1.采用高（gāo）炉新（xīn）工艺减少CO2排（pái）放

目前，高（gāo）炉采（cǎi）取热风热送，热风中的氮起热（rè）传递的作用，但对还原不起作用。氧气高炉炼铁（tiě）工艺（yì）是（shì）从风口吹（chuī）入冷氧气，随（suí）着还（hái）原气体浓度的升高，能够提（tí）高高炉的还原（yuán）功（gōng）能。由于气体单耗的下降和（hé）还原速度的提（tí）高，因此如果产量一定，高炉（lú）内容积就可比目前高炉（lú）减小（xiǎo）1/3，还有助（zhù）于缓（huǎn）解（jiě）原料（liào）强度（dù）等条件的制约。

国（guó）外（wài）进（jìn）行了一（yī）些氧气（qì）高炉炼铁的试验（yàn），但都停留在理论研（yán）究。日本已采用试验（yàn）高（gāo）炉进行了高炉吹氧炼铁实验和在实际高炉进行氧（yǎng）气（qì）燃烧器的燃烧实验。大量（liàng）的制（zhì）氧会增加电耗，这也是（shì）一个需（xū）要研究的课题。但（dàn）是（shì），由于炉顶气（qì）体中的氮是游离氮，有助于高炉内气体的循（xún）环，且（qiě）由于气体（tǐ）量少、CO2分压高，因此CO2的分离（lí）比（bǐ）目前（qián）的高炉容易。将来在可进行工业规模CO2分（fèn）离的情况下，可以大（dà）幅（fú）度减少CO2的排放。如果能开发出能源效率（lǜ）比目（mù）前的（de）深冷分离更（gèng）好的制氧方（fāng）法，将会得到更高的好评。

对氧气高炉炼铁工艺、以（yǐ）氧气高炉（lú）为基础再加上CO2分离（lí）及炉顶气体循环的炼铁工艺进行了比较（jiào）。两种工（gōng）艺都喷（pēn）吹大量的粉煤（méi）作为辅助还原（yuán）剂。由于高炉（lú）上部（bù）没有起热（rè）传递作用的氮，热量不（bú）足，因此要（yào）喷吹循环气体。以（yǐ）氧气高炉（lú）为基础再加上CO2分（fèn）离（lí）及炉顶气（qì）体循（xún）环的炼铁工艺，在去除高炉炉顶气体中（zhōng）的CO2后，再将其从炉身（shēn）上（shàng）部或风口吹入，可提高还原能力。对未利用（yòng）的还（hái）原气（qì）体进行再利用，可大幅（fú）度削减（jiǎn）输入碳的量（liàng），可大幅度减（jiǎn）少CO2排放。高炉内的还（hái）原变化，可（kě）分（fèn）为CO气（qì）体还原、氢还原和固体碳的直（zhí）接（jiē）还原，在普（pǔ）通高炉中它们（men）的还原率分别为60%、10%和30%。如果对炉顶（dǐng）气（qì）体进行（háng）CO2分离，并循环利（lì）用CO气体，就能提高（gāo）气（qì）体的还原功能，使直接还原比（bǐ）率降至10%左右（yòu），从而（ér）降低还原剂比。

为降低焦比，在外部制造（zào）还原气体（tǐ）再吹入高炉内（nèi）的想法很早就有，日本从20世纪70年代就进行技（jì）术开发，主要有FTG法和NKG法（fǎ）。前者是通过重油的部分（fèn）氧化制（zhì）造还（hái）原气体再从（cóng）高炉炉身上（shàng）部（bù）吹入；后（hòu）者（zhě）是用（yòng）高（gāo）炉炉顶（dǐng）煤气中的CO2对焦（jiāo）炉煤（méi）气中的甲烷进行改质后作（zuò）为高温还原气体吹（chuī）入高炉。这（zhè）些（xiē）工艺技术的原本目（mù）的就是要大幅度（dù）降低焦比，它们（men）与炉顶煤气（qì）循环在技术方（fāng）面（miàn）有（yǒu）许多共同点（diǎn）和参考之处。已（yǐ）对高（gāo）炉（lú）内煤气的渗透进行了广泛的研究，如模型计算和炉（lú）身煤气喷吹（chuī）等。

在以氧气高（gāo）炉外加CO2分离并进行炉顶煤气循环工艺为基础的整个（gè）炼铁厂的CO2产生量中（zhōng），根（gēn）据模（mó）型计算可（kě）知利（lì）用炉顶煤气循环可将高炉还原（yuán）剂比降（jiàng）到434kg/t。由于不需要热风炉，因此可（kě）减少该工序产（chǎn）生的CO2。但另（lìng）一方面，由于制氧消耗的电力会使（shǐ）电厂增（zēng）加CO2的产生量。总的（de）来说（shuō），可以减少（shǎo）CO2排放（fàng）9%。如果在制氧过程中能使用外部产生（shēng）的清洁能源（yuán），削减CO2的效（xiào）果会进（jìn）一步增大。

这些技（jì）术的发展趋势因循环煤气量的分配（pèi）和供给（gěi）下道（dào）工序能源设定的不同（tóng）而不同，其中还包（bāo）括了其它的条件（jiàn）。

采用模（mó）拟（nǐ）模（mó）型求出的CO2削（xuē）减率的变化。

上部基准线为输（shū）入碳的削减率。如（rú）果能（néng）排除因CO2分离而固（gù）定的CO2，作为出口侧基准（zhǔn）线（xiàn）的（de）CO2就能减少大（dà）约（yuē）50%。也就（jiù）是说，如（rú）果能从单纯的CO2分离向CO2的输送、存贮和固定进行展（zhǎn）开，就（jiù）能大幅度削减CO2。但是，为（wéi）同时减少供给下道工序的（de）能（néng）源，因此（cǐ）同时（shí）对下道工序进行节能是很重要的。在一般炼铁厂的下道（dào）工序中需要0.8-1.0Gcal/t的能源，在考（kǎo）虑补（bǔ）充能源的情况下（xià），***好使（shǐ）用与碳无关的能源。如果能忽略供给下道工序的能源（yuán），***大限（xiàn）度地使用生（shēng）产（chǎn）中（zhōng）所产生的气（qì）体，如炉顶煤气的循环利用（yòng）等，就可以减少（shǎo）大约25%的输入碳。这相当于欧洲ULCOS的（de）新型高炉（NBF）的目标。

2.炉顶煤（méi）气（qì）循环利用和氢气利用的评价

为减少CO2排放（fàng），日本政府（fǔ）正（zhèng）在积（jī）极推（tuī）进COURSE50项（xiàng）目。所谓COURSE50项（xiàng）目（mù）就是通过采用创新技（jì）术减少（shǎo）CO2排放（fàng），并分离、回收CO2，50指目标年是（shì）2050年。

炉顶煤气（qì）循环利用和氢（qīng）气利用（yòng）的工艺是由对焦炉煤气中（zhōng）的甲烷进行水蒸汽改质、使（shǐ）氢（qīng）增加并利用这种氢进行还原的方法和从高炉炉顶煤气中分离CO2再将炉顶煤气循环（huán）利用于高炉的（de）工艺构成。在利用氢时由（yóu）于制氢需要（yào）消耗很（hěn）多的能（néng）源，因此总（zǒng）的工艺（yì）评价产生了问题，但（dàn）该工艺能通过利用焦（jiāo）炉煤气的显（xiǎn）热来补充水（shuǐ）蒸汽改（gǎi）质所需的热（rè）能。计（jì）算结果表明，由于CO2的（de）分离、固定和氢（qīng）的利用，高（gāo）炉炼铁可（kě）减少CO2排放（fàng）30%。氢还原的优（yōu）点（diǎn）是还原（yuán）速（sù）度快（kuài）。但（dàn）由（yóu）于氢还（hái）原是吸热反（fǎn）应，与CO还（hái）原（yuán）不同，因此（cǐ）必须注意（yì）氢（qīng）还（hái）原（yuán）扩大时高炉上部的热平衡。根据理查德图对从风口喷吹氢时的热平衡进行了（le）计算。结果可知，当从风（fēng）口（kǒu）喷吹的氢还原（yuán）率（lǜ）比普通操作倍增时，由于氢还原的吸热（rè）反应和（hé）风口回旋区（qū）温（wēn）度保（bǎo）障需要而要求（qiú）富氧鼓风（fēng）的影响，高炉上部气体的供给（gěi）热能（néng）和固体侧所（suǒ）需的热能没有多余，接近热（rè）能（néng）移动的操（cāo）作极限，因此难以大量（liàng）利用氢。如（rú）果高炉具备（bèi）还原气体的制造功能，并能使用天（tiān）然气或焦（jiāo）炉煤气等氢（qīng）系气体，那么利用气体中（zhōng）的C成分就能达到热平衡，还能分享到氢还原的好处。在各种气体中，天然气是***好的气体（tǐ）。在一面从外（wài）部补充（chōng）热能，一面制（zhì）氢（qīng）的工（gōng）艺研究中（zhōng）还（hái）包含（hán）了优化喷吹量（liàng）和优化喷吹位（wèi）置等课题。

高炉内的还原可（kě）分为CO气体间接还原、氢还原和直接还（hái）原，根据其还原的分（fèn）配比可以明确还原（yuán）平衡控制、炉顶煤气循环或氢还原强化（huà）的（de）方向。根据模型计算可（kě）知，在普（pǔ）通高（gāo）炉基本条件下，CO间（jiān）接还原为62%、氢还原为（wéi）11%、直接还原为（wéi）27%。

在氧（yǎng）气（qì）高炉的基础（chǔ）上对炉顶煤气进（jìn）行CO2分离，由（yóu）此可提（tí）高返（fǎn）回高炉内的CO气体的还原能力，此时虽然CO气体的还原能力会因循环气体量（liàng）分配的（de）不同而不（bú）同，但CO还原会提高到大（dà）约（yuē）80%，直接（jiē）还原（yuán）会（huì）下降到10%以下。根据喷（pēn）吹的（de）氢系气体如（rú）COG、天然气和（hé）氢的计算（suàn）结（jié）果（guǒ）可知，在氢还（hái）原加强的情况下，会（huì）出现氢还原增加、直（zhí）接还原下降的情况。另一方面（miàn），循环气体（tǐ）的（de）上下运动（dòng）会使输入碳减少，实现低碳炼铁（tiě）的目标。另外，当还原气体都是从炉身部吹入时，其在炉内的浸透和扩（kuò）散会影响到还原效果。根据（jù）模型计算（suàn）可知，气体的渗透受（shòu）动量平衡的控制。采用CH4对CO2进行改质（zhì），并以炉（lú）顶煤气中的CO2作（zuò）为改质源（yuán），还原气（qì）体的性状不会偏（piān）向氢（qīng）。

从CO2总（zǒng）产（chǎn）生量***小（xiǎo）的观点来（lái）看（kàn），在炉顶煤气循环和氧气高炉的基础上（shàng），还要考虑喷吹还原气体时的工（gōng）艺优化。在2050年实现（xiàn）COURSE50项目后，为（wéi）追（zhuī）求新的（de）炼铁工艺，还必须对热风高炉的基础概念做进一步的研究。

3.欧洲ULCOS

ULCOS是一（yī）个由欧洲15国48家（jiā）企业和（hé）研究（jiū）机构共（gòng）同参与的研（yán）究（jiū）课（kè）题，始于2004年，它（tā）以欧盟旗下的煤（méi）与钢（gāng）研究基金（RFCS基金）推进研究。

该研究课题由（yóu）9个子课题构成，技术（shù）研究（jiū）范围很广，甚（shèn）至（zhì）包括了电解法炼铁工艺研（yán）究。重点（diǎn）是高炉（lú）炉顶煤（méi）气循环为特（tè）征的（de）新型高炉（NBF）、熔融还（hái）原（HIsarna）和（hé）直接还原工艺的研究（jiū）。当（dāng）前，在（zài）推进这些研（yán）究的同时，要全（quán）力做好未来削减CO2排（pái）放50%目标的***佳工艺的研究。目前，研究的核心课题是NBF。根据还原气体（tǐ）的再加热（rè）、还原气体的喷吹位置（zhì），对（duì）4种（zhǒng）模型进行了研究。

作（zuò）为NBF工艺的验证，采用了瑞典的（de）MEFOS试验（yàn）高炉（炉内容积8m3），从（cóng）2007年9月开（kāi）始（shǐ）进行6周NBF实际操作试验。在两（liǎng）种模型条件下，用VPSA对（duì）炉顶（dǐng）煤气中的CO2进行吸附分离，然后（hòu）从高炉风口和炉身下部进行喷吹（chuī）试验，结果表明（míng）可削减输入碳（tàn）24%。今（jīn）后，加（jiā）上可再生物的利用，能（néng）够（gòu）实现削减CO2排放50%左右的目（mù）标。为验证（zhèng）实际（jì）高炉中喷吹还原气体的效（xiào）果，下一步（bù）准备（bèi）采用（yòng）小型商（shāng）业高炉进行炉顶煤气循环试验，但由（yóu）于研究（jiū）资金的（de）问题（tí），研究进（jìn）度（dù）有（yǒu）些（xiē）迟缓。

另外（wài），荷兰CORUS将开始进行HIsarna熔（róng）融还原工艺（yì）的中间试验。该（gāi）技术（shù）是将澳大利（lì）亚的HIsmelt技术与（yǔ）20世纪90年代CORUS开发（fā）的（de）CCF（气体（tǐ）循环式转炉）结合的工艺（yì）。该工艺的特征是，先将煤进行预处理（lǐ），炭（tàn）化后作为（wéi）熔融还原炉的碳材，通（tōng）过二（èr）次燃（rán）烧（shāo）使熔融还（hái）原炉（lú）产生的气体变成高浓度CO2，然后（hòu）对CO2进行分离，并将产生的热能变（biàn）换成电能（néng）。氢的（de）利用也是ULCOS研究的课题（tí）之一，主要目的是利用天然气（qì）的改质，将氢用于矿（kuàng）石的直接还原。这不（bú）仅仅是针（zhēn）对高炉的研究（jiū）课题，同时还涉及（jí）实施国的各种不同（tóng）的（de）实际工艺研究（jiū）。

4.与资源国的合作（zuò）和分（fèn）散型炼铁厂的构想

钢铁生产（chǎn）国从资源国（guó）进口了大（dà）量的煤和铁矿石（shí），从物流方面来看（kàn），钢铁生产是从资源（yuán）国的开采（cǎi）就开始了。从（cóng）削减CO2的观点来看，并没有（yǒu）从开采（cǎi）、输（shū）送和钢（gāng）铁生产的全过程来研（yán）究（jiū）***佳的CO2减（jiǎn）排办法。就（jiù）铁矿（kuàng）石而言，它（tā）是产生（shēng）CO2的物质根（gēn）源，钢铁生产国在进口铁矿石的同时也进口了铁矿石中的氧（yǎng）和铁，因此（cǐ）钢铁生产国几乎统包了CO2产生的全过程。虽然对煤（méi）进（jìn）行了预处理，但从经济性方面来看，为实现削减CO2的低碳（tàn）高（gāo）炉操作（zuò），应加强与（yǔ）之相符（fú）的原料（liào）性状的管理，如原料的品位（wèi）等。同时应在（zài）大量（liàng）处理（lǐ）原料的（de）资源（yuán）国加强对（duì）原料性状的改（gǎi）善（shàn），研究减（jiǎn）少CO2排放的方（fāng）法（fǎ）。铁矿石中的氧、脉石、水分和煤中的（de）灰（huī）分与高（gāo）炉还原剂（jì）比有直接的关系，在钢铁生产中因脉（mò）石（shí）和灰分而（ér）产生的高炉渣会增加CO2的产生量。因此，如果资源（yuán）国能进一步（bù）提高铁矿石和煤的品位（wèi），就（jiù）能改（gǎi）善焦炭和（hé）烧结矿的性状、降低（dī）焦（jiāo）比，从而有助于高炉实现（xiàn）低还（hái）原剂（jì）比操作。根据计算可知，煤灰分减少2%，可降低还（hái）原剂比10kg/t铁（tiě）水。另外，从削减CO2排放（fàng）的观（guān）点来（lái）看，还应（yīng）该考虑从资源开采（cǎi）到钢铁产（chǎn）品生（shēng）产全过程（chéng）的各种CO2减排方法（fǎ）。

日本田中（zhōng）等人提（tí）出了以海外资源国生产还原（yuán）铁为轴线（xiàn）的（de）分散型炼铁（tiě）厂的构想（xiǎng）。目前（qián），人们重（chóng）视（shì）大型高炉（lú）的生产率，追（zhuī）求集中式的生产工艺（yì），但对于资源问题和（hé）削减CO2的问题缺乏应对能力。从（cóng）这些观（guān）点来看（kàn），应把作为粗原料的（de）铁（tiě）的生产分散到（dào）资源国，通过（guò）合作来解决（jué）目前（qián）削减（jiǎn）CO2的课题。扩（kuò）大废钢的使用，可（kě）以大幅（fú）度减少CO2的排放，但日本废钢的（de）进口量（liàng）有限，因此日本提出了实现清洁（jié）生产应将（jiāng）生产地域分（fèn）散，确保铁源的构想。

还原铁的生产方法有许（xǔ）多种，下面（miàn）只介（jiè）绍可使用普通煤（méi）的转底炉生产法的ITmk3和FASTMET。它们不受原料煤的制（zhì）约，采用简单的方法就能生（shēng）产还（hái）原铁。还原（yuán）铁可大幅度提高（gāo）铁含（hán）量，它（tā）可以加入高炉（lú）。虽（suī）然（rán）在使用煤基的高炉上削减CO2的效果不明显，但在（zài）使用天然气生产还（hái）原（yuán）铁时可以大幅度（dù）减少CO2的产生。还原（yuán）铁和废（fèi）钢的混合使用可以削减CO2。目前（qián）一座（zuò）回（huí）转炉年生产（chǎn）还原（yuán）铁的***大量为100万t左右，如果能（néng）与盛产天然气的国家合作（zuò），也有助于日本削减CO2的产生。欧洲的ULCOS工艺在利用还原（yuán）铁方面也引人关（guān）注。

5.结束语

对（duì）于今（jīn）后削减CO2的要求，应通过（guò）改善工（gōng）艺功能（néng）实现（xiàn）低碳和（hé）脱碳炼（liàn）铁（tiě）。在这种情况（kuàng）下，将（jiāng）低碳和（hé）脱碳组（zǔ）合的多角度系统设计以及改（gǎi）善（shàn）炼铁原（yuán）料（liào）功能很重要。作（zuò）为高炉的未来发展，可以考（kǎo）虑几种以（yǐ）氧气高（gāo）炉为基础（chǔ）的低CO2排放工（gōng）艺，通（tōng）过与喷吹还（hái）原气（qì）体用的CO2分离工艺的组（zǔ）合（hé），就能显示出其优越性（xìng）。如（rú）果能以CO2的分（fèn）离、存（cún）贮（zhù）为（wéi）前提，选择的范围会扩（kuò）大，但在实现CCS方（fāng）面还存在一些不（bú）确定的因（yīn）素。尤其是，日本对（duì）CCS的实际应用问题还需进行详（xiáng）细的研究。以CCS为前提的工（gōng）艺设计还存在着（zhe）危险性，需要将（jiāng）其作（zuò）为未（wèi）来的目标进行（háng）研究开发，但必须冷静判（pàn）断。钢铁生产设备的（de）使用年限长，2050年并（bìng）不是遥远的未来，应考虑与现有高炉的衔接性，明确今后的技（jì）术开发目（mù）标。

今后（hòu）的问题是研究各种（zhǒng）新工艺的验证方法（fǎ）。商用高炉为5000m3，要（yào）在大型高炉应用目前还是（shì）个问题。欧洲（zhōu）的ULCOS只在8m3的（de）试验高炉上进（jìn）行基础研究，还处在工艺原理的认识（shí）阶段，商用高炉的试验还停（tíng）留在计划（huá）阶段（duàn）。日本没有做验证的设备。