钢铁行业是一个高消耗、高污染行业,钢铁生产流程中产生的冶金粉尘是主要的污染源之一。冶金粉尘中含有铁、碳、锌等元素,具有回收利用价值。目前,回收冶金粉尘中有价元素的主要方法是将粉尘收集后返回烧结工艺,制成烧结矿,作为高炉炼铁的原料,回收粉尘中的铁、碳元素。但是由于粉尘中的锌易挥发,会在高炉中循环富集,影响高炉操作,降低高炉寿命。因此,只有少量低锌粉尘能采取这种方法处理,大量的粉尘由于得不到有效处理,只能采取堆放或者填埋处置。这样的处置方式不仅占用了大量的土地面积,而且还会带来一系列环境问题。随着环保政策的日益严格,寻找一种适合处理钢铁行业冶金粉尘的工艺变得越来越迫切。转底炉直接还原工艺在处理冶金粉尘方面有诸多优点,不仅可以有效回收粉尘中的铁、碳、锌资源,而且该工艺可靠性高、易于操作和维护、工艺灵活、二次污染小、投资省,得到国内外钢铁行业的广泛关注。转底炉的工作过程十分复杂,涉及到炉底含碳球团的直接还原、炉内烟气的流动、传热传质、煤气的燃烧等,目前对该工艺的研究还不是很充分,进一步开展相关的研究工作对钢铁行业的可持续发展具有重要意义。本文采用数值模拟手段,通过建立相关数学模型来系统研究转底炉直接还原工艺。首先,以冶金粉尘含碳球团为研究对象,建立了单个含碳球团直接还原过程一维非稳态数学模型。在模型中考虑了球团还原过程中的传热传质,铁氧化物的还原、氧化锌的还原、碳气化反应,孔隙率和物性参数的变化。模型控制方程的离散采用控制容积积分法,离散方程的求解采用TDMA算法。为了验证模型的正确性,本文搭建了含碳球团直接还原实验平台,实验中采用化学分析方法得到球团还原过程中化学成分的变化,模型计算结果和实验结果吻合较好,说明本文建立的单球模型是可信的。模型计算结果表明：在含碳球团直接还原过程中,球团表面和中心点存在温差。反应初始阶段,含碳球团直径越小,金属化率和脱锌率升高得越快,反应后期,含碳球团金属化率随着球团直径的减小而降低,球团直径对最终脱锌率的影响小于对最终金属化率的影响。碳氧比为0.6-1.0时,随着碳氧比的升高,球团最终金属化率明显升高。当球团碳氧比为1.0-1.2时,增大球团碳氧比,球团金属化率升高幅度降低,碳氧比对球团脱锌率的影响不明显。在本文的计算条件下,影响球团金属化率的主要因素按其重要程度排序依次为：炉膛温度,球团直径,反应时间,碳氧比；影响球团脱锌率的主要因素按其重要程度排序依次为：炉膛温度,反应时间,球团直径,碳氧比。其次,在详细分析了料层在转底炉中传热特点的基础上,以单个含碳球团直接还原数学模型为基础,建立了料层直接还原过程数学模型。在模型中不仅考虑了含碳球团还原过程中的传热传质、化学反应、孔隙率和物性参数的变化,还考虑了上层球团对下层球团的辐射遮蔽效应以及炉底对底层球团的加热作用。控制方程的离散采用控制容积积分法,离散方程的求解采用交替方向隐式算法。模型计算结果表明：义排方式有利于提高料层的平均温度,从而提高料层金属化率和脱锌率。随着炉膛温度的升高,料层金属化率迅速增加,温度对料层脱锌率的影响比对金属化率的影响要小。不同层含碳球团的还原是不同步的,随着加热时间的延长,不同层含碳球团金属化率和脱锌率的差距逐渐缩小。料层脱锌反应同步性要优于铁氧化物还原反应,在实际工业应用中,如果工艺只对冶金粉尘脱锌率有较高的要求,可以适当缩短加热时间和提高料层厚度,不仅可以降低能耗,提高转底炉产能,还可以防止由于加热时间过长造成上层球团再氧化现象的发生。最后,以某公司试验转底炉为研究对象,建立了转底炉内冶金粉尘含碳球团直接还原过程耦合数学模型。该耦合数学模型包括两个子模型,分别是料层直接还原过程子模型和炉膛传热传质与燃烧过程子模型。耦合模型中将炉底料层假设成与之厚度相同的多孔介质,并且.将料层还原吸收的热量和释放的CO气体作为多孔介质区域的源项。反应吸热量和CO释放量通过料层直接还原过程子模型计算,并借助CFD商业软件Fluent二次开发平台,采用C语言编写用户自定义函数(UDF),将料层反应吸热量和产生的CO气体作为炉膛传热传质及燃烧过程子模型的能量源项和质量源项。通过对比模型计算结果和现场测试结果验证了模型的正确性。模型计算结果表明：测试工况下,炉膛上部烟气流速高于料层附近烟气流速,并且从烧嘴喷口喷出的气体倾斜向上,这对维持料层附近的还原性气氛是有利的。炉膛内部会出现烟气回流,这有利于CO的二次燃烧。由于料层反应过程吸热会造成炉底料层附近温度偏低。炉膛内的CO主要集中在还原1段、还原2段的炉膛底部。当球团碳氧比为0.6-1.0时,球团还原过程中释放出的CO气体量和反应吸收的热量随球团碳氧比的增加而明显增加,当球团碳氧比达到1.0后继续增加球团碳氧比对提高CO的释放量和反应吸热量的影响不明显。在不改变炉膛空、煤气供入量的条件下,碳氧比为0.6工况下的炉膛温度小于碳氧比为0.8-1.2的工况,碳氧比为0.8工况下的炉膛温度略小于碳氧比为1.0的工况,碳氧比为1.0和1.2两种工况下,炉膛温度几乎相同。本文的研究工作为转底炉的设计及工艺的优化奠定了理论基础,也为转底炉直接还原工艺在我国的发展和成熟提供了技术指导。