直接还原铁是一种优质的炼钢原料,其成分稳定,有害杂质元素含量低,可以作为电炉炼钢的原料和转炉炼钢的冷却剂。尽管中国的天然气资源有限,不足以用来规模发展直接还原铁工业,但可以充分利用煤中的碳氢化合物资源,将其高效改质成富氢多元还原气,进而生产直接还原铁,并实现二氧化碳的减排。本文以铁精矿为研究对象,利用热重法,进行多组元富氢气体直接还原实验研究。论文首先通过热力学计算了改质焦炉煤气直接还原铁矿石流程中的铁氧化物还原与碳沉积条件,理论分析了碳沉积的热力学条件(碳活度、反应温度与含碳析出相组成等)。之后,通过研究单一气体(H2与CO)和富氢混合气体直接还原铁矿石,获得气体还原铁矿石物相转变规律,并进行了动力学分析。针对铁矿石还原过程的碳沉积问题展开了相关研究,并对矿石的破碎现象进行了机理解释。在此基础上建立数学模型,以改质焦炉煤气为气源,对竖炉还原部分进行了数值模拟。通过热力学计算分析了铁氧化物还原过程中的气体成分、气体利用率、气体用量等参数。计算了 C-H-O平衡体系下石墨的析出线与Fe3C的生成线。结果表明,以焦炉煤气为气源进行直接还原铁生产的碳沉积不可避免。对于铁基材料,计算了 CO-CO2体系与CO-H2-H2O体系不同温度与压力下的碳沉积区域。结果表明根据反应气体成分与温度,可以预测碳沉积产物的成分。铁矿石等温还原及动力学研究表明:反应速率随着温度的升高而加快。铁矿石球团的还原过程是逐级进行的。在整个还原过程中,FeO→Fe还原速率最慢,成为整个还原过程的限制性环节。H2的还原速率明显快于CO的还原速率。但随着温度的升高,H2还原产物出现致密铁层,阻碍了气体扩散,导致在700～900℃出现了还原速率的迟滞现象。CO还原过程生成的铁会促进碳沉积,由于碳颗粒分散在金属铁颗粒之间,阻碍了金属铁颗粒的互相粘连,造成CO还原产物的金相结构疏松多孔,有利于还原气在产物层中的内扩散。H2/CO = 8/2的混合气体可以获得与纯H2相当的还原速率,产物形貌介于两者之间,改善了H2高温还原过程中致密层影响还原速率的问题。当温度高于900 ℃时,球团表面产生明显的裂纹,随着还原温度的升高,裂纹变宽。CO气氛还原的产物裂纹更明显,H2/CO= 8/2混合气体的还原产物裂纹明显改善,裂纹介于H2与CO还原之间。动力学计算表明,该组分气体的表观活化能低于纯H2的表观活化能。因此H2/CO= 8/2混合气体可作为替代纯H2的气体组分比例。铁矿石在CO气氛还原过程中,铁氧化物还原与碳沉积相互作用,碳沉积发生在铁生成后。400～800 ℃碳沉积速率较快,当温度高于900 ℃,碳沉积反应基本停止。粒度小的矿粉更易于碳沉积,产物主要物相为Fe3C与石墨。碳沉积受铁微观结构的影响,比表面积大的还原铁更易于碳沉积。碳势是碳沉积的驱动力,只有当气相碳势大于1时才能发生碳沉积。在H2-CO混合气体中比纯CO更加容易碳沉积。少量的H2会促进了 CO的歧化反应。然而,当H2过多时对碳析出起抑制作用。当H2含量大于20%时,碳沉积量随混合气体中CO浓度越加而增高。对还原铁表面碳析出的路径进行阐述,提出了碳沉积过程中铁矿石破碎模型,描述了碳沉积过程铁颗粒破碎的过程。Fe3C在碳沉积过程中起到中间产物的作用,对碳沉积起促进作用。渗碳体参与的碳沉积会产生大量的碳沉积。提出了改质焦炉煤气直接还原铁矿石流程,流程包括净焦炉煤气改质与竖炉直接还原两部分。对改质焦炉煤气的成分及改质条件进行了讨论,综合考虑各个参数及生产可行性,给出最佳重整温度与O/CH4值。对竖炉还原铁矿石进行了数值模拟。结果表明选择适当的工艺参数,采用改质焦炉煤气作为铁矿石直接还原用气源是完全可行的。