1.采用（yòng）高炉（lú）新（xīn）工艺减（jiǎn）少CO2排放

目前，高炉采取热风热送，热（rè）风中（zhōng）的（de）氮起热（rè）传递的作用，但（dàn）对还原不（bú）起作用。氧气高炉炼铁（tiě）工（gōng）艺是从（cóng）风口（kǒu）吹（chuī）入冷氧气，随着（zhe）还原气体浓度的升高（gāo），能够提高高（gāo）炉（lú）的（de）还原功能。由于（yú）气体单耗的下降和还原速度的提高，因此（cǐ）如（rú）果产量一定，高炉内容（róng）积就（jiù）可比目前（qián）高炉减（jiǎn）小1/3，还有助于缓解原料强（qiáng）度等条件的（de）制约。

国外进行了一些氧气高炉炼铁的试验，但都停留在理论研究。日本已采用（yòng）试验（yàn）高（gāo）炉进行了（le）高炉吹氧炼铁实验（yàn）和在实（shí）际高炉进（jìn）行氧气燃烧器的燃烧实（shí）验。大量的制氧会（huì）增加电耗，这也是一个（gè）需（xū）要研究的课题。但是（shì），由于（yú）炉顶气体中的（de）氮是游离氮，有助于（yú）高炉内气体的循环，且由于气体（tǐ）量少、CO2分压高（gāo），因此（cǐ）CO2的（de）分离比目前的高（gāo）炉容易。将来在可进（jìn）行工业规模CO2分离的情况（kuàng）下，可以大（dà）幅度（dù）减少CO2的排放（fàng）。如（rú）果能（néng）开发（fā）出能源效率比目前的深冷分离更好的制氧方法，将（jiāng）会得到（dào）更高的好（hǎo）评。

对（duì）氧气（qì）高炉炼铁工艺、以氧气高炉为（wéi）基础再加（jiā）上CO2分离及（jí）炉顶气体循环的（de）炼（liàn）铁工艺进行了比较。两种工艺都喷吹大量的粉煤作为辅助还原剂。由于高炉上部（bù）没有起热传递（dì）作用的氮，热量（liàng）不（bú）足，因（yīn）此要喷吹循环气体。以（yǐ）氧气高炉（lú）为基（jī）础再加上CO2分离及炉顶气体循环（huán）的炼铁工艺，在（zài）去除高炉炉（lú）顶气体中的CO2后，再将其从炉（lú）身上部或风（fēng）口吹入，可提（tí）高还原能力（lì）。对未利用的还原气体进行再利用，可大幅度削减输入碳的量，可大（dà）幅度减少CO2排放。高炉（lú）内的还原变化，可分（fèn）为CO气（qì）体还原、氢（qīng）还原和固体碳的直（zhí）接还原，在普通高炉中它（tā）们的还原率分别（bié）为60%、10%和30%。如果对（duì）炉（lú）顶气体进行CO2分（fèn）离，并循环利用CO气体，就能（néng）提高气体的（de）还原功（gōng）能（néng），使（shǐ）直接（jiē）还原比（bǐ）率降至（zhì）10%左（zuǒ）右，从而降低还原剂（jì）比。

为降低焦比（bǐ），在外部制造还（hái）原气体（tǐ）再（zài）吹入高（gāo）炉内的想法（fǎ）很（hěn）早就有，日（rì）本从20世纪70年代就进行技（jì）术开发，主要（yào）有FTG法和NKG法（fǎ）。前者是通过（guò）重油的部分氧化制（zhì）造还原（yuán）气体再从高炉炉身（shēn）上部（bù）吹入；后者是用高（gāo）炉炉顶煤气中的CO2对焦炉煤气中的（de）甲烷（wán）进行改质（zhì）后作为高温还（hái）原气体（tǐ）吹入高炉（lú）。这些工艺技（jì）术的原本目的就是要大幅度（dù）降低焦比，它们与炉顶煤气循（xún）环在技术方面有许多（duō）共同点和参考之处。已对高炉内煤气的渗透（tòu）进行了广（guǎng）泛的研究，如模型（xíng）计（jì）算和炉身（shēn）煤气喷吹等。

在（zài）以氧（yǎng）气高炉外加CO2分离并进行炉顶煤气循环工艺为基础的整个炼铁厂的CO2产生量中，根（gēn）据模型计（jì）算可知利用（yòng）炉顶煤气循环可将（jiāng）高（gāo）炉还原剂（jì）比降到（dào）434kg/t。由于不需要（yào）热风炉，因（yīn）此（cǐ）可减（jiǎn）少该工序（xù）产生的CO2。但（dàn）另一方面，由于制氧消耗的电力会使电厂增加CO2的产（chǎn）生（shēng）量。总（zǒng）的来说（shuō），可以减少CO2排放9%。如（rú）果在制（zhì）氧过程中（zhōng）能使用外部产生的清洁能源（yuán），削减CO2的效果会进一步增大。

这些技术（shù）的发展趋势因循环煤气量的分配和供给（gěi）下道（dào）工序能（néng）源设定（dìng）的不（bú）同（tóng）而不同，其中还包（bāo）括了其它的条件。

采用模拟模型求（qiú）出（chū）的（de）CO2削减率的变化。

上（shàng）部基准线为（wéi）输入碳的削减率。如（rú）果能排除因CO2分离而固定的CO2，作为出口（kǒu）侧（cè）基（jī）准线（xiàn）的CO2就（jiù）能减少大约50%。也（yě）就是说，如（rú）果能从单纯的CO2分离向CO2的输送、存（cún）贮和（hé）固定进行（háng）展开，就（jiù）能大幅（fú）度削减CO2。但是，为（wéi）同（tóng）时减少供给下道工序的能源，因此同（tóng）时对下（xià）道工序（xù）进行节能是很重要（yào）的。在（zài）一（yī）般炼铁厂（chǎng）的下道工序中需要0.8-1.0Gcal/t的能源，在考虑补充能源的情况（kuàng）下，***好使用与碳无关（guān）的能源。如果能忽略（luè）供给下（xià）道工（gōng）序的能源（yuán），***大限度（dù）地使用生产中所产生的气体，如（rú）炉（lú）顶煤气的循环利用等，就可以减少大约25%的输入碳。这（zhè）相当于（yú）欧洲（zhōu）ULCOS的新型高炉（lú）（NBF）的目标（biāo）。

2.炉顶（dǐng）煤气循环利用和氢（qīng）气利用的评价

为减少（shǎo）CO2排放，日（rì）本政府（fǔ）正在积（jī）极推进（jìn）COURSE50项目。所谓（wèi）COURSE50项目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（biāo）年（nián）是（shì）2050年。

炉顶煤气循环利用和氢气（qì）利（lì）用的工（gōng）艺是由对（duì）焦炉煤气（qì）中（zhōng）的甲烷进（jìn）行水（shuǐ）蒸汽改质（zhì）、使氢增加并利用这种氢进行（háng）还原（yuán）的（de）方法和从高（gāo）炉炉（lú）顶煤（méi）气中（zhōng）分离CO2再将炉顶煤气循环（huán）利用（yòng）于高炉的工艺构（gòu）成（chéng）。在利（lì）用氢时由于（yú）制（zhì）氢需要消耗很多的能源，因此总的工艺评价（jià）产生了问题，但（dàn）该工艺（yì）能通过（guò）利用（yòng）焦炉煤气的显热来补充水蒸（zhēng）汽改质所需的（de）热能。计（jì）算结果表（biǎo）明，由（yóu）于CO2的分离、固定（dìng）和（hé）氢的（de）利用，高炉（lú）炼铁可（kě）减少CO2排放30%。氢还原的优点是还原（yuán）速度快。但（dàn）由于氢还原是吸热反应，与CO还原不同（tóng），因此必须注意氢还（hái）原扩大时（shí）高炉上部（bù）的热平（píng）衡。根据理（lǐ）查（chá）德图对从（cóng）风（fēng）口喷吹氢时的热平（píng）衡进行了计算。结果可知（zhī），当从风口喷吹的氢还原率比普通（tōng）操作倍增时（shí），由于氢还原的吸热反（fǎn）应和风（fēng）口回旋区（qū）温度保障需要而（ér）要（yào）求富氧鼓风的影响，高炉上部气体的（de）供给（gěi）热能和固体侧所（suǒ）需的热能没有多余，接（jiē）近热能移动的操作极限，因此难以大量利用氢。如果高炉具备还（hái）原气体的制造功（gōng）能，并能使（shǐ）用天然气（qì）或焦炉（lú）煤（méi）气等氢系气（qì）体，那么（me）利用气体中的C成分就能达（dá）到热平衡，还能分享到氢还（hái）原的（de）好处。在各种（zhǒng）气体（tǐ）中，天然气是***好的气体。在（zài）一面从外部补充（chōng）热能，一面制氢的工艺（yì）研究中还包含了优化喷吹量和优化喷吹位置等（děng）课（kè）题。

高炉内的还原可（kě）分为CO气（qì）体间接还原、氢还原和直接（jiē）还原，根据其还原的分配比（bǐ）可以明确还原平衡控制（zhì）、炉（lú）顶（dǐng）煤气循环或（huò）氢还原强（qiáng）化的方向。根据模型计算可知，在普通高（gāo）炉基本条（tiáo）件下，CO间接还（hái）原为62%、氢还原（yuán）为11%、直接还原为27%。

在（zài）氧气高炉（lú）的基础上对（duì）炉顶（dǐng）煤（méi）气进行CO2分（fèn）离，由此可提（tí）高返回高炉内（nèi）的CO气体的（de）还原能力，此时虽（suī）然CO气（qì）体的还原能力会因循环气体（tǐ）量分（fèn）配的（de）不同而不同，但（dàn）CO还原（yuán）会提高到（dào）大约（yuē）80%，直接还（hái）原（yuán）会下（xià）降到（dào）10%以下。根据喷吹的氢（qīng）系气体如COG、天然气（qì）和氢的计算结果可知，在（zài）氢还原加强的情况下，会出现氢还原增加、直接还原下降（jiàng）的情（qíng）况。另一（yī）方面（miàn），循（xún）环气体的上下运动会（huì）使（shǐ）输入（rù）碳减少，实现低碳（tàn）炼铁的目标。另外，当还（hái）原气体都是（shì）从炉身部吹入（rù）时，其在炉内的浸（jìn）透和扩（kuò）散会影响到（dào）还原效果（guǒ）。根据（jù）模型计算可知，气体的渗透（tòu）受（shòu）动量平衡的控制。采用CH4对CO2进行改质，并以炉顶煤气中的CO2作为改（gǎi）质源，还（hái）原气体的性状不（bú）会偏向氢。

从（cóng）CO2总产生（shēng）量（liàng）***小的观（guān）点来看（kàn），在（zài）炉顶煤气（qì）循环和（hé）氧气高炉的基础上，还要考虑喷吹还原气体时的工艺优化。在2050年实现COURSE50项目后，为追求新的炼铁（tiě）工艺，还必须对热风高炉的基础概念做进一步的研究（jiū）。

3.欧洲ULCOS

ULCOS是一（yī）个由欧洲15国48家企业和研究（jiū）机构共（gòng）同参与（yǔ）的研（yán）究课题，始于（yú）2004年（nián），它以欧盟旗（qí）下的（de）煤与钢研究（jiū）基金（RFCS基金）推进（jìn）研究。

该（gāi）研究课题由9个子课题构成，技术研究范围很（hěn）广，甚至包括了电解（jiě）法炼铁工艺研究。重点是高炉炉顶煤气循（xún）环为特征（zhēng）的（de）新型高炉（NBF）、熔（róng）融还原（HIsarna）和直（zhí）接还原工（gōng）艺的研究。当前（qián），在推进这些研究的同（tóng）时，要全力做好未（wèi）来削减CO2排放50%目标（biāo）的***佳工艺的（de）研究。目前（qián），研（yán）究的核（hé）心（xīn）课题是NBF。根据还原气体的再加热（rè）、还原（yuán）气体（tǐ）的喷吹位置，对（duì）4种模型进行了（le）研究。

作为NBF工艺的验证，采（cǎi）用了瑞典的MEFOS试验高炉（炉（lú）内容（róng）积8m3），从2007年9月开（kāi）始进行6周NBF实际操（cāo）作试验。在（zài）两种模型条件（jiàn）下（xià），用VPSA对炉顶煤气中的CO2进行（háng）吸附分离，然后从（cóng）高（gāo）炉风（fēng）口和炉身下部进行喷吹试验，结果表明可（kě）削（xuē）减输入（rù）碳（tàn）24%。今后，加上可（kě）再生（shēng）物的利用（yòng），能（néng）够实现削减CO2排放50%左（zuǒ）右的目（mù）标。为验证（zhèng）实际高炉中喷吹（chuī）还（hái）原气体（tǐ）的效果，下（xià）一步（bù）准备（bèi）采（cǎi）用小型商业（yè）高炉进行炉（lú）顶煤气循环试（shì）验（yàn），但由于（yú）研究资金（jīn）的问题，研究进度有些迟缓。

另外，荷兰（lán）CORUS将开始进行HIsarna熔融还原工艺的中间（jiān）试验（yàn）。该技术（shù）是将（jiāng）澳（ào）大（dà）利亚的HIsmelt技（jì）术与20世纪90年代CORUS开（kāi）发的（de）CCF（气体循环式转（zhuǎn）炉）结合的工艺。该工艺（yì）的（de）特征是，先将煤进（jìn）行预（yù）处理，炭（tàn）化后作为熔融还原（yuán）炉（lú）的碳（tàn）材，通过二次燃烧使熔融（róng）还原炉产生的气体变成高浓度（dù）CO2，然后对CO2进（jìn）行分离（lí），并将产生的热能变（biàn）换（huàn）成电能。氢的利用也（yě）是ULCOS研究的课题之一，主要目的是利用天然气的改质，将氢用于矿石的直接还原（yuán）。这不仅仅是针对高炉的研究课题，同时还涉（shè）及实施国的各种不同（tóng）的实际工艺研究。

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（yuán）国进（jìn）口了大量的煤（méi）和铁矿石，从（cóng）物流（liú）方面来看（kàn），钢铁生产是从资（zī）源国的开采（cǎi）就开（kāi）始了。从削减CO2的观点（diǎn）来（lái）看，并没（méi）有从开采、输（shū）送和钢铁生产的全（quán）过程来研究***佳的CO2减排办法。就（jiù）铁（tiě）矿石而言，它（tā）是产生CO2的物质根源（yuán），钢铁生（shēng）产国（guó）在进口铁矿石的同（tóng）时（shí）也进口了铁矿石中（zhōng）的（de）氧和铁，因（yīn）此钢铁（tiě）生产（chǎn）国几乎统包了CO2产生的全（quán）过程。虽然对煤（méi）进行了（le）预处理，但从经济性方面来看，为实现削减CO2的低碳高（gāo）炉操（cāo）作，应加强与之相符的原料性状（zhuàng）的管理，如原料的（de）品位等（děng）。同时应在大量处理原料的资源国（guó）加强（qiáng）对原料性状的改（gǎi）善，研究减少CO2排放的方法。铁矿石中的氧、脉石（shí）、水（shuǐ）分和煤中的灰分与高炉（lú）还原剂比（bǐ）有直（zhí）接的关系，在钢（gāng）铁生产中因脉（mò）石和（hé）灰（huī）分而产生（shēng）的高炉渣会增（zēng）加（jiā）CO2的产（chǎn）生量。因（yīn）此，如（rú）果资源国能进一步提高（gāo）铁矿石和煤的品位（wèi），就（jiù）能（néng）改善（shàn）焦炭和（hé）烧结矿的性状、降低焦比（bǐ），从而（ér）有助于高炉实现低还原剂（jì）比操作。根（gēn）据计算可知（zhī），煤灰分减少2%，可降低（dī）还原剂比10kg/t铁水。另外（wài），从削减CO2排（pái）放（fàng）的观点来看，还应该考（kǎo）虑从资源（yuán）开采到钢铁产品生产全过程的（de）各种CO2减排方法。

日本田中（zhōng）等人提（tí）出了以（yǐ）海外资源国（guó）生产还原（yuán）铁为轴线的分散型炼铁厂的构想。目前，人们重视大型高（gāo）炉的生产率（lǜ），追求集中式的生（shēng）产工艺，但对于资源问（wèn）题和削（xuē）减CO2的（de）问（wèn）题缺乏应对能力（lì）。从这（zhè）些观点来（lái）看，应把作（zuò）为粗原料的铁的生产（chǎn）分散到资源国（guó），通过（guò）合作来（lái）解决目前削减（jiǎn）CO2的课（kè）题（tí）。扩大废（fèi）钢的（de）使（shǐ）用，可以大幅度减少CO2的排放，但日本废钢（gāng）的进口量有限，因此日本提出（chū）了实现清洁生产应将生产地域分散，确保铁源的构想。

还原铁的生产方法有许多种，下面只介绍可使用普（pǔ）通煤的（de）转（zhuǎn）底炉生产法的（de）ITmk3和FASTMET。它们不受原（yuán）料煤的制约，采用简单的方法就（jiù）能生产还原铁。还（hái）原铁可大幅（fú）度提高铁含（hán）量，它可（kě）以（yǐ）加入高炉（lú）。虽然在使用（yòng）煤基（jī）的高炉上削减（jiǎn）CO2的效果不明显，但在使用天然气生产还原铁时可以大（dà）幅度（dù）减（jiǎn）少CO2的产生。还原（yuán）铁和废钢的混合使用（yòng）可以削减CO2。目前一座回转炉（lú）年生产还原铁（tiě）的***大量为100万（wàn）t左右，如（rú）果能与（yǔ）盛产天然（rán）气的国家（jiā）合作，也有助于日本削（xuē）减（jiǎn）CO2的产生。欧洲（zhōu）的ULCOS工艺在利用还（hái）原铁方面也引人（rén）关注。

5.结束语

对于今（jīn）后削减CO2的要求，应通过改善（shàn）工艺功能实现低（dī）碳和脱（tuō）碳炼铁。在这种（zhǒng）情况下，将低碳和脱碳组合（hé）的多角度系统设（shè）计（jì）以及改善炼（liàn）铁原料功能很重要（yào）。作为高炉的未来发展，可以考虑几种以氧气（qì）高炉为基础的（de）低CO2排放工艺，通（tōng）过与喷吹还原气体用的CO2分离工艺的组合，就能显示出其优越性。如果能以CO2的分（fèn）离、存贮为前（qián）提，选（xuǎn）择的范围（wéi）会扩大，但在实现CCS方面（miàn）还（hái）存在一些不确定（dìng）的因素（sù）。尤其是，日本对（duì）CCS的实（shí）际应用问题还需进行详细的研（yán）究。以CCS为前提的工艺设计还存在着危险性，需（xū）要（yào）将其作为未来的（de）目标进行研究开发，但必须冷静判断。钢铁生（shēng）产设（shè）备的（de）使用年限长，2050年并不（bú）是遥（yáo）远的未来，应考虑（lǜ）与现有高炉的衔接（jiē）性（xìng），明确今后的技术（shù）开（kāi）发目标（biāo）。

今后的问题是研究各种新工艺的验证（zhèng）方法（fǎ）。商用高炉（lú）为5000m3，要在大型高炉应用目前还是个问题。欧洲的ULCOS只在8m3的试（shì）验高炉上（shàng）进行基础研究（jiū），还处在工艺原（yuán）理的认识阶段，商（shāng）用高炉（lú）的试验还停留（liú）在计划（huá）阶段。日本没有做验（yàn）证的设备。