1.采（cǎi）用高炉新工艺减（jiǎn）少CO2排放

目前，高炉（lú）采取热风（fēng）热送（sòng），热风中（zhōng）的氮起热传递的作用，但对还原不起作用。氧气高炉炼铁工艺是从风口吹入冷氧气，随（suí）着还（hái）原气（qì）体浓度的升高，能（néng）够提高高炉的还原功能。由于气体（tǐ）单耗的下降和还原速度的提高（gāo），因（yīn）此如果产量一定，高炉内容（róng）积就可比（bǐ）目前高炉减小（xiǎo）1/3，还有助（zhù）于缓（huǎn）解原（yuán）料强度等条件的制约。

国外进行了一些氧（yǎng）气高炉炼铁的试验，但都（dōu）停留在理论研究。日本已采用试验（yàn）高炉进行（háng）了（le）高炉吹氧炼铁实验和（hé）在（zài）实际高炉进行氧气燃烧器的（de）燃烧实验。大量的制氧会增（zēng）加电耗，这也是一个需（xū）要研究的课题。但（dàn）是，由于炉顶气体中的（de）氮是游离氮，有助于高（gāo）炉（lú）内气（qì）体的（de）循环，且由于气体量少、CO2分压高，因此CO2的分离比（bǐ）目前的高炉容易。将（jiāng）来在可进行工业（yè）规模CO2分离的情（qíng）况下，可以大幅度减少CO2的排放。如果能开发出能源效率比目前的深冷分离更好的制氧（yǎng）方法，将会得到更（gèng）高的好评（píng）。

对氧气（qì）高（gāo）炉炼铁工艺、以氧气高炉（lú）为基础再加上（shàng）CO2分离（lí）及（jí）炉（lú）顶气（qì）体循环的炼铁工（gōng）艺（yì）进行了比较（jiào）。两种（zhǒng）工艺都喷吹（chuī）大（dà）量（liàng）的（de）粉煤作为辅助还原剂（jì）。由（yóu）于高（gāo）炉（lú）上部没有起热传递作用的氮，热量不足，因此（cǐ）要喷吹循环气体。以氧气高炉为基础（chǔ）再加上CO2分离及（jí）炉顶气体循环的炼铁工艺，在（zài）去除（chú）高炉炉顶气体中的CO2后，再将其从炉身上部或风（fēng）口吹入，可提高还（hái）原能力。对（duì）未（wèi）利（lì）用（yòng）的还原气体进行再利用，可大幅度削减输（shū）入碳的量，可大幅度减少CO2排放。高（gāo）炉内的还原变化，可分为CO气体还原、氢还（hái）原和固（gù）体碳的（de）直接还原，在普通高炉中它们（men）的还原率分别（bié）为60%、10%和30%。如果对炉（lú）顶气（qì）体进行（háng）CO2分（fèn）离（lí），并循环利用CO气体，就能提高气体的还原功能，使直（zhí）接还原（yuán）比率降（jiàng）至（zhì）10%左右，从而降低还原剂比。

为（wéi）降低焦比，在外部制造还原（yuán）气体再吹入（rù）高炉内的想（xiǎng）法（fǎ）很（hěn）早就有，日本从20世纪70年（nián）代就（jiù）进（jìn）行技术开发，主（zhǔ）要有（yǒu）FTG法和（hé）NKG法。前者是通（tōng）过重油的部分氧化制造还原气（qì）体再从高（gāo）炉（lú）炉身上部吹（chuī）入；后者（zhě）是用高炉炉顶煤（méi）气（qì）中的CO2对焦炉（lú）煤气（qì）中的甲烷进行改质（zhì）后作为高温还原气体吹入高炉。这些（xiē）工艺技术（shù）的原本目的就是要大幅度降低焦（jiāo）比（bǐ），它（tā）们与炉顶煤气循环在技术方面（miàn）有许多共同点和参（cān）考之处。已（yǐ）对高炉内煤气的渗（shèn）透进行（háng）了广泛的研究，如模型计算和炉（lú）身（shēn）煤气喷吹等。

在以氧气（qì）高炉外加CO2分离并（bìng）进（jìn）行炉顶煤气循环工艺为基（jī）础的整个炼铁厂的CO2产生量中，根据模（mó）型计（jì）算可知利（lì）用炉顶煤气循环可将高炉还原（yuán）剂比降到434kg/t。由于不需要热风炉，因此可减少该工序（xù）产生的CO2。但另一（yī）方面，由（yóu）于制氧消耗的（de）电（diàn）力会使电（diàn）厂增加CO2的产生量。总的（de）来说，可（kě）以减少CO2排放9%。如果在制氧（yǎng）过程中能使用（yòng）外（wài）部产生的清洁能源，削减CO2的效（xiào）果会进一步增大。

这（zhè）些技术的发展趋（qū）势因循（xún）环煤气量的分配和供给（gěi）下道工序能（néng）源设定的（de）不同而不同，其中（zhōng）还包括了其它的条（tiáo）件。

采用模拟模型求出（chū）的CO2削减率的（de）变化。

上部基准线为（wéi）输入碳的（de）削（xuē）减率。如果能排除因CO2分离而固（gù）定的CO2，作为出口侧基准线的（de）CO2就（jiù）能减少大约50%。也就是说，如果能从单纯（chún）的CO2分离向CO2的输（shū）送、存（cún）贮和固定（dìng）进（jìn）行展开，就能大幅度削减CO2。但是，为同时减少供给下道工序的能源，因（yīn）此（cǐ）同时对下（xià）道（dào）工序进行节能是（shì）很重要（yào）的。在一般炼铁（tiě）厂的下道工序中需（xū）要0.8-1.0Gcal/t的能（néng）源，在考虑补充（chōng）能（néng）源的（de）情况下，***好使用与（yǔ）碳无关的能源。如（rú）果能忽（hū）略供（gòng）给下道工序的（de）能源，***大限度地（dì）使用（yòng）生（shēng）产（chǎn）中所产生的气体，如炉顶煤气的循环利用等，就可以减（jiǎn）少大约25%的输（shū）入（rù）碳。这（zhè）相当于（yú）欧（ōu）洲ULCOS的（de）新型高炉（NBF）的目标。

2.炉（lú）顶（dǐng）煤（méi）气循环（huán）利用和氢气利用的评价

为减少CO2排放，日本政府正在积极推进COURSE50项目。所谓COURSE50项目就是（shì）通过采用创新（xīn）技术减少CO2排放（fàng），并分离、回收CO2，50指（zhǐ）目（mù）标年是2050年。

炉顶煤气循环利用和氢气利用的工艺是由对焦炉煤气中的甲烷进行水蒸汽（qì）改质、使氢增加并利用（yòng）这（zhè）种（zhǒng）氢进行还原的方法和从高（gāo）炉炉顶煤气中分（fèn）离CO2再将炉顶煤气循环利用于高炉的工艺构成。在利用氢时由于制氢需要消耗很多的能（néng）源，因（yīn）此总（zǒng）的工艺评价产生了问题，但该工艺能通（tōng）过利（lì）用（yòng）焦（jiāo）炉煤气的显热来补充（chōng）水蒸汽（qì）改（gǎi）质所需的热能。计算结果表明，由于CO2的（de）分离、固定和氢（qīng）的利用，高炉炼（liàn）铁（tiě）可减少（shǎo）CO2排放30%。氢（qīng）还原的优点是还原速度快（kuài）。但由于氢（qīng）还原（yuán）是吸热反（fǎn）应，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（píng）衡。根据理查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，当从风口喷吹的氢（qīng）还原率（lǜ）比（bǐ）普通操作（zuò）倍（bèi）增时，由于氢还原（yuán）的吸热（rè）反应（yīng）和风口（kǒu）回旋区温度（dù）保障需要而要求富氧鼓（gǔ）风的影响，高炉上（shàng）部气体的供给热能和固体侧所（suǒ）需的热能没有多余，接（jiē）近热能移动的操作极（jí）限，因此难以（yǐ）大量（liàng）利用氢。如果高炉（lú）具（jù）备还原气体（tǐ）的制造功能，并（bìng）能使用天然气或焦炉煤气等氢系气体（tǐ），那么利用（yòng）气（qì）体（tǐ）中的C成（chéng）分就能达到热平衡（héng），还能分享到氢还原的好（hǎo）处（chù）。在各种气体（tǐ）中，天然气是（shì）***好（hǎo）的气体。在一（yī）面从外（wài）部（bù）补充（chōng）热能，一面制氢的工艺研究中还包含了优化喷吹量和优化喷吹位（wèi）置等（děng）课题（tí）。

高炉内（nèi）的还原可（kě）分为CO气体间接（jiē）还原、氢还原和直接还原，根据（jù）其还原的分配比（bǐ）可以明确还（hái）原平衡控（kòng）制、炉（lú）顶煤气（qì）循（xún）环（huán）或氢还（hái）原强化的（de）方向。根据模型计算可知，在普通高炉基（jī）本条件下（xià），CO间（jiān）接还原为62%、氢还原为（wéi）11%、直接还原（yuán）为27%。

在氧气高炉的基础上对炉顶（dǐng）煤气进行CO2分离，由此可提（tí）高返回高炉内的CO气体的还（hái）原能（néng）力，此时虽（suī）然CO气体（tǐ）的还原能（néng）力会因循环气体量分配的不同（tóng）而不同，但CO还原会提高到（dào）大约（yuē）80%，直接还原会下降到10%以（yǐ）下。根据喷吹的氢（qīng）系气体如（rú）COG、天然（rán）气和氢（qīng）的计算结果（guǒ）可知，在氢还原加强的情况下，会出现（xiàn）氢还原（yuán）增加（jiā）、直接还原下降（jiàng）的情况（kuàng）。另一方面，循环气体的上下运动会使输入碳减少，实现低碳炼铁的目标。另外（wài），当（dāng）还原气体都（dōu）是从炉身部吹（chuī）入时，其（qí）在（zài）炉内的浸透和扩散会影响到（dào）还原效果。根据（jù）模型（xíng）计算可知，气体（tǐ）的渗透受动（dòng）量（liàng）平衡的控制。采用CH4对CO2进行改质，并以（yǐ）炉顶煤（méi）气中的CO2作为改质源，还原气体的性状不会偏向氢。

从CO2总产生量***小（xiǎo）的观点来看，在炉顶（dǐng）煤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艺优化。在2050年（nián）实现COURSE50项目后，为追求新的炼铁工艺，还必须对热风高炉的基础概念（niàn）做进一步的研究。

3.欧（ōu）洲ULCOS

ULCOS是（shì）一个（gè）由欧洲15国48家企业和研究（jiū）机（jī）构共同参与的研究（jiū）课题，始于2004年，它（tā）以欧盟旗（qí）下的煤（méi）与钢研究基金（RFCS基金）推进研究（jiū）。

该研（yán）究课题由（yóu）9个子（zǐ）课（kè）题（tí）构成，技术研究范围很广，甚至包括了（le）电（diàn）解法炼铁（tiě）工艺研（yán）究。重点是高（gāo）炉炉（lú）顶（dǐng）煤气循环为特征的新型高炉（NBF）、熔融还原（HIsarna）和直（zhí）接还原工艺的研究。当前（qián），在推进这（zhè）些研究（jiū）的同时，要（yào）全力（lì）做好未来削减CO2排放50%目标的（de）***佳工（gōng）艺的研究。目前，研（yán）究的核心课题（tí）是NBF。根据还原气体的再加热、还原气体的喷吹位置，对4种模型进行了（le）研究（jiū）。

作为（wéi）NBF工（gōng）艺的验证，采用（yòng）了瑞典的MEFOS试验高炉（炉内容积8m3），从2007年9月开始进行6周NBF实际操作试验。在两种模（mó）型条件下，用VPSA对炉顶（dǐng）煤气中的（de）CO2进行吸附分（fèn）离，然后（hòu）从高炉风口（kǒu）和炉（lú）身（shēn）下（xià）部进行喷吹试验，结果表明可削（xuē）减输（shū）入碳24%。今后，加上可（kě）再（zài）生物（wù）的利（lì）用，能够实现削减CO2排放（fàng）50%左右（yòu）的目标（biāo）。为验证实际高（gāo）炉中喷吹还原气体（tǐ）的（de）效果，下一（yī）步准备采（cǎi）用小型商业高炉进行炉顶煤气循环试（shì）验，但由于研究资（zī）金的问题（tí），研究进度有（yǒu）些迟（chí）缓。

另（lìng）外，荷（hé）兰（lán）CORUS将开始进行HIsarna熔融还原工艺的中间试验。该技术是将澳大利亚的HIsmelt技术与20世纪（jì）90年代CORUS开发（fā）的（de）CCF（气体循环式转炉）结合的（de）工艺。该工艺的特征是，先将煤进（jìn）行预（yù）处理，炭化后作为熔融还原炉（lú）的碳（tàn）材，通过二次燃烧使熔融还原（yuán）炉产生的气体变成高浓度CO2，然后对CO2进行分离，并将产生的热能变（biàn）换成电能。氢的利用（yòng）也（yě）是ULCOS研究（jiū）的课题之（zhī）一，主（zhǔ）要目的是（shì）利用天（tiān）然气（qì）的改质，将氢用于矿（kuàng）石的直接还原。这不仅仅是针对高炉的研究课题，同时还涉及实施国的各种（zhǒng）不同（tóng）的实（shí）际工（gōng）艺研究（jiū）。

4.与资源国（guó）的合（hé）作和分散型炼铁厂（chǎng）的构想

钢（gāng）铁生产国（guó）从资源国进口了大量的煤（méi）和铁矿石，从物（wù）流（liú）方面来看，钢铁生产是从资源国（guó）的开（kāi）采就开始了。从削减CO2的观点来看，并没有从开采、输送和钢铁生产的（de）全过程来研（yán）究***佳的（de）CO2减排办（bàn）法。就（jiù）铁矿石而言，它是产（chǎn）生CO2的物质根源（yuán），钢铁生产国在进口铁矿（kuàng）石（shí）的同时也进口了（le）铁矿（kuàng）石（shí）中的（de）氧和铁（tiě），因此钢铁生产国几乎统包了CO2产（chǎn）生的全过（guò）程（chéng）。虽然对煤进行了预处理，但从（cóng）经（jīng）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（zhī）相符（fú）的原料（liào）性状的管理（lǐ），如原料的（de）品位等。同时应在大量处理原料的资（zī）源国（guó）加强对原料性状的改善，研究减少CO2排放的（de）方法。铁矿石中的氧、脉石、水分和煤中（zhōng）的灰分与高（gāo）炉还原剂比有直接（jiē）的关系（xì），在（zài）钢铁生（shēng）产中因（yīn）脉石和灰分（fèn）而产生的高炉渣会增加CO2的产生量（liàng）。因此，如果资源国能（néng）进一步提（tí）高铁矿石（shí）和煤的品位，就能改（gǎi）善焦（jiāo）炭（tàn）和（hé）烧结（jié）矿（kuàng）的性状、降低焦比，从（cóng）而有（yǒu）助于高（gāo）炉实现（xiàn）低还原剂比操作。根据计算可知，煤灰分减少2%，可（kě）降低（dī）还原剂比10kg/t铁水。另外（wài），从（cóng）削减CO2排（pái）放的观点（diǎn）来（lái）看，还应该考虑从资源（yuán）开采到（dào）钢铁产品生产（chǎn）全过程的各（gè）种CO2减排（pái）方法。

日（rì）本田（tián）中等人提（tí）出了以海外资源国生产（chǎn）还原铁为轴线的分（fèn）散型炼铁厂的构想。目前，人们重视大型高炉（lú）的生产率（lǜ），追求（qiú）集中（zhōng）式的（de）生产（chǎn）工艺，但对于资源问题和削减CO2的（de）问题缺乏应（yīng）对能（néng）力（lì）。从这些观点来（lái）看，应把（bǎ）作为粗原（yuán）料的铁的生产分散到资源国，通过合（hé）作（zuò）来解决（jué）目（mù）前削减CO2的课题。扩大废（fèi）钢的使用，可以（yǐ）大（dà）幅（fú）度减少（shǎo）CO2的排放，但日本废钢的进口量有限，因此日本提出了实现（xiàn）清洁（jié）生产应将生（shēng）产地域分散，确保铁（tiě）源的构想。

还原铁（tiě）的生产方法有许多种，下（xià）面只介（jiè）绍可使用普通煤的转底炉生产法的（de）ITmk3和FASTMET。它们不受（shòu）原料煤的（de）制约（yuē），采用简单的方（fāng）法就能生产还原铁（tiě）。还原铁可大幅度提（tí）高铁含量（liàng），它可以加入高炉。虽然在使（shǐ）用煤基的高炉上削（xuē）减CO2的效果不（bú）明显，但在使用天然气生产还原铁时（shí）可（kě）以大幅度减少CO2的产生。还原铁和废钢的混合使用可以削减CO2。目前一座回转炉年生产还原铁（tiě）的***大量为100万t左右，如果能（néng）与盛产天（tiān）然气的国家合作，也有助于（yú）日本削（xuē）减CO2的产生。欧洲的ULCOS工艺在利用还原铁方面也引（yǐn）人关注。

5.结束语

对于今后（hòu）削减CO2的要（yào）求，应（yīng）通过改善工艺功能实现（xiàn）低（dī）碳（tàn）和脱碳（tàn）炼（liàn）铁。在这种情况下，将低碳和脱碳组合的多角度系统设计以及改（gǎi）善炼铁原（yuán）料功能很重要（yào）。作为（wéi）高炉的未来发展，可以考虑几种以氧气高（gāo）炉（lú）为基础的低CO2排放（fàng）工艺，通过与喷（pēn）吹还原气体用的CO2分离工艺的（de）组合，就能显示出其优越（yuè）性。如（rú）果（guǒ）能以（yǐ）CO2的（de）分离、存贮为前提，选择的范围会扩（kuò）大，但在实现CCS方（fāng）面还存在（zài）一些不确（què）定的（de）因素。尤其是，日本对CCS的实际应用（yòng）问题还需进行（háng）详细的研究。以CCS为前提的工艺（yì）设计还存（cún）在（zài）着（zhe）危险（xiǎn）性，需要将其作为未来的（de）目标进行研（yán）究开（kāi）发（fā），但必须（xū）冷（lěng）静判断。钢铁生产设备（bèi）的使用年限长，2050年并不是遥远的未（wèi）来，应考虑与（yǔ）现有高（gāo）炉（lú）的衔（xián）接（jiē）性，明确今（jīn）后的技术开发目标。

今后的问题是研究各种新工（gōng）艺（yì）的（de）验证方法。商用高炉（lú）为5000m3，要在大型高（gāo）炉应用目前还是个问题。欧（ōu）洲的（de）ULCOS只在8m3的（de）试验高炉上（shàng）进行基础研究，还处在（zài）工艺（yì）原理（lǐ）的认识阶段，商（shāng）用高炉的试验还停留在（zài）计划阶段。日（rì）本没有（yǒu）做（zuò）验证的设（shè）备。