H₂作为还原剂在竖炉内生产直接还原铁,可降低炼铁过程中的碳耗并减少CO₂排放。H₂还原具有速率快的特点,但反应为吸热效应,需消耗过量还原气以保证热量供给,从而导致能耗增大,还原气利用率降低。本文围绕如何更有效的利用氢气进行铁矿石还原这一核心,采用理论分析、实验研究与数值模拟相结合的方法,对氢气还原竖炉内气固反应及炉料运动行为进行综合研究,为开发新型氢气直接还原技术提供理论基础。首先以氢气直接还原过程为研究对象,根据质量能量守恒定律,建立物料平衡热平衡计算模型,分析物质流和能量流的变化,探讨还原气组成、温度以及物料热装温度等因素对还原气综合利用率以及能耗的影响,研究表明H₂中配入一定比例的N₂或CH₄,提高还原气或炉料温度,均能降低还原气量,提高有效气体利用率并减少还原过程能耗,该研究结果为有效促进氢气在直接还原铁生产中的应用提供了理论依据,为后续还原实验的设计及实施提供了研究基础。为分析N₂配入对H₂还原过程的影响,明确氧化球团在氢气直接还原竖炉内的反应行为,在75%H₂-25%N₂气氛不同温度条件下进行了氧化球团恒温还原实验,实测失重曲线,采用未反应核模型进行动力学研究,并分析了还原产物抗压强度、还原粉化性以及微观组织结构的变化。研究表明N₂配入使氢气还原速率略有降低,但还原速率常数仍保持在同一数量级。还原过程为化学反应控速,适当提高温度能有效提高还原速率。为模拟实际竖炉内的还原气氛,建立了分段升温并调整还原气成分的实验机制。同时考虑氢气竖炉的原料适应性和多样性,对二次资源转炉污泥还原性能进行实验研究,并与煤基还原进行对比,研究表明氢气还原条件下,还原速率快,金属化率较高,但还原后的金属化球团抗压强度略低。上述研究为还原数值模拟提供了参考数据。为更全面深入的了解氢气直接还原竖炉内反应过程及特性,在理论计算和动力学实验的基础上,采用有限体积法建立二维轴对称模型,对竖炉还原段内的氢气逐级还原过程进行数值模拟,分析了炉内气固相组分的分布,研究表明氢气竖炉与传统Midrex竖炉相比,还原速率高,可有效降低竖炉还原段高度,并进一步验证了配入N₂,提高还原气或物料温度对提高氢气利用率的作用。物料运动行为直接影响到竖炉内反应及生产效率,为此本文通过离散单元法建立竖炉内炉料颗粒运动三维模型,针对不同高度条件下炉内物料运动行为进行模拟仿真。研究表明氢气竖炉由于高度较低,下层物料运动速率分布不均匀性更显著,在竖炉下部,物料下降速率由中心向边缘处逐渐降低,在此基础上提出并验证了通过调整螺旋输送机叶片直径来有效改善氢气竖炉内物料运动速率分布均匀性的方法,为氢气直接还原竖炉炉型及设备设计优化提供理论指导。