总结我国钢铁行业的发展现状，可知气基直接还原炼铁工艺是适合我国钢铁行业的发展途径，特别是煤制气——竖炉炼铁工艺的提出，为我国钢铁行业的发展指明了方向。气基直接还原工艺具有生产效率高、产品质量好、环境污染小、不依赖焦煤资源的诸多优点，但目前我国尚不存在用于工业化生产的气基直接还原工艺。该工艺发展缓慢主要原因是我国天然气资源匮乏，煤制气——竖炉工艺的出现，使我国发展气基竖炉直接还原工艺成为了可能。气基竖炉是铁矿石与还原气发生还原反应的场所，是气基直接还原工艺的核心设备，研究气基竖炉设备对促进气基直接还原工艺的发展有着重要意义。本文通过参考国外的Midrex、HYL等竖炉设备提出了竖炉炉型设计的基本参数，并对各参数进行了分析，找到了影响各参数的因素。通过对各因素的研究，结合设计范例建立了竖炉部分结构参数的表达式，提出了一套竖炉的设计方法。分析表明：球团矿的还原性和还原膨胀性对气基直接还原竖炉的还原段高度和炉身角起着决定性作用，设计中需对两者综合考虑，同时也要兼顾炉料的传输规律。通过直接还原实验研究了模拟条件下球团矿的还原性和还原膨胀性，实验结果表明：球团矿散料层在模拟的实验条件下还原约3小时，平均还原度即可达到97%以上，且还原过程中还原膨胀率先增大后减小。采用颗粒离散元仿真分析软件EDEM分析了还原段颗粒物料的运动规律，仿真结果表明：炉料下降速度从竖炉心部到边缘沿着径向逐渐减小，且卸料机转速和适当的炉身角对炉料下降速度分布规律的影响很小。结合实验数据和仿真结果得出了还原段高度和还原段内型曲线的表达式，研究结果表明：基于特定原始参数和该套设计方法而得到的还原段炉型曲线，从上到下由三段拟合线段组成。在极端简化的条件下，建立冷却段一维气-固换热数学模型，求得冷却段气固温度场的解析解和冷却段高度的表达式；将DRI颗粒散料层看作多孔介质，建立了竖炉冷却段三维物理模型，采用多孔介质的局部非热平衡模型对冷却段气-固换热过程进行数值模拟，利用计算流体动力学软件ANSYS FLUENT进行求解。模拟过程中通过对几何模型的结构优化，得到了炉身角的研究方法。研究结果表明：冷却段需要设置合理的炉身角才能保证心部物料的冷却效果，且当冷却气从边缘进入竖炉时，合理的冷却段气流分布是心部气流速度大于边缘气流速度。