1.采用高炉新工艺（yì）减（jiǎn）少CO2排放

目前，高炉采取（qǔ）热风热送，热（rè）风中的氮起热传递（dì）的作用，但对还（hái）原不起作用。氧气高炉炼铁（tiě）工艺是从风口吹入冷氧气，随着还原气体浓度的升高，能够提高高炉的（de）还原功（gōng）能。由于气体单耗的下（xià）降和还原速度的提高，因（yīn）此如果产量一定，高炉内容（róng）积就可比目前高炉减小（xiǎo）1/3，还有助于缓解原（yuán）料强度等条件（jiàn）的制约。

国外进行了一些氧气（qì）高（gāo）炉炼铁的试验，但都停留在理论（lùn）研究。日本已采用试验高炉进行了高炉吹氧炼铁实验（yàn）和在实际高炉（lú）进行氧气燃烧器的燃烧实验（yàn）。大量的制（zhì）氧会增加电耗，这也是（shì）一个需要（yào）研究的课题。但是，由（yóu）于炉顶气体中（zhōng）的氮是游离氮，有（yǒu）助于（yú）高炉内气体的循环，且由（yóu）于气体量少、CO2分（fèn）压高，因此（cǐ）CO2的分离比目前的高（gāo）炉容易。将来在可进行工业（yè）规（guī）模CO2分离的情况下，可以大幅度减少CO2的排放（fàng）。如果能开发出能（néng）源效率比目前的深冷（lěng）分离更（gèng）好的（de）制氧方法，将会得到更高的好评。

对氧气高炉炼铁工（gōng）艺（yì）、以氧气高炉为（wéi）基础再加上CO2分离及炉顶（dǐng）气体（tǐ）循环的炼（liàn）铁工艺进行了比较。两种工艺都喷吹大量的粉煤作为（wéi）辅助还原剂。由于高炉上部没有（yǒu）起热传递（dì）作用的氮（dàn），热量不足，因此（cǐ）要喷吹循环（huán）气体。以氧气高炉为基础再（zài）加上CO2分离（lí）及炉顶气体循环的炼铁工艺（yì），在去除高炉炉顶气体中的（de）CO2后，再将其从炉身上部或（huò）风口吹入，可提高还原能力。对（duì）未利用的还原气体（tǐ）进行再利用（yòng），可大幅度削减输入碳（tàn）的量，可大幅度减（jiǎn）少CO2排放（fàng）。高炉内（nèi）的还（hái）原（yuán）变化，可分为CO气体（tǐ）还原、氢还（hái）原和固（gù）体碳的直接还原，在普（pǔ）通高炉中它们（men）的还（hái）原率分别为60%、10%和30%。如果对（duì）炉顶气体进行CO2分离，并（bìng）循环利用CO气体，就能提高气体的还原功能，使直接还原比率降至10%左右（yòu），从而降低还原（yuán）剂比。

为（wéi）降低焦比，在外部（bù）制造还（hái）原（yuán）气体再吹入高（gāo）炉内的（de）想法很（hěn）早就（jiù）有，日本从20世纪70年代就进行技术开发，主要（yào）有FTG法和NKG法。前者是通过重油的部分氧化（huà）制造还原气体（tǐ）再从高炉（lú）炉身（shēn）上部吹入（rù）；后（hòu）者是用高炉（lú）炉顶煤气中的CO2对（duì）焦炉（lú）煤气中的甲烷进行改质（zhì）后作为高温（wēn）还原气体吹入高炉。这（zhè）些工艺技术的原本目的就是要大幅（fú）度降低焦比，它（tā）们与炉顶煤气循环在（zài）技术方面有许多（duō）共同（tóng）点和参考之处。已对高炉（lú）内（nèi）煤气的（de）渗透进行了广泛的研究，如模型计算和炉身煤气喷（pēn）吹（chuī）等。

在以氧气高炉外加（jiā）CO2分离并（bìng）进行炉顶（dǐng）煤气循环工艺为基础的（de）整个炼（liàn）铁厂的CO2产（chǎn）生量中（zhōng），根据模型计算可知（zhī）利用炉顶煤气循环可将高炉还原剂比降（jiàng）到434kg/t。由于（yú）不（bú）需要热风炉，因此（cǐ）可减少该（gāi）工序产生的CO2。但另一方（fāng）面，由（yóu）于（yú）制氧消耗的电力会（huì）使电厂增加CO2的产生（shēng）量。总（zǒng）的来说（shuō），可以减（jiǎn）少CO2排放9%。如果在制氧过程中能使（shǐ）用外部（bù）产（chǎn）生的清洁（jié）能（néng）源，削减（jiǎn）CO2的效果（guǒ）会进一步增大（dà）。

这些技术的发（fā）展趋势（shì）因循环煤气（qì）量的分配和供（gòng）给下道工序能源设定的不同而不同，其中还包（bāo）括了其它的条件。

采用模拟模型（xíng）求出（chū）的CO2削（xuē）减率的变（biàn）化。

上（shàng）部基准（zhǔn）线为输入碳（tàn）的削减率。如果能排除因CO2分（fèn）离（lí）而固定的CO2，作（zuò）为出口侧基准线的CO2就能（néng）减（jiǎn）少大约50%。也就是说，如果（guǒ）能从（cóng）单纯的（de）CO2分离向CO2的输送、存贮和（hé）固定进行（háng）展开，就（jiù）能大幅度削减（jiǎn）CO2。但是（shì），为（wéi）同时减少供（gòng）给（gěi）下道工序的能源，因此同（tóng）时对下（xià）道（dào）工序（xù）进行节能是（shì）很重要的（de）。在一般炼铁厂的下道（dào）工序中需要（yào）0.8-1.0Gcal/t的能源，在考虑（lǜ）补充（chōng）能（néng）源的（de）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，***大（dà）限度地使用生产中（zhōng）所产生的气（qì）体，如炉顶煤气的循（xún）环利（lì）用等，就可以减少大约25%的（de）输入碳。这相（xiàng）当（dāng）于欧洲ULCOS的新型高炉（NBF）的（de）目（mù）标。

2.炉顶（dǐng）煤气循（xún）环利（lì）用（yòng）和（hé）氢气利用的评价（jià）

为减少CO2排放（fàng），日本政府（fǔ）正在积极（jí）推进COURSE50项目。所谓COURSE50项目就（jiù）是通过（guò）采用创新技术（shù）减（jiǎn）少CO2排放，并（bìng）分离、回收CO2，50指（zhǐ）目标年是（shì）2050年。

炉顶煤（méi）气循环利用和氢气利（lì）用的工艺是由对焦（jiāo）炉煤气中的（de）甲（jiǎ）烷进行水蒸汽改质、使（shǐ）氢增加（jiā）并利用这种（zhǒng）氢进行还原的方法和从高炉炉（lú）顶煤气（qì）中分离CO2再将炉顶煤气（qì）循环利（lì）用（yòng）于高炉（lú）的工艺构成。在利用氢（qīng）时（shí）由（yóu）于（yú）制氢需要消耗很多的能源，因此（cǐ）总的工艺评价（jià）产生了问题，但该工艺能（néng）通过利用焦炉煤气的显热来补充（chōng）水蒸汽改质（zhì）所需的热（rè）能。计（jì）算结果表明，由于CO2的（de）分离、固定（dìng）和氢的利用，高（gāo）炉炼铁可（kě）减（jiǎn）少CO2排放30%。氢还原（yuán）的（de）优（yōu）点是还原速度快。但由于氢还原是吸热（rè）反应，与CO还原不（bú）同（tóng），因此（cǐ）必须注意氢还原扩大时（shí）高（gāo）炉上部的热（rè）平衡（héng）。根（gēn）据理查德图对从风口喷吹氢（qīng）时的热平衡进行（háng）了计算。结果可知（zhī），当从风（fēng）口喷吹（chuī）的氢（qīng）还（hái）原率（lǜ）比普（pǔ）通（tōng）操（cāo）作倍增时，由于氢（qīng）还（hái）原的吸热（rè）反（fǎn）应和（hé）风口回旋区温度（dù）保（bǎo）障需要而要求（qiú）富氧鼓（gǔ）风的影（yǐng）响，高炉上部（bù）气体的供给热能和固体侧所需的热（rè）能没有（yǒu）多余，接近热能移动的操作极限（xiàn），因此难以大量利用氢。如果高炉（lú）具备（bèi）还原气体的（de）制造功能，并能使用天然（rán）气或焦炉（lú）煤气等氢系气体，那么利用气体中的C成分就能达到热平衡，还能分享（xiǎng）到氢还原的好处。在（zài）各种气体中，天然气是***好（hǎo）的气体（tǐ）。在一面从外部（bù）补充热能，一（yī）面制氢的工（gōng）艺研究（jiū）中还包含了优化喷（pēn）吹量（liàng）和优（yōu）化喷吹位置等课题（tí）。

高炉内（nèi）的还原（yuán）可（kě）分为CO气体间接还原、氢还原和直接（jiē）还原，根据其还原的分（fèn）配比可以（yǐ）明确还原（yuán）平衡控制、炉顶煤气循（xún）环（huán）或（huò）氢还原强化的方向。根据（jù）模型计（jì）算可知（zhī），在普通（tōng）高炉基本条件下，CO间接（jiē）还原（yuán）为62%、氢还原为（wéi）11%、直接还原为27%。

在氧气高炉的基础上（shàng）对炉顶煤（méi）气（qì）进（jìn）行CO2分离（lí），由此可提高返回高炉（lú）内的CO气体的还原能力，此时虽然CO气体的还原能力会（huì）因循环气体量分（fèn）配的不（bú）同（tóng）而不同（tóng），但（dàn）CO还（hái）原会提高到大约80%，直接（jiē）还原（yuán）会下降到10%以下。根（gēn）据（jù）喷吹的（de）氢系气体如COG、天（tiān）然气和氢的计算结果（guǒ）可知，在氢还原加强的（de）情（qíng）况下（xià），会出现氢（qīng）还原增（zēng）加、直接还（hái）原下降的情况。另一（yī）方面，循环气体的上下运动会使输入碳减（jiǎn）少，实现（xiàn）低碳炼铁的目标。另外（wài），当还原气体（tǐ）都是从炉（lú）身（shēn）部吹入时，其在（zài）炉内的浸透和（hé）扩散（sàn）会影响到还原效（xiào）果。根（gēn）据模型计（jì）算可（kě）知，气体的渗（shèn）透受动量平衡的控制。采用CH4对CO2进行（háng）改质，并以炉（lú）顶煤气中的CO2作为改质源，还原气体（tǐ）的性（xìng）状不会偏向氢。

从（cóng）CO2总产生量（liàng）***小的观点来看，在炉顶（dǐng）煤气循环和氧（yǎng）气（qì）高炉（lú）的基础上（shàng），还要考虑喷吹还原气体时的（de）工艺优（yōu）化。在2050年实现COURSE50项目后（hòu），为追求新（xīn）的炼铁（tiě）工（gōng）艺，还必须对（duì）热风高炉的基（jī）础概念做进（jìn）一步的研究。

3.欧洲ULCOS

ULCOS是一（yī）个由欧（ōu）洲15国48家企业（yè）和研究机构共同参（cān）与的研究课（kè）题，始于2004年，它以欧盟旗（qí）下的煤与钢（gāng）研究基金（jīn）（RFCS基金）推（tuī）进（jìn）研究。

该研究课题（tí）由（yóu）9个子课题（tí）构成，技术研（yán）究范围很广（guǎng），甚至包括了电解法炼铁工艺研究（jiū）。重点（diǎn）是高炉炉顶（dǐng）煤气循环为特征的（de）新型高炉（NBF）、熔融还原（HIsarna）和（hé）直接还原工艺（yì）的（de）研究。当前，在推进这些研究的同时（shí），要全力做好未来削减CO2排放50%目标的（de）***佳工艺的研究。目前，研究的核心（xīn）课题（tí）是NBF。根据还（hái）原气体（tǐ）的再加（jiā）热、还（hái）原气体的喷吹位置，对4种（zhǒng）模（mó）型进（jìn）行了研究（jiū）。

作为（wéi）NBF工艺（yì）的验（yàn）证，采用了瑞典的MEFOS试验高炉（炉（lú）内（nèi）容积（jī）8m3），从2007年9月开（kāi）始进行6周NBF实际操（cāo）作试验。在（zài）两种模型条件下，用（yòng）VPSA对炉顶煤气中的CO2进行吸附分离，然后（hòu）从（cóng）高炉（lú）风口（kǒu）和炉身下部进行喷吹试验（yàn），结果表明可（kě）削减输入碳24%。今后，加上可再生物的利用，能够实现削减CO2排放50%左右（yòu）的目标。为（wéi）验证实（shí）际高炉中喷吹还（hái）原气体的效果，下（xià）一步准备（bèi）采（cǎi）用小型商业高（gāo）炉进行炉顶（dǐng）煤（méi）气循环试验，但由于研究资金的问题（tí），研究进度有些迟缓（huǎn）。

另外，荷兰CORUS将开（kāi）始进行HIsarna熔融还原工艺的中间试验（yàn）。该技术是（shì）将澳大利亚的（de）HIsmelt技术与20世纪90年代CORUS开发的CCF（气体循环式转炉（lú））结合的（de）工艺。该工艺的特（tè）征是，先将煤进行预处理，炭化（huà）后作为熔（róng）融还原炉的碳（tàn）材，通过二（èr）次燃烧使熔（róng）融还（hái）原炉（lú）产生（shēng）的气（qì）体变成高（gāo）浓度CO2，然后对CO2进行分（fèn）离（lí），并（bìng）将（jiāng）产（chǎn）生的热能变（biàn）换成电能（néng）。氢的利用也是ULCOS研究的课题之一，主要目的（de）是利用天然气的改质，将氢用于矿石的直接（jiē）还原。这不仅仅是（shì）针对（duì）高炉的（de）研究课题，同时还涉及实施（shī）国的各种不同的实际工（gōng）艺研究。

4.与资源国的（de）合作和分散（sàn）型（xíng）炼铁厂的构想

钢铁生产（chǎn）国从资源国进口了大量（liàng）的（de）煤（méi）和铁矿石，从物流（liú）方面来看，钢铁（tiě）生产是从（cóng）资（zī）源（yuán）国的开采（cǎi）就开始（shǐ）了。从削减CO2的观点（diǎn）来看，并没有从开采（cǎi）、输（shū）送（sòng）和钢铁生产的全过程来研究***佳的CO2减（jiǎn）排（pái）办法（fǎ）。就铁矿石而言（yán），它是产生CO2的物质根源，钢铁生产国在（zài）进口铁矿石的同时（shí）也进口了铁（tiě）矿石中的氧和铁（tiě），因此钢铁（tiě）生产国几乎统包了CO2产生的全过程。虽然对煤进行了预处（chù）理，但从经济性方面来看，为实现削减CO2的低碳高炉操作，应加强与之相符的（de）原（yuán）料（liào）性状的管理，如原（yuán）料的品位（wèi）等。同时应在大量处理原料的资源国加强对原料性状的改（gǎi）善，研究减少CO2排放的方法。铁矿石中的氧、脉（mò）石、水分和煤中的灰分与高炉（lú）还原（yuán）剂比（bǐ）有直接的关系（xì），在钢铁生产中因脉石（shí）和（hé）灰分而产生的高炉渣会增加CO2的产生量。因此，如果资（zī）源（yuán）国能进一步（bù）提高铁矿石和煤的（de）品位（wèi），就（jiù）能（néng）改善焦炭（tàn）和烧结矿（kuàng）的性状、降低焦比（bǐ），从而（ér）有助于高炉（lú）实现低（dī）还原剂比操（cāo）作。根（gēn）据计算可知（zhī），煤灰分减少2%，可降（jiàng）低还（hái）原剂比10kg/t铁水。另（lìng）外，从（cóng）削减（jiǎn）CO2排放的观点来看，还应该考（kǎo）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（tián）中等人（rén）提（tí）出了（le）以海外资源国生产还原铁为轴线的分散型炼（liàn）铁厂（chǎng）的构想。目前，人们（men）重视大（dà）型（xíng）高炉的生产率，追求集（jí）中式的生产工艺，但对于资源问题（tí）和削减CO2的（de）问题缺乏应对能力。从（cóng）这（zhè）些观点来看，应把作为（wéi）粗（cū）原（yuán）料的铁的生产分散到资（zī）源国（guó），通过合作来解决目前削减（jiǎn）CO2的课题。扩大（dà）废钢的使用，可（kě）以大幅度减少CO2的排放（fàng），但日本废钢的进口量有限，因此日本（běn）提出了实现清洁生产应将生（shēng）产（chǎn）地域分散，确（què）保（bǎo）铁源的构想。

还原铁的（de）生产（chǎn）方法有许多种，下面只介绍可使用普通煤的转底炉生产法的ITmk3和FASTMET。它们不受原料煤（méi）的制约，采用简（jiǎn）单（dān）的（de）方（fāng）法就（jiù）能生产还原（yuán）铁。还原铁可大幅度提高铁含量（liàng），它可以加（jiā）入（rù）高炉。虽然（rán）在使（shǐ）用煤基的高炉上削减CO2的效果不明显，但（dàn）在使用（yòng）天然气生（shēng）产还原铁时（shí）可以大幅度减少CO2的产（chǎn）生（shēng）。还原铁（tiě）和废钢的混合使用可以削减（jiǎn）CO2。目前一座回（huí）转炉年生产还（hái）原铁的***大量为100万t左右，如果能与（yǔ）盛产天然气的国家合作，也有助于日本削减CO2的产生（shēng）。欧洲的（de）ULCOS工艺在（zài）利用还原（yuán）铁方面也引（yǐn）人关（guān）注。

5.结束语

对于今后削减CO2的要求，应通过改善工艺功能实（shí）现低碳和脱碳炼铁。在（zài）这（zhè）种情况下，将低碳和脱碳（tàn）组（zǔ）合的多角度系统（tǒng）设计（jì）以及（jí）改（gǎi）善炼铁原料功能很重要。作为高（gāo）炉的（de）未来（lái）发（fā）展，可以（yǐ）考虑几种以氧气高（gāo）炉为基础的（de）低（dī）CO2排放工艺，通过（guò）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（yuè）性。如果能以CO2的分离（lí）、存（cún）贮为前（qián）提，选择的范围会扩大，但（dàn）在实（shí）现CCS方面还存在一些不确（què）定的因素。尤（yóu）其（qí）是，日本对CCS的实际应用问题还需（xū）进行详细的研究。以CCS为前提的工艺设计还存在（zài）着（zhe）危（wēi）险性，需要将其作（zuò）为未来的目标（biāo）进行研究开发（fā），但（dàn）必须冷静判断。钢铁生产设备的（de）使用年限长，2050年（nián）并不（bú）是遥远的未来，应（yīng）考虑与现有高炉（lú）的衔接（jiē）性（xìng），明确（què）今后的技术（shù）开发目标。

今后的（de）问题是研究各（gè）种新工艺（yì）的（de）验证方法（fǎ）。商用高炉为5000m3，要在大型高（gāo）炉应用（yòng）目前还是（shì）个问题。欧洲的（de）ULCOS只（zhī）在（zài）8m3的试验高炉上进行基础研究，还处在工艺原理的认识阶（jiē）段，商用高炉（lú）的（de）试验还停留在计划阶（jiē）段。日本没有做（zuò）验（yàn）证的设备。