随着全球变暖、环境恶化及能源资源短缺等问题日益严重,各国制定了严格的环保减排政策,对于高能耗、高污染的钢铁行业来说更是面临巨大压力,其中高炉炼铁工序节能减排是减少钢铁企业能源消耗和CO2及其它污染物排放的重要途径。炉顶煤气循环-氧气鼓风高炉炼铁技术(简称氧气高炉)的节碳减排能力已经通过理论计算和高炉试验得到了验证。炉身喷吹部分脱除CO2并预热到一定温度的炉顶循环煤气是氧气高炉的关键特征之一,本文采用物理模型实验和DEM-CFD耦合数学模型相结合的方式,对氧气高炉内气-固两相流进行了研究,同时对影响氧气高炉炉身喷吹煤气分布特征的因素进行了研究,最后提出了未来高炉DEM-CFD耦合数学模型的发展方向。首先,依据相似原理搭建了缩小比例的氧气高炉二维冷态物理模型,并对不同高炉操作条件下尤其是氧气高炉不同操作条件下的气-固流动行为进行了模拟实验研究,结果表明:氧气高炉内固相流动的主要特征区域与传统高炉一致仍可分为四个流动区域;随着批重的增加,静止区形状有向矮胖方向发展趋势;在不同工艺条件下,处于活塞流动区域的炉料下降速度大致相同;随着炉身喷吹煤气量所占比例的增加,静止区有往瘦高方向发展的趋势。其次,结合多种数值模拟前处理软件,完成了对二维和三维高炉DEM-CFD耦合数学模型的前处理过程,主要包括实际高炉抽象出模型高炉、几何模型数据化处理、网格划分、模型局部特殊处理、控制方程确定等部分。再次,建立了与二维冷态模型相对应的DEM-CFD耦合数学模型,对前期已经完成的冷态模型实验进行简单地数值模拟,数值模拟结果表明:与实验结果一致,氧气高炉炉内仍分为四个流动区域;炉身喷吹煤气对于氧气高炉炉内固体炉料运动特征没有显著影响,数值模拟结果比物理实验结果更接近实际氧气高炉炉内颗粒运动状态;处于快速流动区域的颗粒所受到的压力较小,但是处于炉身块状区和炉缸死料柱两个区域的颗粒受挤压力较大,这两个区域颗粒挤压严重,透气性较差。进一步利用二维扁片氧气高炉DEM-CFD耦合数学模型分析了多影响因素下氧气高炉炉内的气-固两相流动特征,考察了炉料粒径、炉身风口尺寸及炉身喷吹煤气量与炉内总煤气量之比等参数对炉身喷吹煤气分布的影响,结果如下:随着炉内颗粒运动达到稳定状态,在高炉中心轴向会形成一个空隙率较低的煤气通道,利于上升煤气中心发展;在炉身喷吹煤气出口水平,喷吹煤气向中心的渗透距离最短,但随着向上流动,逐渐渗透到高炉中心;随着炉料粒径和鼓风动能的增加,炉身喷吹煤气可以更加深入到高炉中心;炉身喷吹煤气量与炉内总煤气量之比对优化喷吹煤气在炉内的分布有决定性作用;影响炉身喷吹煤气渗透距离的本质因素是炉身风口水平之上和之下的气体压力差,压力差越小,炉身喷吹煤气便可以更加深入到高炉中心。利用三维氧气高炉DEM-CFD耦合数学模型,分析了氧气高炉炉内气-固两相流特征,考虑了软熔带、回旋区等重要特征,通过改进耦合代码使颗粒数量更接近实际高炉,对三种炉身风口排布方式做了计算对比,提出最优配置。结果如下:三维模型可以消除二维模型中的壁面效应,软熔带以上的颗粒几乎全部处于活塞流动中;除了在风口回旋区及其附近,高炉边缘的固相体积分数均比中心大,利于煤气中心发展;固相体积分数在软熔带附近达到最大值(透气性最差),在软熔带部位气相单位高度压降达到最大,且煤气的流动方向经过软熔带后也发生了微小变化;当炉身喷吹煤气的水平速度增加到一定程度,由于其和上升煤气的强烈碰撞,其会出现向下流动的趋势,不利于充分利用;炉身风口最优的排布方式为炉身风口和炉缸风口等数量,且炉身风口处于炉缸风口两两之间,该方式可以为全炉提供更加合理的热分布。将三维模型建模思路移植到二维扁片模型中,建立了氧气高炉复杂二维DEM-CFD耦合模型,炉料粒径进一步减小,研究结果如下:复杂二维模型中,固相体积分数与三维模型相比有所提高,炉内透气性变差;炉身上部与三维模型一致出现了矿石颗粒和焦炭颗粒的分层现象,但在炉身中下部时炉料的分层现象相较于三维模型提前消失;复杂二维模型在相同的炉身喷吹煤气比例下,相较于简单二维模型,炉身水平喷吹煤气更难以达到高炉中心,边缘特征刚好相反。复杂二维模型与之前模型相比准确性得到提高。氧气高炉的DEM-CFD耦合模型未来的发展重点应该在以下几个方面:逐渐加入气-固换热、颗粒下降过程粒径变化及软熔带颗粒收缩等更接近实际高炉的模型和控制方程;更为先进的DEM-CFD耦合模型,应该考虑加入液相、气-固-液多相间反应、反应进程-颗粒参数耦合模型等。氧气高炉仿真模型的完善离不开实验室研究及工业试验研究基础数据的支持,同样也依赖于计算方法和计算机能力的改进。