1.采用高炉新工艺减少CO2排放

目前（qián），高炉采取（qǔ）热风热送，热（rè）风中的氮起热（rè）传递（dì）的作（zuò）用，但（dàn）对还原不起作（zuò）用。氧气高炉（lú）炼铁工（gōng）艺（yì）是从风口（kǒu）吹（chuī）入冷氧气，随着还原气体（tǐ）浓度的升高（gāo），能够提（tí）高（gāo）高炉的还原功能。由于气体（tǐ）单耗的下（xià）降和还（hái）原（yuán）速度的提高，因此如果产量一定，高炉内容积就可比目（mù）前高炉（lú）减小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（tiě）的试验，但（dàn）都（dōu）停（tíng）留（liú）在理论（lùn）研究。日本已（yǐ）采用试验高炉进行了高（gāo）炉吹氧炼铁实验和（hé）在实际高炉进行氧气燃烧器的燃（rán）烧实验。大量（liàng）的制（zhì）氧会（huì）增加电耗，这也是一个需要研究的（de）课题。但是，由于炉顶气（qì）体中的氮是游离氮，有助（zhù）于高炉内（nèi）气体的循环，且由于（yú）气体量少、CO2分（fèn）压（yā）高，因此（cǐ）CO2的分离比目前的高炉容易。将来在可进行（háng）工业规模CO2分（fèn）离的（de）情况下（xià），可以大幅（fú）度减少CO2的（de）排放。如果能（néng）开发出能源（yuán）效率比目前的深（shēn）冷（lěng）分（fèn）离更好的（de）制氧方法，将会得到更（gèng）高的（de）好评。

对氧气高炉炼铁工艺、以氧气（qì）高炉（lú）为基础再（zài）加（jiā）上CO2分离及炉顶气体（tǐ）循环的（de）炼铁工艺进行了比较。两种（zhǒng）工艺都喷吹大量的粉煤作为辅（fǔ）助还（hái）原剂。由于高炉（lú）上部没有起热传递作（zuò）用的氮，热（rè）量不足，因此要喷吹循环（huán）气（qì）体（tǐ）。以氧气高炉为基础（chǔ）再加上CO2分离（lí）及炉顶（dǐng）气（qì）体循环的炼铁（tiě）工艺（yì），在去（qù）除（chú）高（gāo）炉炉顶气体中的（de）CO2后，再将其（qí）从（cóng）炉身上部或风口吹入，可提高还原能力。对未利用的还原（yuán）气体进行再利（lì）用，可大（dà）幅度削减输入（rù）碳的量（liàng），可大（dà）幅度减少CO2排（pái）放。高炉（lú）内的还原变化（huà），可分（fèn）为CO气体还原、氢（qīng）还（hái）原和固体碳的直接还原，在普通高炉中它们的还原率分别为60%、10%和（hé）30%。如果对炉（lú）顶气体进行CO2分离，并循环利用CO气体，就（jiù）能提（tí）高气体的还（hái）原（yuán）功能，使直接还原（yuán）比率降至10%左右，从而降低还原剂比。

为降低焦比，在外部制造还原气（qì）体再吹（chuī）入高（gāo）炉内的想法很早（zǎo）就有，日本从20世纪70年代就进行技术开（kāi）发，主要有FTG法和（hé）NKG法。前者（zhě）是通过重油的部分氧化制造还原（yuán）气体再从高炉（lú）炉（lú）身（shēn）上部吹入；后者是（shì）用高炉炉顶煤（méi）气中（zhōng）的（de）CO2对（duì）焦（jiāo）炉煤气中的甲烷进行改质后作为高（gāo）温还原气（qì）体吹入高炉（lú）。这些工（gōng）艺技术的原本目（mù）的就是要（yào）大幅（fú）度降低焦比，它们与炉顶煤气循（xún）环在技术方面有许多共同点和参（cān）考（kǎo）之处。已对（duì）高炉内煤气的渗透进行了广泛的研究，如（rú）模型计（jì）算和炉身（shēn）煤气喷吹等。

在以氧气高炉（lú）外加CO2分离并进（jìn）行炉顶煤气循环工（gōng）艺为基础的整个炼铁厂的CO2产（chǎn）生（shēng）量中，根（gēn）据模型计算可知利用（yòng）炉顶煤气循（xún）环可将高（gāo）炉（lú）还原（yuán）剂比（bǐ）降（jiàng）到434kg/t。由于不需要热风炉，因此可减少（shǎo）该工（gōng）序产生的（de）CO2。但（dàn）另一方面，由于制氧消耗的（de）电力会使（shǐ）电（diàn）厂增（zēng）加CO2的产生量。总的来说，可以减（jiǎn）少（shǎo）CO2排放9%。如果（guǒ）在制氧过程（chéng）中能使用外（wài）部产生的清洁能源，削减（jiǎn）CO2的效果（guǒ）会（huì）进一步增（zēng）大。

这些技术的发展趋势因循环煤气量的分配和供（gòng）给下道工（gōng）序能（néng）源（yuán）设（shè）定的不同而不（bú）同（tóng），其（qí）中还包括了（le）其它的条（tiáo）件。

采用（yòng）模（mó）拟模型求出（chū）的CO2削减率的变化。

上部基（jī）准线为输入碳的削减率。如果能排（pái）除因CO2分离而（ér）固定的CO2，作（zuò）为（wéi）出口侧（cè）基准线的CO2就能（néng）减少大（dà）约50%。也就（jiù）是（shì）说，如（rú）果（guǒ）能（néng）从单纯的CO2分离向CO2的输送（sòng）、存贮（zhù）和固（gù）定（dìng）进行（háng）展开，就能大幅度（dù）削减CO2。但是（shì），为同时减少供给（gěi）下（xià）道工序（xù）的能源，因此同时对下道工序（xù）进行节能是（shì）很重（chóng）要的（de）。在一般（bān）炼铁厂的下道工序中（zhōng）需要0.8-1.0Gcal/t的能源，在考虑补充能源（yuán）的（de）情况下，***好使用与碳（tàn）无（wú）关的能（néng）源。如果（guǒ）能忽（hū）略（luè）供给下（xià）道工序（xù）的能（néng）源，***大限度地使用生（shēng）产中所（suǒ）产生（shēng）的气体，如炉顶煤气的循环（huán）利用等，就可以减（jiǎn）少大约（yuē）25%的输入碳。这相当于欧洲ULCOS的新型高炉（NBF）的目标。

2.炉顶煤气循（xún）环利用和氢气利用的评价

为减少CO2排放，日本政府（fǔ）正（zhèng）在积极推进（jìn）COURSE50项目。所谓COURSE50项目就是通过采用创新技术（shù）减少CO2排放，并分（fèn）离、回（huí）收CO2，50指目标年是（shì）2050年。

炉顶煤气循（xún）环利用和（hé）氢气利用的工艺是由对焦炉煤气中的甲烷（wán）进行水蒸汽改（gǎi）质、使氢增加并（bìng）利用这种氢（qīng）进行还原（yuán）的方法和从高炉炉顶煤气（qì）中分离CO2再将炉顶煤气循环利用于高炉的（de）工艺构成（chéng）。在利用氢时由于制（zhì）氢需要消（xiāo）耗很多的能源，因此总的工艺评价（jià）产生了问题（tí），但（dàn）该工艺能（néng）通过利用（yòng）焦炉煤（méi）气的（de）显（xiǎn）热来补充水蒸汽改质所需的热能。计算结果表明（míng），由于CO2的分离、固定和氢的利用，高炉（lú）炼铁（tiě）可（kě）减少CO2排放30%。氢还原（yuán）的优点是（shì）还原速度快。但由于氢还原是吸热（rè）反应，与CO还原不同，因（yīn）此必须注意氢（qīng）还原扩大时（shí）高炉上部（bù）的热平（píng）衡（héng）。根（gēn）据理查德图对从风口喷吹氢时的（de）热（rè）平衡进行了计算。结果可知（zhī），当从风口喷吹的氢还原率比（bǐ）普通操作倍增（zēng）时（shí），由于（yú）氢还原的吸热反应和风口回旋区温度保障需要而（ér）要（yào）求富氧鼓风的影响，高炉上部气体的（de）供给热能和固体侧所需的热能（néng）没有多余，接近热能移动的操作（zuò）极限（xiàn），因此难以大量利用氢。如果高炉具备还原气（qì）体（tǐ）的制造功（gōng）能，并能使用天然气或焦炉煤（méi）气等氢系气体，那（nà）么利用气体（tǐ）中的C成分就能达（dá）到热平（píng）衡（héng），还（hái）能分享（xiǎng）到（dào）氢（qīng）还原的好处。在各（gè）种气体（tǐ）中，天（tiān）然气（qì）是***好的（de）气（qì）体（tǐ）。在一面从外部补（bǔ）充（chōng）热能，一（yī）面（miàn）制氢的工艺研究中还包含了优化喷（pēn）吹量和优化喷吹位置等课题。

高炉内（nèi）的还原可分为CO气体间（jiān）接还原、氢还原（yuán）和直接（jiē）还原，根据其（qí）还原的分配比可以明确还原平衡（héng）控制（zhì）、炉顶煤气循环或氢（qīng）还原强（qiáng）化的方向。根据模型计算可知，在普通高炉基本条件下，CO间接还原为62%、氢还原为11%、直接还原为27%。

在氧气高炉（lú）的基础上对炉顶煤（méi）气进行CO2分离（lí），由此可提高（gāo）返回高（gāo）炉内的CO气体的还原能力，此时虽然CO气体的还原能（néng）力会因循环（huán）气体（tǐ）量分配的不同而不（bú）同，但CO还原会提高到大约80%，直接还原会下降到（dào）10%以下（xià）。根据喷吹的氢系气体如（rú）COG、天然气和氢的计算结果可（kě）知，在氢还原加强（qiáng）的情况下，会出（chū）现氢还原增加、直接（jiē）还原下降的情（qíng）况。另一方（fāng）面，循环气体的（de）上下（xià）运动会使输入碳减少，实现低碳（tàn）炼铁的目标。另外，当还原气体都是（shì）从炉身部吹（chuī）入（rù）时，其（qí）在炉内的浸透和扩散会影响到还原效果。根（gēn）据模（mó）型计算（suàn）可知（zhī），气体的渗透受动量平衡的（de）控制。采用CH4对CO2进行改（gǎi）质，并以（yǐ）炉顶煤气中的CO2作为改质源，还（hái）原气体的性状（zhuàng）不会偏向氢。

从CO2总产生量***小的观（guān）点来看，在（zài）炉顶煤（méi）气循环和氧气高炉的基（jī）础上，还要考虑喷吹还原气体时的工（gōng）艺优化。在2050年（nián）实现COURSE50项（xiàng）目后，为（wéi）追求（qiú）新的炼铁工（gōng）艺（yì），还必须对热风高炉的基础概念做（zuò）进一（yī）步的研究。

3.欧洲ULCOS

ULCOS是一个由（yóu）欧洲15国48家企业（yè）和研究机构共同（tóng）参与的研（yán）究课（kè）题，始（shǐ）于2004年，它以欧盟旗（qí）下的（de）煤与钢（gāng）研究基金（RFCS基金）推进研究。

该研究课题由9个子课题构成，技术研究（jiū）范围（wéi）很广（guǎng），甚至包括了电解法炼铁工艺（yì）研究。重点是（shì）高炉炉顶（dǐng）煤气循环为特征的新（xīn）型高炉（lú）（NBF）、熔融还原（HIsarna）和直接还原工（gōng）艺的研究。当前，在推进这些研究的同（tóng）时，要全力（lì）做好未来削减CO2排放50%目标的***佳工艺（yì）的研究。目前，研究的核（hé）心课题是NBF。根据（jù）还原气体的再加热、还原（yuán）气体的喷吹位置，对4种模型进行了研究。

作（zuò）为（wéi）NBF工艺的验证，采用（yòng）了瑞典的（de）MEFOS试验高（gāo）炉（炉内容积（jī）8m3），从2007年9月开始进行6周NBF实际操作试验。在两种模型条件（jiàn）下（xià），用（yòng）VPSA对炉（lú）顶煤气中的CO2进行吸（xī）附分离，然后从高炉风口和炉身（shēn）下部（bù）进（jìn）行喷吹试验，结果表明可削减（jiǎn）输入碳（tàn）24%。今后，加（jiā）上可再生（shēng）物的利（lì）用（yòng），能够实现削减CO2排放50%左右的目标。为验（yàn）证（zhèng）实际高炉中喷吹还原气体的效果，下一步准备采用小型商业（yè）高炉进行炉（lú）顶煤气循环试验，但由于（yú）研（yán）究资金的问题，研究进度有（yǒu）些迟缓。

另外，荷兰CORUS将开（kāi）始进行HIsarna熔融还原工艺（yì）的（de）中间试验（yàn）。该技（jì）术是将澳大（dà）利亚的（de）HIsmelt技术与20世（shì）纪90年代CORUS开（kāi）发的CCF（气体循环式转炉）结合（hé）的工艺。该（gāi）工（gōng）艺（yì）的特征是，先（xiān）将煤进行预处理，炭（tàn）化（huà）后作为熔融还原（yuán）炉的碳材，通过二次（cì）燃烧使熔融还（hái）原炉产生的（de）气体变成高浓度CO2，然后（hòu）对CO2进行分（fèn）离（lí），并将产生的热（rè）能变换成电能。氢的利用（yòng）也是ULCOS研究的课（kè）题之（zhī）一（yī），主（zhǔ）要目的是利用天（tiān）然气的改（gǎi）质，将氢用于矿石的（de）直（zhí）接（jiē）还原。这不仅仅是针对高炉的研（yán）究课题，同（tóng）时还涉及（jí）实施国（guó）的（de）各（gè）种不同的实际工艺研究。

4.与资（zī）源国的合作（zuò）和分散型（xíng）炼铁厂的构（gòu）想

钢铁生产国从资源国进口了大量的煤和铁（tiě）矿（kuàng）石，从（cóng）物流（liú）方面来（lái）看（kàn），钢铁生产是从资源国的（de）开采就开始了。从削减CO2的（de）观点来看，并没有从开采、输送（sòng）和（hé）钢铁生产的全过程来研究***佳的CO2减（jiǎn）排办法。就铁矿石而言，它是产生CO2的物质（zhì）根（gēn）源，钢铁生产国在进口（kǒu）铁（tiě）矿石的同时（shí）也进（jìn）口（kǒu）了铁（tiě）矿石中（zhōng）的氧和铁，因此钢铁生产国几乎统包了（le）CO2产（chǎn）生（shēng）的全过（guò）程（chéng）。虽然对煤进行（háng）了预处理（lǐ），但从（cóng）经济性（xìng）方面来看，为实现削减CO2的低（dī）碳高炉操作，应加强与之（zhī）相符的原料性状的（de）管理，如原料（liào）的品位等（děng）。同时应在大量处理原料的资源国加强对原料性状的改善，研究减少CO2排放（fàng）的方法。铁矿石中的氧、脉（mò）石、水（shuǐ）分和（hé）煤中（zhōng）的灰分与（yǔ）高炉还原（yuán）剂比有直（zhí）接的关系，在钢（gāng）铁（tiě）生产中因脉石和灰分而产生的高炉渣（zhā）会增加CO2的（de）产生量。因此，如果资源国能进一步提高铁矿石和煤的品位，就能改善焦炭（tàn）和烧结矿的性（xìng）状、降低焦比，从而有助（zhù）于高炉实现低还原剂比操作。根据计算可知（zhī），煤灰分减少2%，可降低还原剂（jì）比10kg/t铁（tiě）水。另外，从削减CO2排放的观点来看，还应该考虑从资源开采到钢铁产品生产全过程的各种CO2减排方法。

日本田中等人提（tí）出了（le）以海（hǎi）外资源国（guó）生产还原铁为轴线的（de）分散型（xíng）炼铁（tiě）厂的构想。目前，人们重视（shì）大（dà）型高炉的（de）生产（chǎn）率，追（zhuī）求集中式的（de）生产工艺（yì），但对于资源问（wèn）题（tí）和削减CO2的问题缺（quē）乏应（yīng）对能力。从这些观点来看，应把（bǎ）作为粗（cū）原料的铁的生产分散到资源国，通过合作来解决目前削减CO2的课题。扩大（dà）废钢的使用，可（kě）以大幅度减少CO2的排放，但日（rì）本（běn）废钢的进口（kǒu）量有限，因此日本提出了实现清洁生产应将（jiāng）生产地域分散，确保铁（tiě）源的构想（xiǎng）。

还原（yuán）铁的生产（chǎn）方法有许多种，下（xià）面（miàn）只介绍可（kě）使用普通煤的（de）转底（dǐ）炉生（shēng）产法的ITmk3和FASTMET。它（tā）们不受原料煤的制约，采（cǎi）用简单的方法就能生产（chǎn）还原铁。还原铁可大幅度提高铁含量，它可以加入高炉。虽（suī）然在使用煤基的高炉上（shàng）削减CO2的（de）效（xiào）果不明显，但在使（shǐ）用天然气生产还原铁时（shí）可以（yǐ）大幅度减少CO2的产生。还（hái）原铁和（hé）废钢的混（hún）合使用（yòng）可以削（xuē）减（jiǎn）CO2。目前一（yī）座回转（zhuǎn）炉年生产还原铁的***大量为100万t左右（yòu），如果（guǒ）能与盛产（chǎn）天然气的国家合作（zuò），也（yě）有助于日本削减CO2的产生。欧洲的ULCOS工艺在利用还原铁方面也引人关注（zhù）。

5.结束（shù）语

对（duì）于今（jīn）后削减CO2的要求，应（yīng）通过改（gǎi）善工艺功能实现低碳和（hé）脱碳炼铁（tiě）。在这种情况下，将低碳和脱碳（tàn）组合的多角度系统设（shè）计以及改善炼铁（tiě）原（yuán）料功能很重要。作（zuò）为高炉的（de）未来发展，可以考虑几种以氧（yǎng）气高炉（lú）为基础（chǔ）的低CO2排放（fàng）工艺，通过与（yǔ）喷吹还原气（qì）体用的CO2分离工艺的组合，就能显示出（chū）其（qí）优越性。如（rú）果能以CO2的（de）分离、存（cún）贮（zhù）为前提（tí），选择的范围会扩大，但在实现CCS方面还（hái）存（cún）在一（yī）些不（bú）确定的因素。尤其是（shì），日本对CCS的实际（jì）应用问题还需（xū）进（jìn）行详细的研（yán）究。以CCS为前提的（de）工艺设计还存在着（zhe）危险性，需要将（jiāng）其作为（wéi）未来的目标进行研究开发，但必（bì）须冷静判断。钢（gāng）铁生产设备（bèi）的使用（yòng）年限长，2050年并不是（shì）遥远的未来，应（yīng）考虑与现有高炉的（de）衔接性，明确今（jīn）后（hòu）的技术开发目标。

今后的问题是（shì）研究各种新工（gōng）艺的验证方法。商用高（gāo）炉为5000m3，要在大（dà）型（xíng）高炉应用目前还是个问题。欧洲（zhōu）的ULCOS只（zhī）在8m3的试验高炉（lú）上进行基础研究，还（hái）处在工艺原理（lǐ）的认识阶段（duàn），商用高炉（lú）的（de）试验还停留在计划阶（jiē）段（duàn）。日本没有（yǒu）做验证的设备。