的还原,因此海绵铁的金属化率较传统竖炉降低15.21%,无法满足生产要求。吹氧+TGR2竖炉的上部吹气位置为炉深3.83 m处,上部高温高还原势煤气的加入,提高了还原段上部温度和煤气还原势,从而改善了炉内还原反应动力学条件,提高了还原反应速度,使得炉顶附近区域浮士体还原的煤气盈余显著降低,煤气化学能得到有效利用,炉顶煤气还原势较传统竖炉明显降低,海绵铁的金属化率较传统竖炉也有所升高。加之该工艺在所选较优工艺中系统总能耗最低,煤气利用率最高,因此吹氧+TGR2为本文所考察所有竖炉工艺中的最佳工艺。（3）以静态工艺模型和一维动力学模型模拟结果为操作条件建立了二维动力学模型,对吹氧+TGR2竖炉进行数值模拟,研究各参数在炉内不同高度上的径向分布。吹氧+TGR2竖炉上部高温高还原势煤气的加入,可以有效改善还原段上部炉壁附近区域的煤气流动,提高该区域气固温度和煤气还原势,从而改善该区域还原反应动力学条件,提高浮士体还原反应速度,炉顶附近区域浮士体还原的煤气盈余显著降低,炉顶煤气还原势较传统竖炉降低8.38%,煤气利用率较传统竖炉提高3.91%,还原段炉壁附近区域的金属化率较传统竖炉明显升高,产品金属化率平均值较传统竖炉升高1.97%。但由于该工艺对上部中心区域煤气流分布影响较小,且加剧了下部中心区域煤气流欠发展的程度,还原段中心区域煤气还原势较传统竖炉降低,反应动力学条件变差,浮士体的还原反应受到抑制,因此还原段底部中心位置海绵铁金属化率较传统竖炉有所降低,产品金属化率均匀性有所变差。