1.采用（yòng）高炉新工艺减少CO2排放

目前，高炉采（cǎi）取热风（fēng）热（rè）送，热风（fēng）中的氮起热传递的作用（yòng），但对还原（yuán）不（bú）起（qǐ）作用。氧气高炉炼铁工艺是从风口吹入冷氧气（qì），随着还原气体浓度的升高，能够提高高炉的（de）还原功能（néng）。由于气体单耗的下降和还原速（sù）度的提高（gāo），因（yīn）此（cǐ）如果产量一定，高炉内容积就可（kě）比目前（qián）高炉减小1/3，还有助于（yú）缓解原料强度等条件的制（zhì）约。

国外进行了一些氧气高炉（lú）炼铁的（de）试验，但都停留在理论研（yán）究。日本已采用（yòng）试（shì）验高炉进行了高炉（lú）吹氧炼铁实验和（hé）在实际高炉进行氧气燃烧（shāo）器（qì）的燃烧实验。大量的制氧会增加电耗，这也是一个（gè）需要研究的（de）课题（tí）。但是，由（yóu）于炉顶（dǐng）气体中的氮是游离氮，有助（zhù）于高炉内（nèi）气（qì）体的循环，且由于气体量少、CO2分压高，因此CO2的分离（lí）比目前的高炉容易（yì）。将来在可进行工业规（guī）模CO2分离的情（qíng）况下，可以大幅度减少CO2的排放。如果能开发（fā）出能源效率（lǜ）比目前的深（shēn）冷分离更好（hǎo）的（de）制氧方法，将会得（dé）到更高的好（hǎo）评。

对氧气高炉炼铁工艺、以氧气高炉为基础再加上CO2分离及炉顶气体循环（huán）的炼铁工艺（yì）进行了比较（jiào）。两种工（gōng）艺都喷（pēn）吹大量的（de）粉煤（méi）作为辅助还原剂。由于高炉上部（bù）没有起热传递作用（yòng）的氮，热量不足（zú），因此要（yào）喷吹循环气体。以氧气（qì）高炉为基础再加上CO2分离及炉（lú）顶气体循环的炼铁工艺，在（zài）去除高炉炉顶（dǐng）气体（tǐ）中（zhōng）的CO2后（hòu），再（zài）将其从炉身上部或（huò）风口吹入，可提高还（hái）原能力。对未利用的还原（yuán）气体进行再利用，可（kě）大幅度削减输入（rù）碳的量，可大（dà）幅度减少CO2排放。高炉内的（de）还原变化，可分为CO气（qì）体（tǐ）还原、氢还原和固体碳的直接还原（yuán），在普通（tōng）高炉中（zhōng）它们的还原率分别为60%、10%和30%。如果对炉顶（dǐng）气体进行CO2分离，并（bìng）循环利用CO气体，就能提高气体的还原功（gōng）能（néng），使直接还（hái）原比（bǐ）率降至10%左（zuǒ）右，从而降低还原剂（jì）比。

为降低焦（jiāo）比（bǐ），在外部制造还原气体再（zài）吹入（rù）高炉内的想法很早就有，日本从（cóng）20世纪（jì）70年（nián）代就进行（háng）技（jì）术（shù）开发，主要有FTG法和（hé）NKG法。前者是通过重油（yóu）的部分氧化制造（zào）还原气体再从高炉炉（lú）身上部吹入；后者是用（yòng）高炉炉顶煤气中（zhōng）的CO2对焦（jiāo）炉煤气中（zhōng）的甲烷进行改质后作为高温（wēn）还原（yuán）气体吹（chuī）入高炉。这些工艺（yì）技术的原本（běn）目的就是要大幅度降低（dī）焦（jiāo）比，它们与炉顶煤气循环在技术方面有许多共同点和参考之处（chù）。已对高炉内（nèi）煤气的渗（shèn）透进行了广泛的研究，如（rú）模（mó）型计算和（hé）炉身煤气喷吹等。

在以氧气高炉外加（jiā）CO2分离并（bìng）进行炉顶煤（méi）气循（xún）环工艺为基础的整个炼铁厂的（de）CO2产生量中，根据模（mó）型计算可知利（lì）用（yòng）炉顶煤气循（xún）环可将高（gāo）炉还原（yuán）剂比降到434kg/t。由于不需要（yào）热风炉（lú），因此可减少该工序产生的CO2。但另一（yī）方面（miàn），由（yóu）于制氧消耗（hào）的（de）电力会使电厂增加CO2的产生量。总的来说，可以减少CO2排放（fàng）9%。如果在（zài）制（zhì）氧过程中能使用外部产生的清洁能源，削（xuē）减CO2的效果会（huì）进一步增大。

这些技术（shù）的发展趋势因循环煤气量的分配（pèi）和供给下（xià）道工序能源设定的不同而不同（tóng），其中还包括了其它（tā）的条件。

采用模拟模型求（qiú）出的CO2削减（jiǎn）率的变化。

上（shàng）部基（jī）准线为输入碳的削减率。如果（guǒ）能排除因CO2分离而固定的CO2，作为出口侧基准（zhǔn）线的CO2就能（néng）减少大约50%。也就是说，如果能从单（dān）纯的（de）CO2分离向CO2的输（shū）送、存贮和固定进行展（zhǎn）开（kāi），就能大幅度削减CO2。但是，为同时减少供给下道工序的（de）能源（yuán），因此同时（shí）对（duì）下道工序进（jìn）行节（jiē）能是（shì）很重要的。在一般（bān）炼铁厂的下道工序中（zhōng）需要0.8-1.0Gcal/t的（de）能源，在考虑补充（chōng）能源的情况下，***好使用与碳无关的（de）能源。如果能忽略供（gòng）给（gěi）下道工序的能源，***大限度地使用生（shēng）产中（zhōng）所产生的气体，如炉顶煤气的循环利用等，就（jiù）可以减少大约（yuē）25%的输入碳。这相当于欧洲（zhōu）ULCOS的新型（xíng）高炉（NBF）的目标。

2.炉（lú）顶煤气循环利用和氢气利（lì）用的评价

为减（jiǎn）少（shǎo）CO2排（pái）放（fàng），日本政府正在积极推进COURSE50项目。所谓（wèi）COURSE50项目就是通过采用创新技术（shù）减少CO2排放，并（bìng）分离、回收（shōu）CO2，50指目标年是2050年。

炉顶煤气循（xún）环利用和氢气利（lì）用（yòng）的工艺是由对焦炉煤气中的甲烷（wán）进（jìn）行（háng）水（shuǐ）蒸（zhēng）汽改质、使氢（qīng）增加并利用这（zhè）种氢进（jìn）行还原的方法和从高炉炉顶煤气（qì）中分离CO2再将炉顶煤（méi）气循环利用于高（gāo）炉的工艺构成。在（zài）利用（yòng）氢（qīng）时由于制氢需要消耗很多的能源，因此总（zǒng）的工艺评（píng）价产（chǎn）生了问题（tí），但该工艺能通过利用焦炉煤气的显（xiǎn）热来补充水蒸汽改质所需的热能。计算（suàn）结果表（biǎo）明，由于（yú）CO2的分离、固定和氢的利用（yòng），高炉（lú）炼铁可（kě）减少CO2排（pái）放（fàng）30%。氢还原的（de）优（yōu）点是还原速（sù）度快。但由于氢还原（yuán）是吸热反应，与CO还原不同（tóng），因此必须注意氢还（hái）原扩（kuò）大（dà）时高（gāo）炉（lú）上部的（de）热平衡。根据理查德图对从（cóng）风口喷吹氢时（shí）的热平衡进（jìn）行（háng）了计算。结果可知，当从风口喷吹的氢还原率比普通操作（zuò）倍增时，由（yóu）于氢还原的吸热（rè）反（fǎn）应和（hé）风口回（huí）旋区温（wēn）度保障需要而要求富氧鼓风的影响，高炉上部气体的供给（gěi）热（rè）能和固体侧所需的热能没有（yǒu）多余（yú），接近热能移动的操作极限，因（yīn）此（cǐ）难（nán）以大量利用氢。如果高（gāo）炉（lú）具备还原气体的制造（zào）功能，并能使用天然气或焦（jiāo）炉煤气等氢（qīng）系气体，那么（me）利用气体中的C成分就能达到热（rè）平衡，还能分享到（dào）氢（qīng）还原的好处。在各种气体中，天（tiān）然气是（shì）***好的气体。在一面从外（wài）部补充热能，一面制氢的工艺研究中（zhōng）还包含了优化（huà）喷吹量和优化喷吹位置等课题。

高炉内的还原可（kě）分为CO气体间接还原、氢还原和直接还原，根据（jù）其还原的分配比可以明确还原平衡控制、炉顶煤气（qì）循环或氢还原强（qiáng）化的（de）方向（xiàng）。根（gēn）据模（mó）型计算可知，在（zài）普通高炉（lú）基本条（tiáo）件下，CO间接（jiē）还原为62%、氢还原为11%、直接还原为27%。

在（zài）氧气高炉的基础上对炉顶煤气（qì）进行（háng）CO2分离，由此可提高返回（huí）高炉内的（de）CO气体的还原（yuán）能力，此时虽然CO气体的还原（yuán）能力会因（yīn）循环气体（tǐ）量（liàng）分配的不同而（ér）不同，但CO还原（yuán）会提高（gāo）到（dào）大约80%，直接还原会下（xià）降到10%以下（xià）。根据喷吹的氢系气体如COG、天然气和氢的计算结果可知（zhī），在氢还原加强的情（qíng）况下，会出现氢还原增加（jiā）、直（zhí）接还原下降（jiàng）的情况。另一方面，循环气体（tǐ）的上下运动会使输入碳减（jiǎn）少，实现低碳炼铁的目标（biāo）。另外，当还原气（qì）体都是从炉身部吹入时，其在炉内（nèi）的（de）浸透和扩散会影响到还原效果。根据模（mó）型计算可知，气体的（de）渗透（tòu）受动量平衡的（de）控制。采（cǎi）用CH4对CO2进行改质，并以炉顶煤气中的CO2作（zuò）为（wéi）改质源，还（hái）原气体的性状（zhuàng）不会（huì）偏（piān）向氢。

从CO2总产（chǎn）生（shēng）量（liàng）***小的观点（diǎn）来看，在炉顶煤气循环和氧气高炉（lú）的（de）基（jī）础上，还（hái）要考虑喷吹（chuī）还原气体（tǐ）时的工艺优化。在2050年实现COURSE50项目后，为追求新的炼铁工（gōng）艺，还必须对热风高（gāo）炉的基础概念做进一步的研究。

3.欧（ōu）洲ULCOS

ULCOS是一（yī）个由欧洲15国48家企业和研究机构共同参与（yǔ）的（de）研究课题，始于2004年，它（tā）以（yǐ）欧盟（méng）旗下的煤与钢研究（jiū）基（jī）金（RFCS基金）推进研究。

该研究（jiū）课题由（yóu）9个子（zǐ）课题构成（chéng），技术研究范围很广，甚至包括了电解法（fǎ）炼铁工艺（yì）研究。重点（diǎn）是高炉炉顶煤气（qì）循环为（wéi）特征的新型高（gāo）炉（lú）（NBF）、熔（róng）融还原（HIsarna）和直接还（hái）原（yuán）工艺的研（yán）究。当前，在推进这些研究的同（tóng）时，要（yào）全力（lì）做好（hǎo）未来削减（jiǎn）CO2排放50%目标的***佳（jiā）工艺的研究。目前，研（yán）究的核（hé）心（xīn）课题是NBF。根据（jù）还（hái）原气体的再（zài）加（jiā）热、还原（yuán）气体的（de）喷吹位（wèi）置，对4种模型进行了研究。

作为NBF工艺（yì）的验证，采（cǎi）用了瑞典的MEFOS试验高炉（lú）（炉内容积8m3），从2007年9月开始进行（háng）6周NBF实际操作试验。在两（liǎng）种（zhǒng）模（mó）型条件下（xià），用（yòng）VPSA对（duì）炉顶煤（méi）气中的CO2进行吸（xī）附分（fèn）离，然后从高（gāo）炉风口和炉身下（xià）部进行喷吹（chuī）试验，结果表（biǎo）明可削减输入碳24%。今后，加上可再（zài）生物的利用（yòng），能够实现削减（jiǎn）CO2排放50%左右的目标。为验（yàn）证（zhèng）实际高（gāo）炉中喷吹（chuī）还原气体的效果，下一步准备（bèi）采用小（xiǎo）型商（shāng）业高炉进行（háng）炉顶煤气循（xún）环试（shì）验，但（dàn）由（yóu）于研究资金（jīn）的问题，研究（jiū）进（jìn）度（dù）有（yǒu）些迟缓。

另外，荷（hé）兰CORUS将开始进行HIsarna熔融还原工艺的中间（jiān）试（shì）验。该技术是（shì）将澳大利亚的HIsmelt技术（shù）与20世纪90年代CORUS开发的CCF（气（qì）体循环式转炉）结（jié）合的工艺。该工艺的特（tè）征是（shì），先将煤进行预处理（lǐ），炭化（huà）后（hòu）作（zuò）为熔融还原（yuán）炉的碳材，通（tōng）过（guò）二次燃烧使熔融还原炉（lú）产（chǎn）生（shēng）的气体变成高浓度CO2，然（rán）后对（duì）CO2进（jìn）行分（fèn）离，并将产生的热能（néng）变换成电（diàn）能。氢的利用也是ULCOS研（yán）究的课（kè）题之一，主（zhǔ）要目的是利用天然气的改质，将氢用于矿石的直接还原。这不仅仅是针对（duì）高炉的研究课题，同时还涉及实施（shī）国的各种不同的实（shí）际工艺（yì）研究。

4.与资源（yuán）国的合作和分散型炼铁厂的构想

钢铁生产国从资源国进（jìn）口了（le）大（dà）量的煤和铁矿石，从物流方面来看，钢铁（tiě）生产是从（cóng）资源（yuán）国的（de）开（kāi）采就（jiù）开始（shǐ）了（le）。从削减（jiǎn）CO2的观点（diǎn）来看，并没有从开采、输送（sòng）和钢铁生产的全过程来研究***佳的（de）CO2减排办法。就铁矿石而言，它是产（chǎn）生CO2的物质（zhì）根源，钢（gāng）铁生产国在进（jìn）口铁矿（kuàng）石的同时也进（jìn）口了铁矿石中的氧和铁，因此钢铁生产国几乎统包了（le）CO2产生的全过程（chéng）。虽然对煤进（jìn）行了预处（chù）理，但从经济性方面来看，为实现削减CO2的低碳高炉（lú）操作，应加强（qiáng）与之相符的原料性状的管理，如原料的品（pǐn）位等。同（tóng）时应在大量处理原（yuán）料的（de）资源国加强对原料性（xìng）状的改善，研究减少CO2排（pái）放的方法。铁矿石（shí）中的氧、脉石、水分和煤中的灰分（fèn）与高炉（lú）还原（yuán）剂比有（yǒu）直接的（de）关（guān）系（xì），在钢铁生产中因脉石（shí）和灰分而产生的高炉渣会增（zēng）加CO2的产（chǎn）生（shēng）量。因此，如果（guǒ）资源国（guó）能进（jìn）一步提高（gāo）铁（tiě）矿石和煤的品位，就能改善焦炭和烧（shāo）结（jié）矿的性状、降低焦（jiāo）比（bǐ），从而有（yǒu）助于高炉实现低（dī）还原剂比操（cāo）作。根据（jù）计（jì）算可知，煤灰分减少2%，可降低还原剂比（bǐ）10kg/t铁水。另外，从削（xuē）减CO2排放的观点来看（kàn），还应该考虑从资（zī）源（yuán）开采到钢铁产品生产全（quán）过程的各种CO2减（jiǎn）排方法。

日本田中等人（rén）提出了以海外资源国生产（chǎn）还原铁为轴线的分散型炼（liàn）铁（tiě）厂的构想。目前，人（rén）们重视大型高（gāo）炉的生（shēng）产率（lǜ），追求集中式的生（shēng）产工（gōng）艺，但（dàn）对于资源问（wèn）题（tí）和（hé）削减CO2的问题缺（quē）乏应对能力。从（cóng）这些观点来看，应把作为粗原料的铁的生产（chǎn）分散到资（zī）源国，通过合作来解（jiě）决目（mù）前（qián）削（xuē）减CO2的（de）课题。扩大废钢的使（shǐ）用，可以大幅度减少CO2的（de）排放，但（dàn）日（rì）本废钢（gāng）的进（jìn）口量有限，因此日本提出了实现（xiàn）清洁生产应（yīng）将生（shēng）产地域分散，确保铁源的（de）构想。

还原铁的生产方法有许多种（zhǒng），下面只介（jiè）绍可使用普通（tōng）煤（méi）的转底炉生（shēng）产法的ITmk3和FASTMET。它们不受原料煤的制约，采用简单的（de）方法就能生产还（hái）原铁。还原铁可大幅度提高铁含量，它（tā）可以加入高炉。虽然在使用煤基的高炉上削减CO2的效果不（bú）明（míng）显，但在（zài）使用（yòng）天然气（qì）生产还原铁时可以大幅度减少CO2的产生。还原铁和废钢的混合使（shǐ）用可以削减CO2。目前一座回（huí）转炉年（nián）生产还原铁（tiě）的（de）***大量为100万（wàn）t左右，如果（guǒ）能与盛产天然气的国家合作，也有（yǒu）助于日本削减CO2的产生。欧（ōu）洲的ULCOS工艺在利用还原铁方面也引人（rén）关注。

5.结（jié）束语

对（duì）于今（jīn）后削减CO2的（de）要求，应通过改（gǎi）善工艺功（gōng）能实现低碳和脱碳炼（liàn）铁（tiě）。在（zài）这种情况下，将低碳和脱（tuō）碳组合的（de）多角度系统（tǒng）设（shè）计以及改（gǎi）善炼铁原料功能很重（chóng）要。作为高炉的未来发展，可（kě）以（yǐ）考虑几（jǐ）种以（yǐ）氧气（qì）高炉为（wéi）基（jī）础的低（dī）CO2排放工（gōng）艺（yì），通过与喷吹还原（yuán）气体用的CO2分离（lí）工艺（yì）的组合，就（jiù）能（néng）显示（shì）出其（qí）优越（yuè）性。如果能以CO2的分离、存贮为前提，选择（zé）的范（fàn）围会（huì）扩大，但在（zài）实现CCS方面还存在一（yī）些不（bú）确定的因素（sù）。尤其是，日本对CCS的实（shí）际应用问题（tí）还需进行详细的研究。以CCS为前（qián）提的（de）工艺设计还存在着危险性，需（xū）要将其（qí）作为未来的目标进（jìn）行（háng）研究开发（fā），但（dàn）必须冷静判断（duàn）。钢铁（tiě）生产设（shè）备的使用（yòng）年限长，2050年（nián）并不是遥远的未来，应考（kǎo）虑与现（xiàn）有（yǒu）高炉的衔接（jiē）性，明确今后（hòu）的（de）技术开发目标。

今后（hòu）的问题是研究（jiū）各种（zhǒng）新工艺的验（yàn）证方法。商用高炉为（wéi）5000m3，要在大型高炉应用目前还是个问（wèn）题。欧（ōu）洲的ULCOS只在8m3的试验高炉上进行基础研究，还处在工艺原理的认识阶段，商用高（gāo）炉的试（shì）验还停（tíng）留在计划阶（jiē）段。日本没有做验证（zhèng）的设备（bèi）。