1.采用高（gāo）炉新工艺（yì）减（jiǎn）少CO2排放

目前，高炉采取热风（fēng）热送（sòng），热风中的氮（dàn）起热传递的（de）作用（yòng），但（dàn）对还（hái）原（yuán）不起作（zuò）用。氧气高（gāo）炉炼铁工艺是从风口吹入冷氧气（qì），随着还原（yuán）气体浓度的升高（gāo），能够提高高炉的还原功（gōng）能。由于气体（tǐ）单耗（hào）的下降和还原速度（dù）的（de）提高，因（yīn）此（cǐ）如果（guǒ）产量一定，高炉（lú）内容（róng）积就可比目前高炉（lú）减小1/3，还有（yǒu）助于（yú）缓解原（yuán）料强（qiáng）度等条件（jiàn）的制约。

国外进行了（le）一些氧气高（gāo）炉炼（liàn）铁的试验，但都停留在理论研究。日本已采用试验高炉（lú）进行了高（gāo）炉吹氧炼铁实验（yàn）和（hé）在实际高炉进行氧气燃烧器的燃烧实验。大量的制（zhì）氧会增加电耗，这也是一个需要研究的（de）课题（tí）。但是，由于炉顶气体（tǐ）中的氮是游离氮，有助于高炉内气体的循环，且由于（yú）气体量少（shǎo）、CO2分压高，因此CO2的分离比目前的高炉容易。将来在可进行工业规模CO2分离的情况（kuàng）下（xià），可（kě）以大幅（fú）度（dù）减少CO2的排放。如果能（néng）开（kāi）发出能源效率（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（píng）。

对（duì）氧（yǎng）气高炉炼铁工（gōng）艺、以氧气高炉为基础再加（jiā）上CO2分离（lí）及炉顶气（qì）体循环的炼铁工艺（yì）进行了比较。两种工艺都喷吹（chuī）大量的粉煤作为辅助（zhù）还原（yuán）剂（jì）。由于高炉上部没有起热（rè）传递（dì）作用的氮，热（rè）量不足，因此（cǐ）要喷吹循环气体。以氧气高炉为（wéi）基础再加上CO2分离（lí）及（jí）炉（lú）顶气体循环（huán）的炼铁工艺，在去除高炉炉顶气体中的（de）CO2后，再（zài）将其从炉（lú）身上部或风口（kǒu）吹入，可（kě）提高还原能力（lì）。对未利用的还原气体（tǐ）进（jìn）行（háng）再利用，可大幅度削减输入碳的量，可大幅度（dù）减少CO2排（pái）放。高炉（lú）内的还原变化，可（kě）分为CO气（qì）体还（hái）原、氢（qīng）还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%。如果对炉顶（dǐng）气体进行（háng）CO2分离，并循环（huán）利（lì）用CO气体（tǐ），就能提高（gāo）气体（tǐ）的还原功能，使直接（jiē）还原比率降至10%左右，从而（ér）降低（dī）还原剂（jì）比。

为（wéi）降低焦比，在外部制造（zào）还原（yuán）气体再（zài）吹（chuī）入高炉（lú）内（nèi）的想法很（hěn）早就有，日本从20世纪（jì）70年代就进行技术（shù）开发，主要有FTG法（fǎ）和NKG法。前者是通过重（chóng）油的部分氧化制造还原气体再从高炉炉身上部吹入；后者是用高（gāo）炉炉顶煤气中的CO2对焦炉煤气（qì）中的甲烷（wán）进行（háng）改质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（shì）要大幅度降低（dī）焦（jiāo）比，它们与（yǔ）炉顶煤（méi）气循环在技术方面（miàn）有许多共同（tóng）点和参考（kǎo）之（zhī）处。已对高（gāo）炉内煤气的渗透（tòu）进行了广泛的研究，如（rú）模（mó）型计算和炉身煤气喷吹等。

在以氧气高炉（lú）外加（jiā）CO2分离（lí）并进行（háng）炉顶煤气循环工艺（yì）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（lì）用炉顶（dǐng）煤（méi）气循环可将高炉还原剂比降（jiàng）到434kg/t。由于不（bú）需要热风（fēng）炉，因此可减少该工序产生的CO2。但（dàn）另一方面，由（yóu）于制氧消耗的电力（lì）会使电厂增加CO2的产生量。总（zǒng）的来说，可以减少CO2排（pái）放9%。如果在（zài）制氧过（guò）程中能使用（yòng）外部产生的清洁能源，削减（jiǎn）CO2的效果会（huì）进一（yī）步（bù）增大。

这些技术的发展（zhǎn）趋势因循环煤气量的（de）分配（pèi）和供给下道（dào）工序能源设定的不同而（ér）不同，其（qí）中（zhōng）还包括（kuò）了其它的（de）条（tiáo）件。

采用模拟模型求出的CO2削减率的（de）变化。

上（shàng）部基准线为输（shū）入碳（tàn）的削减率。如果能排除因CO2分离（lí）而固（gù）定的CO2，作（zuò）为出口侧基准线的CO2就能（néng）减少（shǎo）大约50%。也就是（shì）说，如果能从单纯的（de）CO2分离向CO2的输送、存贮和固定进行展开，就能大幅度削（xuē）减（jiǎn）CO2。但是，为同时减少供给（gěi）下道工序（xù）的能源，因此同时（shí）对下道工序进行节能是很（hěn）重要的。在一（yī）般（bān）炼铁厂的（de）下道工（gōng）序中（zhōng）需要0.8-1.0Gcal/t的能源，在考（kǎo）虑补充能源的情况下，***好使用与碳无（wú）关的（de）能源（yuán）。如果能忽略供给下道（dào）工序的（de）能源，***大限度地使用生产中所（suǒ）产（chǎn）生的气体，如炉顶煤气的循环利用等，就可以减少大约25%的（de）输入碳。这相当于欧洲ULCOS的新型高炉（NBF）的目标。

2.炉顶煤气循环利用和氢气利（lì）用的（de）评价

为减少CO2排放，日本政（zhèng）府正（zhèng）在积极推进COURSE50项目。所谓COURSE50项目就（jiù）是通过采（cǎi）用（yòng）创（chuàng）新技术减少CO2排放，并分离、回收（shōu）CO2，50指（zhǐ）目标年是（shì）2050年。

炉顶煤气循环（huán）利用和氢气利用（yòng）的工（gōng）艺是由对焦炉煤气（qì）中的甲烷进行水蒸（zhēng）汽改质、使（shǐ）氢增加并利用这种氢进行还（hái）原的方法和从高炉（lú）炉顶煤气中分（fèn）离CO2再将炉（lú）顶煤气循环利用于高炉的工（gōng）艺构（gòu）成。在利用氢时由（yóu）于制（zhì）氢需要消耗很多的能源，因此总（zǒng）的工艺评价产（chǎn）生了问题（tí），但该工艺能通（tōng）过利用焦炉煤气的显热来补充水蒸（zhēng）汽（qì）改质（zhì）所需的热能。计（jì）算结果表明，由（yóu）于CO2的分离、固（gù）定和（hé）氢的（de）利（lì）用，高炉炼铁可减少CO2排放（fàng）30%。氢（qīng）还（hái）原（yuán）的（de）优点（diǎn）是还原速度快。但由于氢还原是（shì）吸热反应，与CO还原不同，因此必（bì）须（xū）注意氢还（hái）原扩大时高（gāo）炉（lú）上部（bù）的热平衡。根据理查德（dé）图对从风口喷吹氢时（shí）的热（rè）平衡（héng）进行了计算。结果可知（zhī），当从风口喷吹（chuī）的氢还原率比普通操（cāo）作倍（bèi）增时（shí），由于（yú）氢还原的吸热反应和风口回旋区温（wēn）度（dù）保障（zhàng）需要（yào）而要求富氧鼓风（fēng）的影响，高炉上部气体的供给热能和固体侧所需的热（rè）能没有多余，接近热能移动的操（cāo）作极限，因此难以大量利用氢。如果高炉具备（bèi）还原气体的（de）制造功（gōng）能，并能使用（yòng）天然气或（huò）焦炉煤气等氢系气（qì）体（tǐ），那么利用（yòng）气体中的C成分就能达到热平衡，还能分享到氢还原（yuán）的好处。在各种气体中，天然气是***好的（de）气体。在一面从（cóng）外部补充热能，一面制（zhì）氢的工艺研究（jiū）中还包含了（le）优（yōu）化喷吹量和优化（huà）喷吹（chuī）位置等课题（tí）。

高炉内的还原可分（fèn）为CO气体间接（jiē）还原、氢还原和（hé）直接还原（yuán），根据（jù）其还原的分配比可以明确还原平衡控制、炉顶煤（méi）气循环或氢还原强（qiáng）化的方向（xiàng）。根据模型计算可知，在普通高（gāo）炉基（jī）本条件（jiàn）下，CO间接还原（yuán）为62%、氢还原为11%、直接还（hái）原为27%。

在氧气高炉的基础上对炉顶煤气进行CO2分离，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气体的还原能力会因循（xún）环气体量分配（pèi）的不同而不同，但CO还（hái）原会（huì）提高到大约80%，直（zhí）接还原（yuán）会下降到10%以（yǐ）下。根据喷吹的氢系气体如COG、天然气和（hé）氢的计算结果可知，在氢还原加强的情况下，会出现氢还原增加、直接还原（yuán）下降的情况（kuàng）。另（lìng）一方面，循（xún）环气体的上下运动会使（shǐ）输（shū）入碳减少，实现（xiàn）低碳（tàn）炼铁的目标。另外，当还（hái）原（yuán）气体都是从炉身部（bù）吹入时，其在炉内的浸透和扩（kuò）散会影响（xiǎng）到还原效果。根据模型计算可知，气体的渗透受动（dòng）量平衡（héng）的控制。采用CH4对（duì）CO2进行改质，并（bìng）以炉顶煤气中的（de）CO2作为改（gǎi）质源，还原气体的性状不会偏（piān）向氢。

从CO2总产生量***小的观点（diǎn）来看，在炉顶（dǐng）煤气循环和氧气高炉的基础上，还要考虑喷吹还原气体时的工艺优化。在2050年实现（xiàn）COURSE50项目（mù）后，为追求新的（de）炼铁工艺，还必须（xū）对热风高炉的基础（chǔ）概念（niàn）做进一步的（de）研（yán）究。

3.欧（ōu）洲ULCOS

ULCOS是一个由欧洲15国48家企业和研究机构（gòu）共同参与的（de）研究（jiū）课题，始于2004年，它以欧（ōu）盟旗下（xià）的煤与钢研究（jiū）基金（RFCS基金）推（tuī）进研究。

该研（yán）究（jiū）课题由9个子课题构成，技术（shù）研究范围很广，甚至包括了电解法炼铁工（gōng）艺研究（jiū）。重点是高炉炉顶煤（méi）气（qì）循环为特征（zhēng）的新型（xíng）高炉（NBF）、熔融还原（HIsarna）和直接（jiē）还原工艺的（de）研究。当前（qián），在推进这些（xiē）研（yán）究（jiū）的同时，要全力做好未来削（xuē）减CO2排放（fàng）50%目（mù）标的***佳工艺的研究。目前（qián），研（yán）究的核心课题是NBF。根据还原气体（tǐ）的再（zài）加热、还原气（qì）体（tǐ）的喷吹位置，对4种模型进行了研究。

作为NBF工艺（yì）的验证，采用了瑞（ruì）典的（de）MEFOS试验（yàn）高（gāo）炉（炉内容（róng）积8m3），从2007年9月开始（shǐ）进行6周（zhōu）NBF实际操作试验。在两种模（mó）型条件下，用VPSA对炉（lú）顶煤气中的CO2进行吸附分离（lí），然后从高炉风口（kǒu）和（hé）炉（lú）身（shēn）下（xià）部进行喷吹试验，结（jié）果表明可削减输（shū）入（rù）碳24%。今后，加上可（kě）再生物的利（lì）用，能够实现削减CO2排放（fàng）50%左右的目标。为验证实际高炉中（zhōng）喷吹还原（yuán）气体的效果，下一步准备采用小型（xíng）商业高炉进行炉顶煤气（qì）循环（huán）试验，但由（yóu）于研究资金的问题，研（yán）究进（jìn）度有些迟缓。

另外，荷兰CORUS将开始（shǐ）进行HIsarna熔融还原工艺的中间试验。该技（jì）术是将澳大利亚的HIsmelt技术与20世纪90年（nián）代CORUS开发的CCF（气（qì）体循环式（shì）转炉）结合的（de）工艺。该工艺的特（tè）征是，先将（jiāng）煤（méi）进行预处理，炭化后作为熔融还原炉的碳材，通过二次（cì）燃（rán）烧使熔融还原炉（lú）产（chǎn）生的（de）气（qì）体（tǐ）变成（chéng）高浓度CO2，然后对CO2进行分离，并将产（chǎn）生的热（rè）能变换成电能。氢的（de）利用也是ULCOS研究（jiū）的课题之一，主要目的是利用天然气的改质，将氢（qīng）用于矿石的直（zhí）接还原。这不（bú）仅仅（jǐn）是针对高炉的研（yán）究课题，同时还涉及实施国的（de）各种不同的实际工艺（yì）研究。

4.与资源国的合作和（hé）分（fèn）散型炼铁（tiě）厂的构想

钢铁生产国（guó）从资源国（guó）进口了（le）大量的煤和（hé）铁矿石，从物流方面（miàn）来看（kàn），钢铁生产是从（cóng）资源国的开采就（jiù）开始了。从削减（jiǎn）CO2的（de）观点来看，并没有（yǒu）从开（kāi）采、输送和钢铁（tiě）生（shēng）产的全（quán）过程（chéng）来研（yán）究***佳（jiā）的CO2减排办法。就铁矿石而（ér）言，它是产生CO2的物质根源，钢（gāng）铁（tiě）生产国（guó）在（zài）进口铁矿（kuàng）石的同（tóng）时也（yě）进口了铁（tiě）矿（kuàng）石中的（de）氧（yǎng）和（hé）铁，因此钢铁生产国几（jǐ）乎统（tǒng）包了CO2产生的全过程。虽然对煤进行了预（yù）处理，但（dàn）从经济性（xìng）方面来看，为实现削（xuē）减CO2的低碳高炉操（cāo）作，应加强与之相符的原料性状的管（guǎn）理，如（rú）原料的品位等。同时应在（zài）大量处理原料的（de）资源国加强对原料性状的改善，研究减少CO2排放的（de）方法。铁（tiě）矿石中（zhōng）的氧、脉石、水分和煤中的灰分与高炉还原（yuán）剂比（bǐ）有直（zhí）接的关（guān）系，在钢铁（tiě）生产中因脉石和灰（huī）分（fèn）而产（chǎn）生的高（gāo）炉（lú）渣会增加CO2的产生量。因（yīn）此（cǐ），如果资源国能（néng）进一步（bù）提高铁矿石和（hé）煤（méi）的品（pǐn）位（wèi），就能改善焦炭和烧结矿的性状、降低焦比，从而有助（zhù）于高炉实现（xiàn）低还原（yuán）剂（jì）比操（cāo）作（zuò）。根据计（jì）算可知，煤（méi）灰分减少2%，可降低还原剂比10kg/t铁水。另（lìng）外，从削（xuē）减（jiǎn）CO2排放的观点来看，还应该考（kǎo）虑从（cóng）资源开采到钢铁产品生产全过程的（de）各种（zhǒng）CO2减排方法。

日本田中等人提出了以海（hǎi）外资源（yuán）国生（shēng）产还（hái）原铁为轴线的分散型炼铁厂（chǎng）的（de）构想。目前，人（rén）们重视大（dà）型高炉（lú）的生产率，追求（qiú）集中式的生产工艺，但对于资源问题和削减CO2的问题缺乏应对能力。从这（zhè）些观点来（lái）看，应把作为粗原料（liào）的铁的生产分散到资源（yuán）国，通过（guò）合作来解决目前削减CO2的课题（tí）。扩大废钢的使（shǐ）用，可以大幅度减少CO2的排放，但日本废（fèi）钢的进口（kǒu）量（liàng）有限，因此日本提出了实现（xiàn）清（qīng）洁生产应将生产地域分散，确保（bǎo）铁源（yuán）的构想。

还原铁（tiě）的生（shēng）产方法有许多种，下面只介绍可使用普通煤的转底炉生（shēng）产法的ITmk3和（hé）FASTMET。它们不受原料煤的（de）制约，采用简单的方法就能生产还原铁。还原铁可大（dà）幅（fú）度提（tí）高（gāo）铁含量（liàng），它（tā）可以加入高炉。虽然在使用煤（méi）基的（de）高炉上削减CO2的效果不明（míng）显，但在使（shǐ）用天（tiān）然气生产还原铁时可（kě）以大幅度减少CO2的（de）产生。还原铁和废钢的混合使用可以削减CO2。目前一（yī）座回转炉年生产还（hái）原（yuán）铁的***大量为100万t左右，如（rú）果能与盛产天然（rán）气的国（guó）家合作（zuò），也有助于日本削减CO2的（de）产生。欧洲的ULCOS工艺（yì）在利（lì）用还原铁方面也引（yǐn）人关注。

5.结束（shù）语

对（duì）于今后削减CO2的要（yào）求，应通过改善工艺功能实现低碳和脱碳炼铁（tiě）。在这种（zhǒng）情况（kuàng）下（xià），将低碳和脱碳组合的多角度（dù）系统设计以及改善炼铁（tiě）原料（liào）功（gōng）能（néng）很重要。作为高（gāo）炉的未来发展，可以考（kǎo）虑几（jǐ）种以（yǐ）氧气高（gāo）炉为基（jī）础的（de）低CO2排放工艺，通过与喷吹还原气体用的CO2分离工艺（yì）的组合，就能显示出（chū）其优越性。如果能以CO2的分（fèn）离、存贮为前提，选择的范围会（huì）扩大，但在（zài）实现CCS方面还存在一（yī）些不确定的（de）因素。尤（yóu）其（qí）是，日（rì）本对CCS的实际应用（yòng）问（wèn）题（tí）还需进行详细的研（yán）究。以CCS为前提的工艺设计还存（cún）在着危险性，需要将其作为未来的目标进行研究（jiū）开发，但必须冷静判断。钢铁生（shēng）产设备的使用年限长，2050年并不是遥远的未来，应考虑与现有高（gāo）炉的（de）衔接性，明确今后的技术开发（fā）目标（biāo）。

今后的问题是研究各种（zhǒng）新工艺的验证方法。商用（yòng）高炉为5000m3，要在大型高炉应用目前还是（shì）个问题。欧洲的ULCOS只在（zài）8m3的试验高（gāo）炉上（shàng）进行基础研究，还处在工艺原理的认识（shí）阶段，商用高炉的试验还停留（liú）在计（jì）划阶（jiē）段。日（rì）本没有（yǒu）做验证的（de）设备。