1.采用高炉（lú）新工（gōng）艺（yì）减（jiǎn）少CO2排放

目前，高炉采取热风热（rè）送，热风（fēng）中的（de）氮起热传递的作用，但（dàn）对还原不起作用。氧气高炉炼（liàn）铁工艺是从风口（kǒu）吹入冷氧气（qì），随着（zhe）还原气体浓度的升高，能够提高高炉的还原功能。由于气体单耗的（de）下降（jiàng）和还原（yuán）速度的提高，因（yīn）此如果产量（liàng）一定，高（gāo）炉内容积就可比（bǐ）目前高炉减小1/3，还有助于（yú）缓解原料强度（dù）等条件的制约。

国外进行了一些氧气高炉炼（liàn）铁的试（shì）验，但都（dōu）停留在理论研究。日（rì）本已采用试（shì）验高炉进行了高炉吹氧炼（liàn）铁实验和在实际（jì）高炉（lú）进行氧气燃烧器的燃烧实验（yàn）。大（dà）量的制氧会增加电耗，这也是一个（gè）需要（yào）研究的课题。但是，由于炉顶气体中的氮是游（yóu）离氮，有助于高炉内气体的循环，且由于气体量（liàng）少、CO2分压（yā）高，因此（cǐ）CO2的分（fèn）离比目前的高炉容易。将来在可进行工业规模CO2分离的情（qíng）况下，可以（yǐ）大幅度（dù）减少CO2的排放。如果（guǒ）能开（kāi）发（fā）出能源效率（lǜ）比目前的深冷分离更好的制氧方法，将会得到更（gèng）高的好评。

对氧气高炉炼（liàn）铁工艺、以氧气高炉为基础再加上CO2分离（lí）及炉顶气体（tǐ）循（xún）环（huán）的炼（liàn）铁工艺进（jìn）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（lú）上部（bù）没有起热传递作用的氮，热量不足，因此要（yào）喷吹循环气体。以氧气高炉为基（jī）础（chǔ）再加上CO2分离及炉（lú）顶气体循环的（de）炼铁工艺，在去除高炉炉顶气体中的CO2后，再将其从炉身上部或风口（kǒu）吹入，可提高还原能力。对未利（lì）用的还（hái）原气（qì）体进行再利用，可大幅度削减输入碳的量，可（kě）大幅度减少CO2排（pái）放。高炉（lú）内的还原变化，可分为CO气体还原、氢还原和固体碳的直接（jiē）还原（yuán），在普（pǔ）通（tōng）高炉（lú）中它们的还（hái）原率分别为60%、10%和30%。如果对炉（lú）顶气（qì）体进（jìn）行（háng）CO2分离，并循环利用CO气体，就能提高气体的（de）还原功能，使（shǐ）直接还原比率降至10%左右，从（cóng）而降低（dī）还原剂（jì）比（bǐ）。

为降低焦（jiāo）比，在外部制（zhì）造（zào）还原气体再吹（chuī）入高炉内的想法很早就有，日本（běn）从20世纪70年代（dài）就进行技术开发，主要（yào）有FTG法和NKG法。前者是通过重（chóng）油的部分氧化制造（zào）还原气（qì）体再（zài）从高炉炉身（shēn）上部吹入；后者（zhě）是（shì）用高炉炉顶煤（méi）气中的CO2对焦炉煤气中的甲（jiǎ）烷进行改质后（hòu）作为高温还（hái）原气体吹入高炉。这些工艺技术的原本目（mù）的就是要大幅（fú）度降低焦比，它们与炉（lú）顶煤气循环在技术方面有许多共同点和参考之处。已对高炉内煤气的渗透进行了（le）广泛的研究，如模型计算和炉身煤气喷吹（chuī）等（děng）。

在（zài）以氧气高炉外加CO2分离（lí）并进行炉顶（dǐng）煤气循环工艺为基础的整个炼铁厂的CO2产生量中，根（gēn）据模型计算可（kě）知（zhī）利用炉顶煤气循环可将高（gāo）炉还原剂（jì）比降到434kg/t。由于不需要热风炉，因此可减少（shǎo）该（gāi）工序产生的CO2。但另一方面，由于制氧消耗（hào）的电力会使电厂增加CO2的产生量。总的来（lái）说，可以减少CO2排放9%。如果在制氧过程中能（néng）使用外部产生的清（qīng）洁能（néng）源，削减CO2的效果会进（jìn）一步增大（dà）。

这些技术的（de）发展趋势因（yīn）循环煤气量的分配（pèi）和供（gòng）给（gěi）下道（dào）工序能源设定的（de）不同而不（bú）同，其中还包括了其它的条件。

采（cǎi）用模拟模型求（qiú）出的CO2削减率的变化。

上部（bù）基（jī）准线为输入碳的削（xuē）减率。如果（guǒ）能排（pái）除因CO2分离而固定的CO2，作为（wéi）出（chū）口侧基（jī）准（zhǔn）线的CO2就能减少（shǎo）大约50%。也就是说，如果（guǒ）能从单纯的CO2分离向CO2的输送、存贮和固定进行（háng）展开，就（jiù）能大幅度削减CO2。但是（shì），为同时减少供给（gěi）下道工序（xù）的能（néng）源（yuán），因（yīn）此同时（shí）对下道工（gōng）序进（jìn）行（háng）节能是很（hěn）重要的。在一（yī）般炼铁厂的下道（dào）工序中需要0.8-1.0Gcal/t的（de）能源，在考虑补充能源的情况下（xià），***好使用（yòng）与碳（tàn）无关（guān）的能源（yuán）。如果能忽略供给下道工序（xù）的能源，***大限度地使（shǐ）用生产中所产生的气体（tǐ），如炉顶煤气的循环利用等，就可（kě）以减少大约25%的（de）输入碳。这相当于欧洲ULCOS的新（xīn）型高炉（NBF）的目（mù）标。

2.炉顶煤气循环利（lì）用和氢气（qì）利用的评价（jià）

为减少CO2排放，日本政（zhèng）府正在积极推进（jìn）COURSE50项目（mù）。所谓COURSE50项目（mù）就（jiù）是通过采用创新技术减（jiǎn）少（shǎo）CO2排放，并分离、回收CO2，50指（zhǐ）目标（biāo）年是2050年。

炉顶煤气循环利用和氢气利用的工（gōng）艺是由对焦炉（lú）煤气中的甲烷进行水（shuǐ）蒸汽改质、使（shǐ）氢（qīng）增加并利用这种氢进行还原的方法和从高炉炉顶煤气中（zhōng）分离CO2再（zài）将炉顶煤气循环（huán）利（lì）用于高炉的工艺构成。在利（lì）用氢时（shí）由于制（zhì）氢需（xū）要（yào）消耗很多的能源，因此总（zǒng）的工艺评价产生了（le）问（wèn）题，但该工艺能通过（guò）利用焦炉煤气的显热（rè）来补充水蒸汽改（gǎi）质所需的热能。计算结果表明，由于CO2的分离、固定和氢的利用，高（gāo）炉炼铁可减少CO2排放30%。氢还原的优点是还原速度快。但由于氢还原是吸热反应，与CO还原（yuán）不同，因此（cǐ）必须（xū）注意氢还原扩（kuò）大（dà）时高炉上（shàng）部（bù）的热平（píng）衡。根据理（lǐ）查德（dé）图对从风口喷吹氢时（shí）的热平衡进行了计算。结果（guǒ）可知（zhī），当从风口（kǒu）喷吹的氢还原率比普通操（cāo）作（zuò）倍增（zēng）时，由于（yú）氢还原的吸热反应和风口（kǒu）回旋区温度保障需要而要求富氧（yǎng）鼓风的影响，高（gāo）炉上部气体的供给热（rè）能和固体侧所需的（de）热能没有多（duō）余，接（jiē）近（jìn）热（rè）能移动（dòng）的操作（zuò）极限，因此难以大量利（lì）用（yòng）氢。如果高炉具备还原气体的制造功能，并能使（shǐ）用天然气或焦炉煤气等氢系气体，那么利用气体中的C成分就能（néng）达到热（rè）平衡，还能（néng）分（fèn）享到氢（qīng）还原的好处。在各种气体中，天然气是***好的气（qì）体。在一面从外部补充热能，一面制（zhì）氢的（de）工艺研究（jiū）中（zhōng）还包含了（le）优化喷吹（chuī）量和优化喷吹位置等课题。

高炉内（nèi）的还原可分为CO气体间接还原、氢还原和直接还原，根据其（qí）还原的分（fèn）配比可以明确还原平衡控制（zhì）、炉顶煤（méi）气循环或氢还原强化的方向。根据（jù）模型计算可知，在普通高炉（lú）基本（běn）条件下，CO间接还（hái）原（yuán）为62%、氢还原为11%、直接还（hái）原为（wéi）27%。

在氧（yǎng）气高（gāo）炉的基础上对炉顶煤气进行（háng）CO2分离（lí），由此可提高返回（huí）高（gāo）炉内的CO气体（tǐ）的还原能（néng）力，此（cǐ）时虽然CO气体的还原能（néng）力（lì）会（huì）因循（xún）环气（qì）体量（liàng）分配（pèi）的不同而（ér）不同，但（dàn）CO还原会提高到大约80%，直接还（hái）原会下降到10%以下。根据喷吹的（de）氢系气体如COG、天然（rán）气和氢（qīng）的计（jì）算结果可知，在（zài）氢还原加强的（de）情况下（xià），会（huì）出现氢还（hái）原（yuán）增加（jiā）、直接还（hái）原下降（jiàng）的情况。另一方面（miàn），循环（huán）气（qì）体（tǐ）的上下运动（dòng）会使输入碳减少，实现低（dī）碳炼铁的目标。另（lìng）外，当还原气体都是从炉身部吹入时，其在炉内的浸透和扩散会影（yǐng）响到还原效果。根据模型计算可知，气体的渗透受（shòu）动量平衡的控制。采（cǎi）用CH4对CO2进行改质，并以炉顶煤气中（zhōng）的（de）CO2作为改（gǎi）质源，还原气（qì）体的性状不会偏向氢。

从CO2总产生量***小的（de）观点来看，在炉顶煤气（qì）循环（huán）和氧气高炉（lú）的基础上，还要考虑喷吹还（hái）原气体（tǐ）时的（de）工（gōng）艺（yì）优（yōu）化。在2050年实现（xiàn）COURSE50项目（mù）后，为追求新的炼铁工艺，还（hái）必（bì）须对热风高炉的基础概（gài）念做进（jìn）一步的（de）研究。

3.欧（ōu）洲ULCOS

ULCOS是（shì）一个由欧（ōu）洲15国48家企业和研究机构共同参与的研（yán）究课（kè）题，始于2004年，它以欧盟旗下的煤与钢研究基金（jīn）（RFCS基金）推进（jìn）研究。

该（gāi）研究课（kè）题由9个子（zǐ）课题构成，技（jì）术研究范围很广，甚至包括了电解法炼铁工（gōng）艺研（yán）究。重（chóng）点是高炉炉顶煤气循环（huán）为特征的新型高炉（NBF）、熔融还原（HIsarna）和直（zhí）接还原（yuán）工艺的研究。当（dāng）前，在推进（jìn）这些（xiē）研究的同时，要全力做好未来削减CO2排放50%目标（biāo）的（de）***佳工艺的研究。目前，研（yán）究的核心（xīn）课题是NBF。根据还（hái）原气体的再加热、还（hái）原（yuán）气体的喷吹位置，对4种模型进行了（le）研究。

作为NBF工艺（yì）的验证，采（cǎi）用了瑞典的（de）MEFOS试（shì）验（yàn）高炉（炉内（nèi）容（róng）积8m3），从2007年9月（yuè）开始进（jìn）行（háng）6周NBF实（shí）际操作试验（yàn）。在两种模型条（tiáo）件下，用VPSA对（duì）炉顶煤气中的（de）CO2进行吸附（fù）分离，然后从高炉风口（kǒu）和炉身下部进行喷（pēn）吹试验（yàn），结（jié）果表明可削减（jiǎn）输入（rù）碳24%。今后，加上可再（zài）生物（wù）的（de）利用，能够实现（xiàn）削（xuē）减CO2排放50%左右的目标。为验证实际高（gāo）炉中喷吹还原气体的效果，下一步准（zhǔn）备（bèi）采用小型商（shāng）业高炉进行炉顶煤气循环试验，但由于研究资金的问（wèn）题（tí），研究进度（dù）有些迟缓。

另（lìng）外，荷（hé）兰CORUS将开始进行HIsarna熔（róng）融还原工艺的中（zhōng）间试（shì）验（yàn）。该技术是将澳大利亚的HIsmelt技（jì）术与20世（shì）纪90年（nián）代CORUS开发（fā）的CCF（气体循环式转炉）结（jié）合的工艺。该工艺的特征是，先将煤进行预处理，炭化后（hòu）作（zuò）为熔融（róng）还原炉的碳材，通过二次（cì）燃烧使（shǐ）熔融还（hái）原炉产生的气体变成高浓度（dù）CO2，然后对CO2进行分离，并将产（chǎn）生（shēng）的热能（néng）变换成电能。氢的利用（yòng）也是ULCOS研究的课题之一，主要目的是利用天然（rán）气（qì）的改质，将氢用于矿（kuàng）石的直接还原。这不仅（jǐn）仅（jǐn）是（shì）针对高炉的研究课题，同时还涉（shè）及实施国的各种不同的（de）实际工艺研究。

4.与（yǔ）资源国的合（hé）作和分散型炼铁（tiě）厂的（de）构想

钢铁生产（chǎn）国从资源国进口了大量（liàng）的煤和铁矿石，从物流方面来看，钢铁生产是从资源国的开采就开始了。从削减CO2的（de）观点来看，并没有从开采、输送和钢（gāng）铁生产（chǎn）的全（quán）过（guò）程来研（yán）究***佳的CO2减排办（bàn）法（fǎ）。就铁矿石而言，它（tā）是产生CO2的物质根源，钢铁生产国在（zài）进口铁矿石的同时也进口了（le）铁矿石中的氧和铁，因此钢铁生（shēng）产（chǎn）国几乎统包了CO2产生的全过程。虽然对煤进行（háng）了预处理，但（dàn）从经济（jì）性方面来看，为实现削减（jiǎn）CO2的低碳（tàn）高炉操作，应加强与之（zhī）相符的（de）原料（liào）性状（zhuàng）的管理，如（rú）原料的品（pǐn）位等。同（tóng）时（shí）应在大量处理原（yuán）料（liào）的资源国（guó）加（jiā）强（qiáng）对原料性状的改善，研究减少CO2排放的（de）方（fāng）法。铁矿石中的氧、脉石、水分和煤中的灰分与高（gāo）炉还（hái）原剂（jì）比有直接（jiē）的关系，在钢铁（tiě）生产中因脉石和（hé）灰分而产（chǎn）生的高炉渣会增加CO2的产生量。因此（cǐ），如果资源国能进一步（bù）提高铁矿石（shí）和煤的品位，就能改（gǎi）善焦炭和烧结矿的性状、降低焦比，从而有助于高炉实现低还（hái）原剂比操作。根据计算（suàn）可知，煤灰分减少（shǎo）2%，可降低还原剂比10kg/t铁水。另外，从（cóng）削减CO2排（pái）放的观点来看，还应该考（kǎo）虑从资源（yuán）开采到钢铁产（chǎn）品生（shēng）产全过程的各种CO2减排方法。

日本田中等人（rén）提出了（le）以海外资源（yuán）国生产还原铁为轴线（xiàn）的分散（sàn）型炼铁（tiě）厂的构想。目前，人们（men）重视大型高炉的（de）生（shēng）产率，追求集中式的（de）生产工（gōng）艺（yì），但对（duì）于资（zī）源问（wèn）题和（hé）削减CO2的问题缺乏应对能力。从这些（xiē）观点（diǎn）来看，应把作（zuò）为粗原料的铁的生产（chǎn）分散到资源国，通过合作来解决目前削减CO2的课题。扩大废钢的使（shǐ）用（yòng），可（kě）以大幅度减少CO2的排放，但日本废钢的进口量有限（xiàn），因此日本提出了（le）实现清洁生产应将生产地（dì）域分散，确保铁源的构想。

还原（yuán）铁的（de）生产方（fāng）法有许多（duō）种（zhǒng），下面只介绍可使用（yòng）普通煤的转底炉生产（chǎn）法的（de）ITmk3和FASTMET。它们不受原（yuán）料煤的制约，采用简（jiǎn）单的方法就能（néng）生产还原铁。还原铁（tiě）可大幅度（dù）提高铁含量，它可以加入高炉。虽然在使用煤基的高炉上削减CO2的效果（guǒ）不明（míng）显，但在使用天然气生产还原铁（tiě）时可以大幅度（dù）减（jiǎn）少CO2的产生。还原铁和废（fèi）钢的混合使用可以（yǐ）削减（jiǎn）CO2。目前（qián）一（yī）座回转（zhuǎn）炉年生产还原（yuán）铁的***大（dà）量为100万t左右，如（rú）果能与盛产天（tiān）然气的国家合作，也有（yǒu）助于日本削减CO2的产生。欧洲（zhōu）的ULCOS工艺在利用还原铁（tiě）方面也引人关注。

5.结束语

对于今后削（xuē）减CO2的（de）要求，应通过（guò）改善工艺功能实（shí）现低碳和脱碳炼铁。在这种情况（kuàng）下，将（jiāng）低碳和脱（tuō）碳组合的（de）多角度系统设计以及改善炼铁原料功（gōng）能很重要。作为高炉的未来发展（zhǎn），可以考虑几种以氧气高炉为基础的低（dī）CO2排放（fàng）工艺（yì），通过与喷吹还原气体用的CO2分离工艺的组合（hé），就能显示（shì）出（chū）其优越性。如果能以（yǐ）CO2的分离（lí）、存贮为前提（tí），选（xuǎn）择的范围会扩（kuò）大，但在实现（xiàn）CCS方（fāng）面（miàn）还存在一些不（bú）确定的因素。尤其是（shì），日本对CCS的实际应用问（wèn）题还需进行详细的研究。以CCS为前提的（de）工（gōng）艺设（shè）计还存在着危险（xiǎn）性（xìng），需要将其作为未来（lái）的（de）目标进行研（yán）究开发，但必须冷静判（pàn）断。钢（gāng）铁生产设备（bèi）的使用（yòng）年（nián）限长（zhǎng），2050年并不是遥远的未来，应考虑与现有高炉的衔接性，明确（què）今后的技术开（kāi）发目标。

今后的问题是研究各种（zhǒng）新工艺的验证（zhèng）方法（fǎ）。商用高炉为5000m3，要在大（dà）型高（gāo）炉应用目（mù）前还是个问题。欧洲（zhōu）的（de）ULCOS只在8m3的试验（yàn）高（gāo）炉上进行基础研（yán）究，还处在工艺原理的认识阶段，商用高炉的（de）试验还停留在计（jì）划阶段。日本没有（yǒu）做验证的（de）设备。