1.采（cǎi）用高炉新工艺（yì）减（jiǎn）少（shǎo）CO2排放

目前，高炉采（cǎi）取热风热（rè）送，热风（fēng）中（zhōng）的（de）氮起（qǐ）热（rè）传递的（de）作用，但对还原不起（qǐ）作（zuò）用。氧（yǎng）气高炉炼铁工艺是从风口吹入冷氧气，随（suí）着还（hái）原（yuán）气体浓度的升高，能够（gòu）提高（gāo）高炉的（de）还原功能。由于气体单耗的下降和还原速度的提高，因（yīn）此如果产量一定，高炉（lú）内（nèi）容积就可（kě）比目前高炉（lú）减小（xiǎo）1/3，还有助于缓解（jiě）原料强度等条件（jiàn）的制约。

国（guó）外进行了一些氧气高炉（lú）炼铁的试验，但都停留在（zài）理论研究。日本已采用试验高炉进行（háng）了（le）高炉吹氧炼铁（tiě）实验和在实（shí）际高（gāo）炉进行（háng）氧气燃烧器的（de）燃烧（shāo）实验。大量的制（zhì）氧会（huì）增（zēng）加电耗，这也（yě）是一（yī）个需要（yào）研究的课题。但（dàn）是，由于炉顶气体（tǐ）中的氮是游离氮，有助于高炉内气体的（de）循（xún）环，且由于气（qì）体量少（shǎo）、CO2分压高，因此CO2的分离（lí）比目前的高（gāo）炉（lú）容易（yì）。将来在可进行工业规模CO2分离的情况下，可以大幅度减少CO2的排放。如果能开发出能源效率比目前的深冷分离更好的（de）制氧方法（fǎ），将会得（dé）到（dào）更（gèng）高的好（hǎo）评。

对氧气高炉炼铁工艺、以氧气高炉为基础再加（jiā）上CO2分离及炉顶气体循（xún）环的炼铁（tiě）工艺进行了（le）比较。两种工（gōng）艺都喷吹大量的粉煤（méi）作为辅助还原剂。由于高炉上（shàng）部（bù）没有起热传递作用的（de）氮，热（rè）量不足，因（yīn）此要喷（pēn）吹（chuī）循（xún）环气体。以氧气（qì）高炉为（wéi）基础再加上CO2分离及炉顶气体循环的炼铁工（gōng）艺（yì），在（zài）去除高炉炉顶气（qì）体中的CO2后（hòu），再将其从（cóng）炉身上部或风口吹入，可提高还原（yuán）能力。对（duì）未利用的还原气体进行（háng）再利用（yòng），可大（dà）幅度（dù）削减输入碳的（de）量，可大（dà）幅度减少CO2排放。高炉内的还原变化（huà），可（kě）分为CO气体还原、氢还原和固体碳的直接还原，在普通高炉（lú）中（zhōng）它们的还原率分（fèn）别为（wéi）60%、10%和30%。如（rú）果对炉（lú）顶气体进行CO2分（fèn）离，并循（xún）环利用CO气体，就能提高（gāo）气（qì）体的（de）还原功能，使直接还原比（bǐ）率降至10%左（zuǒ）右，从而降低还原剂比（bǐ）。

为（wéi）降低焦比，在外部制造还原（yuán）气体再吹入高炉内的想法很早就有（yǒu），日（rì）本从20世纪70年代就进行（háng）技术开发，主要有FTG法和（hé）NKG法。前者是（shì）通过重油的（de）部分氧化制造还原（yuán）气体再从（cóng）高（gāo）炉炉（lú）身上部吹（chuī）入；后者是用高炉（lú）炉顶（dǐng）煤气中的CO2对焦炉（lú）煤（méi）气中的甲烷进行改质后作为高温（wēn）还原气体吹入高炉（lú）。这些工艺技术（shù）的原（yuán）本目的就是要大幅度降低焦（jiāo）比，它们与炉顶煤（méi）气循（xún）环在技术方面有许（xǔ）多共（gòng）同点和（hé）参考（kǎo）之（zhī）处。已对（duì）高炉内煤（méi）气的渗透（tòu）进行了广泛的研究，如模型计算（suàn）和炉身煤气喷（pēn）吹等（děng）。

在以氧气高炉外加CO2分离并进行炉顶（dǐng）煤气循环工艺为基础的整（zhěng）个炼铁厂的CO2产生（shēng）量中，根（gēn）据模型计算可知利用炉（lú）顶（dǐng）煤气循环可将高（gāo）炉（lú）还原剂比降到434kg/t。由于不需要热风炉，因此可减少该工序产生（shēng）的（de）CO2。但另一方（fāng）面，由于制氧消耗的电力会（huì）使电（diàn）厂增加CO2的产生量。总的（de）来说，可以减少CO2排放（fàng）9%。如（rú）果（guǒ）在制氧过程中能使用外部产生的清（qīng）洁能源，削减（jiǎn）CO2的效果（guǒ）会进一（yī）步增大。

这些技（jì）术的发展趋势因循环煤气量的分配和供给下（xià）道工序能源设定的（de）不同而不同（tóng），其（qí）中还包括（kuò）了（le）其它的条件。

采用模拟（nǐ）模型求出（chū）的CO2削减（jiǎn）率的变化。

上（shàng）部基准（zhǔn）线（xiàn）为（wéi）输（shū）入碳的（de）削减率。如果（guǒ）能排除因CO2分离（lí）而固定的CO2，作为出口侧基准（zhǔn）线（xiàn）的CO2就能减少大约50%。也就是说，如果能（néng）从（cóng）单纯的CO2分（fèn）离（lí）向CO2的输送、存（cún）贮和固定进行展开，就（jiù）能大（dà）幅度削减CO2。但是，为同时减少（shǎo）供给下道工序的能源，因此同时对下道工序进行节能（néng）是很重（chóng）要的（de）。在一（yī）般（bān）炼铁厂的下道工序中需要0.8-1.0Gcal/t的能源，在（zài）考虑补充能源（yuán）的情况下（xià），***好使（shǐ）用与（yǔ）碳（tàn）无（wú）关的（de）能源。如果（guǒ）能（néng）忽（hū）略供（gòng）给下道工序（xù）的能源，***大（dà）限度地使用生产中所（suǒ）产生的气（qì）体，如（rú）炉顶（dǐng）煤气的循环利用等，就可以减少大约25%的输入碳。这相当于（yú）欧洲ULCOS的新型高（gāo）炉（NBF）的目（mù）标。

2.炉顶煤（méi）气（qì）循环利（lì）用和氢（qīng）气利用的（de）评价

为（wéi）减少CO2排放，日（rì）本政（zhèng）府（fǔ）正在积极推进COURSE50项目。所谓（wèi）COURSE50项目就（jiù）是通过采用创新技术（shù）减少CO2排放，并分离、回收CO2，50指目标年（nián）是（shì）2050年。

炉顶煤气（qì）循环利用和氢气利用的工艺是（shì）由（yóu）对（duì）焦炉煤气中的甲烷进（jìn）行（háng）水（shuǐ）蒸（zhēng）汽改质、使氢增加并利用（yòng）这（zhè）种（zhǒng）氢进行还原（yuán）的方法和从（cóng）高炉炉顶煤气中分离CO2再将（jiāng）炉顶煤气循环利（lì）用于高炉的工艺（yì）构成。在利用氢（qīng）时由于制氢需要消耗很多的能源，因（yīn）此总的工（gōng）艺（yì）评价产生了问题，但该工艺能通过利用焦炉煤气的显热来（lái）补（bǔ）充水蒸汽改质（zhì）所（suǒ）需的热能。计算结果（guǒ）表（biǎo）明，由（yóu）于CO2的（de）分离、固定和氢的利用，高炉炼铁可减少CO2排放30%。氢还原的优点是还原速度快（kuài）。但（dàn）由于氢还（hái）原是吸（xī）热反应（yīng），与CO还原不同，因此（cǐ）必须注意氢还原扩大时高炉上部的热平衡。根据理查（chá）德图对从风口喷吹氢时的热平衡进行了（le）计算。结果可（kě）知，当（dāng）从风口喷吹的氢（qīng）还原率比普通操（cāo）作倍增时，由（yóu）于氢还原的吸热反（fǎn）应和风口（kǒu）回旋区温度保障（zhàng）需要而（ér）要求富氧（yǎng）鼓风的影响（xiǎng），高（gāo）炉上部气（qì）体的供（gòng）给热（rè）能和固体侧所需的热能没有（yǒu）多余，接（jiē）近热能移（yí）动的操作极限（xiàn），因此难以大量利（lì）用氢。如果高炉具备还原气体的制（zhì）造功能，并能使（shǐ）用天然气或焦炉煤（méi）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（néng）分享到氢还原的好处。在（zài）各种（zhǒng）气（qì）体中，天然（rán）气是***好的气体（tǐ）。在一（yī）面从外部补（bǔ）充热能（néng），一面制氢的（de）工艺研究中还包含了优化喷吹量和优化喷吹位置等课（kè）题。

高炉内的（de）还原可分为CO气体（tǐ）间接还原（yuán）、氢（qīng）还（hái）原和直接还原，根据（jù）其还原（yuán）的分（fèn）配比可以明确（què）还原平衡控制（zhì）、炉顶煤气循环或氢还原强化的方向。根据模型计算可知，在普通高炉基本条件下，CO间接（jiē）还（hái）原为62%、氢（qīng）还原为11%、直接还原为27%。

在氧（yǎng）气高炉的基（jī）础上（shàng）对炉顶煤气进（jìn）行CO2分（fèn）离，由此可提高返回高炉内的CO气体的还原能（néng）力，此时虽然CO气体（tǐ）的还原（yuán）能力会因循环气体量分配（pèi）的不（bú）同而不同，但CO还原会（huì）提高（gāo）到大约80%，直接还（hái）原会下降到10%以下。根（gēn）据喷吹（chuī）的氢系气体如COG、天（tiān）然气和氢的计算结果可知，在（zài）氢还原加（jiā）强（qiáng）的情况下，会出现氢还原增加（jiā）、直接还原（yuán）下降的情况。另一方面（miàn），循环气体的上下（xià）运动会使（shǐ）输入碳减少，实现低碳炼铁的目标（biāo）。另外，当还原气体都是从（cóng）炉身部吹入时，其在炉内的浸透和扩散会影响到还（hái）原效果（guǒ）。根据模型计算可知，气体的渗透受动量平衡的控制（zhì）。采用CH4对CO2进行改质，并以炉顶煤气中的CO2作为改（gǎi）质源（yuán），还原气体的性（xìng）状不会偏向氢。

从CO2总产生量***小的观点来看，在炉顶煤气循（xún）环和氧（yǎng）气高（gāo）炉的（de）基（jī）础上，还要考（kǎo）虑喷吹还原气体时的工艺优化。在2050年实现COURSE50项（xiàng）目后（hòu），为追求新的（de）炼（liàn）铁工艺（yì），还必须（xū）对热风高炉的（de）基础（chǔ）概念（niàn）做（zuò）进一步的研究（jiū）。

3.欧洲ULCOS

ULCOS是一个由欧洲15国48家企业和研究机构共同参（cān）与（yǔ）的研究课题，始于（yú）2004年，它以（yǐ）欧盟（méng）旗下的煤与钢研究基金（RFCS基金）推进研（yán）究。

该研究（jiū）课题由9个子课题构成（chéng），技（jì）术研究范围很广（guǎng），甚（shèn）至包括（kuò）了（le）电（diàn）解（jiě）法（fǎ）炼铁工（gōng）艺研究。重（chóng）点是高（gāo）炉炉（lú）顶煤气循（xún）环为特征的新（xīn）型高（gāo）炉（NBF）、熔融（róng）还原（yuán）（HIsarna）和（hé）直接还原工艺的研究。当前，在推进这些研究的同（tóng）时，要全力做（zuò）好未来削（xuē）减CO2排放50%目（mù）标（biāo）的***佳工艺（yì）的研究。目前，研究的核心课题是NBF。根据（jù）还原气（qì）体的再加热（rè）、还原气体的喷吹位置，对4种模型进行了（le）研究（jiū）。

作为NBF工艺的验证，采用了瑞典的（de）MEFOS试（shì）验高炉（炉内容（róng）积8m3），从2007年9月开始进行6周NBF实际操作试验。在两种模型条件下，用VPSA对（duì）炉顶煤气中的CO2进行（háng）吸附分离，然后从高炉风（fēng）口和炉身下部进行喷吹试（shì）验，结果表明可削减输（shū）入碳（tàn）24%。今后，加上可再生物的利用，能够实现削减CO2排（pái）放50%左右的目标（biāo）。为验（yàn）证实际高（gāo）炉中（zhōng）喷（pēn）吹还原气体的效果，下一（yī）步准备采用小（xiǎo）型商业高炉进行炉顶煤气循环试验，但（dàn）由于研究资金的问题，研究（jiū）进度有些迟缓。

另外，荷兰CORUS将开始进（jìn）行HIsarna熔（róng）融还（hái）原（yuán）工艺的中间试验（yàn）。该（gāi）技术是将（jiāng）澳大利亚的（de）HIsmelt技术与（yǔ）20世（shì）纪90年代CORUS开发的CCF（气体循环式转（zhuǎn）炉）结合的工艺（yì）。该工艺的特（tè）征（zhēng）是，先将煤（méi）进行预（yù）处理（lǐ），炭化后作为熔融还原炉的碳材，通（tōng）过二次（cì）燃烧使熔融还原炉产生的气体变成高浓度CO2，然后对CO2进行（háng）分离（lí），并（bìng）将产生的（de）热能变换成（chéng）电能。氢的利用也是ULCOS研究的课题之一（yī），主要目的是利用天然（rán）气的（de）改质，将氢用于矿石（shí）的（de）直（zhí）接还（hái）原。这不仅仅是（shì）针对（duì）高炉的（de）研究课题，同（tóng）时还涉（shè）及实施国的各种不同的（de）实（shí）际工艺研究。

4.与资源国的（de）合（hé）作和分散（sàn）型炼铁厂的（de）构想

钢（gāng）铁生产（chǎn）国从资源国（guó）进口了大（dà）量的煤和铁矿石，从物流方面来看（kàn），钢铁（tiě）生（shēng）产是从资源国的开采就（jiù）开始了。从削减CO2的（de）观点来看，并（bìng）没有从（cóng）开采（cǎi）、输送和（hé）钢铁（tiě）生（shēng）产的全过（guò）程（chéng）来研究***佳的CO2减排办法。就（jiù）铁（tiě）矿石（shí）而言，它是产（chǎn）生CO2的物质（zhì）根（gēn）源，钢铁生（shēng）产国在（zài）进口（kǒu）铁矿石的同时也进口了铁矿石（shí）中的（de）氧和铁，因此（cǐ）钢（gāng）铁生（shēng）产国几乎统（tǒng）包了CO2产生的全过程。虽然对（duì）煤进行了（le）预处（chù）理，但从经济性方面来看（kàn），为实现削减（jiǎn）CO2的低（dī）碳高炉操作，应加强与之相（xiàng）符的原（yuán）料性（xìng）状的管理（lǐ），如原（yuán）料的品位（wèi）等。同时应（yīng）在大量处理（lǐ）原料（liào）的资源国加强对原料性状（zhuàng）的（de）改善，研究减少（shǎo）CO2排（pái）放的方法（fǎ）。铁矿石中的（de）氧、脉石、水分和煤中（zhōng）的灰（huī）分与高炉还原剂比有（yǒu）直接的关系，在（zài）钢铁生产（chǎn）中因脉石和灰分而产生的高炉渣会增加CO2的产生量。因此（cǐ），如果（guǒ）资源国能进一（yī）步（bù）提高铁矿石和煤（méi）的品位，就能改善焦炭（tàn）和烧结矿（kuàng）的（de）性（xìng）状、降低焦比，从（cóng）而有助于高（gāo）炉实现低（dī）还（hái）原剂比（bǐ）操作。根据计算可知，煤灰分减少2%，可降低（dī）还原剂比（bǐ）10kg/t铁水（shuǐ）。另外，从削减CO2排放的（de）观点来看，还应（yīng）该考虑（lǜ）从（cóng）资源开采（cǎi）到钢（gāng）铁产品生产全过程的（de）各种CO2减（jiǎn）排方法。

日本（běn）田中等人（rén）提出（chū）了以（yǐ）海外资源国生产还原（yuán）铁（tiě）为（wéi）轴线的分散（sàn）型炼（liàn）铁厂（chǎng）的构想。目前，人们重视大型高炉的生产率（lǜ），追求（qiú）集中式的生（shēng）产工艺，但对于资（zī）源（yuán）问题和削减CO2的问题缺（quē）乏应对（duì）能力。从这些（xiē）观（guān）点来看，应（yīng）把作为粗原（yuán）料的铁的生产分散（sàn）到资源国（guó），通（tōng）过合作来解决目前削（xuē）减CO2的课题。扩大废（fèi）钢的使（shǐ）用，可以大（dà）幅度减（jiǎn）少（shǎo）CO2的排放，但日本废钢的进口量有限，因此日本提出（chū）了实现（xiàn）清洁（jié）生产应将（jiāng）生产（chǎn）地域分散（sàn），确保铁源的构想。

还原铁的生产方法有许多种，下（xià）面只介（jiè）绍可使用（yòng）普通煤的转（zhuǎn）底炉生产法（fǎ）的（de）ITmk3和（hé）FASTMET。它们不受原料煤的制约，采用简单的（de）方法（fǎ）就（jiù）能生（shēng）产还原铁。还原铁可大（dà）幅度（dù）提高铁含量，它可（kě）以加入高炉。虽然在使用煤基的高炉（lú）上（shàng）削减（jiǎn）CO2的效果不明显，但在使用天然气生产还原铁时可（kě）以大幅度减少CO2的产生。还原铁和（hé）废钢的混（hún）合使（shǐ）用可（kě）以削（xuē）减CO2。目前一座回转炉年（nián）生产还原铁的***大量为（wéi）100万t左右（yòu），如果能与盛（shèng）产天然气的国家合作，也有助于日本削（xuē）减CO2的产生。欧洲的ULCOS工艺在（zài）利用还原铁（tiě）方（fāng）面也引人关注。

5.结（jié）束语

对于今后削减CO2的（de）要求，应（yīng）通过改（gǎi）善（shàn）工艺（yì）功能实现低碳和（hé）脱碳（tàn）炼（liàn）铁。在（zài）这种情况下，将低碳和（hé）脱碳组合的多角度系统设计以及改善炼铁原料功能很重要。作为（wéi）高炉的未来发（fā）展，可以考虑几种以氧（yǎng）气高炉为（wéi）基础的低CO2排（pái）放工艺，通过与喷吹还原（yuán）气体用的CO2分离工艺（yì）的（de）组（zǔ）合，就能显示出其优越（yuè）性。如（rú）果能（néng）以CO2的分离、存（cún）贮为前提，选择的范（fàn）围会扩大，但在（zài）实现CCS方面还存在一些不确（què）定的因素。尤其是，日本（běn）对CCS的实际应用问题还需进行（háng）详细的研（yán）究。以（yǐ）CCS为前（qián）提的工（gōng）艺（yì）设（shè）计还（hái）存（cún）在着危险（xiǎn）性（xìng），需要（yào）将（jiāng）其作为未来的目标进行研究开发，但必须冷静（jìng）判断。钢铁生产设备（bèi）的使（shǐ）用（yòng）年限长，2050年（nián）并不是（shì）遥远（yuǎn）的未来，应考虑（lǜ）与现有高炉的衔接性，明确今（jīn）后的技（jì）术开（kāi）发目标。

今（jīn）后的问（wèn）题是研（yán）究各种新工艺的（de）验证方法。商用（yòng）高炉为5000m3，要在（zài）大型（xíng）高炉应用目前还（hái）是个问题。欧洲的ULCOS只在8m3的试（shì）验高炉上进行（háng）基础研究，还处在工艺原理（lǐ）的认识（shí）阶段（duàn），商用高炉的试验还停留在计划阶段（duàn）。日（rì）本没有做验证的设备。