1.采用高炉新工艺（yì）减少（shǎo）CO2排放

目前，高炉采取（qǔ）热风热送，热风中的氮起热（rè）传递的作用，但（dàn）对还原不起作用（yòng）。氧气（qì）高炉炼铁工艺（yì）是从（cóng）风口吹入冷氧（yǎng）气，随着还原气（qì）体浓度的升高，能够提高高炉的还原功能。由于气（qì）体单耗的（de）下降和还原速度（dù）的提高，因此如果（guǒ）产量一定，高炉内容积（jī）就（jiù）可比目前（qián）高炉减小（xiǎo）1/3，还有助于（yú）缓（huǎn）解原料强（qiáng）度等条（tiáo）件的制约。

国外进行了一些氧（yǎng）气（qì）高（gāo）炉炼铁（tiě）的试（shì）验，但（dàn）都（dōu）停留（liú）在（zài）理论研究。日本已采（cǎi）用试（shì）验高炉进行了（le）高炉吹氧炼（liàn）铁实（shí）验和在实际高（gāo）炉进（jìn）行氧气燃烧器的燃烧实（shí）验。大量的制氧会增加电耗，这也是一个需要（yào）研究的课（kè）题。但是，由于炉顶气体中的氮（dàn）是游（yóu）离氮，有助于高炉内气体的（de）循环，且由于气体量少、CO2分（fèn）压高，因此（cǐ）CO2的分离（lí）比目前的（de）高（gāo）炉容易。将来在可进行工业（yè）规模CO2分离的情况（kuàng）下，可以大幅度减少CO2的（de）排（pái）放。如果能开发出能（néng）源（yuán）效率比目前的深冷分离更好（hǎo）的制（zhì）氧方（fāng）法，将会得到更高的（de）好评。

对氧气高炉炼（liàn）铁工艺、以氧气高炉为基础再加上CO2分离及炉顶气（qì）体循环的炼铁工艺进行了（le）比较。两（liǎng）种工（gōng）艺都喷（pēn）吹大（dà）量的粉煤作为辅助还原（yuán）剂。由于（yú）高（gāo）炉上（shàng）部没有起热（rè）传递作用的氮，热量不足，因此要喷吹循环气体。以氧气高（gāo）炉为基础再加上CO2分离及（jí）炉顶气体循环的炼铁工艺，在去除高（gāo）炉炉顶气（qì）体中的CO2后，再将其（qí）从炉身上部或风（fēng）口吹（chuī）入，可提高还原能力。对未利用的还原（yuán）气（qì）体进行再利（lì）用，可（kě）大幅度削减输入碳的（de）量，可大（dà）幅（fú）度（dù）减（jiǎn）少CO2排放（fàng）。高（gāo）炉内的（de）还原（yuán）变化，可分为（wéi）CO气体（tǐ）还原、氢还原和（hé）固体（tǐ）碳（tàn）的直接还（hái）原，在普（pǔ）通高炉中它们（men）的还原率分（fèn）别为（wéi）60%、10%和（hé）30%。如果对炉顶（dǐng）气体进行CO2分离，并循（xún）环利用CO气体，就（jiù）能提高气体的还原（yuán）功能，使直（zhí）接还原比率降至10%左右，从而降低（dī）还（hái）原剂比。

为降低焦比（bǐ），在外部制造还原气体再吹入高炉内的想法很早就有，日本从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（tōng）过重油的部分（fèn）氧化制造还原气体再从高炉炉身（shēn）上部吹入；后者是用高炉炉顶（dǐng）煤气（qì）中的CO2对焦炉煤气中的甲烷进行改质后作为高温还原气体（tǐ）吹入高炉。这些工艺技术的原本目的就是要（yào）大幅度降低（dī）焦比，它们与炉顶煤气（qì）循环在技术方（fāng）面有许多共（gòng）同点和参考之处。已对高炉内煤（méi）气的渗（shèn）透进行了广泛的研究，如模型计算（suàn）和炉身煤（méi）气喷吹（chuī）等。

在（zài）以氧气高炉外加CO2分离并进（jìn）行炉顶煤气循环（huán）工艺为基础的整（zhěng）个（gè）炼铁（tiě）厂的CO2产（chǎn）生（shēng）量中，根据模型计算（suàn）可知利（lì）用炉顶煤（méi）气循（xún）环可将高（gāo）炉还原剂比（bǐ）降到434kg/t。由（yóu）于不（bú）需要热风炉，因此（cǐ）可减少该工序产生的CO2。但另一方面（miàn），由于制氧消耗（hào）的电（diàn）力会使电厂增加（jiā）CO2的（de）产生（shēng）量。总的来说，可以（yǐ）减少CO2排放9%。如果（guǒ）在制（zhì）氧（yǎng）过程中（zhōng）能使用外（wài）部（bù）产生的清洁能源，削减CO2的（de）效果会进（jìn）一步增大。

这些技（jì）术的发展趋势因循（xún）环煤（méi）气量的分配和供给下道工序能源（yuán）设定的（de）不（bú）同而不同，其中还包括了其它的条件（jiàn）。

采用（yòng）模拟模（mó）型（xíng）求出的CO2削减率的变化（huà）。

上部（bù）基准线为输入碳（tàn）的削减率。如果能排除（chú）因CO2分离（lí）而固定的（de）CO2，作为出口侧（cè）基准线的CO2就能减（jiǎn）少大约50%。也就（jiù）是说，如果（guǒ）能（néng）从单纯的（de）CO2分离向CO2的输送（sòng）、存贮和（hé）固定进行展开，就能大幅度削减CO2。但是（shì），为同时（shí）减少供给下道工序的能源（yuán），因此同时对下道工序进行（háng）节能是很重要的（de）。在一般炼铁厂的下道工序中需要（yào）0.8-1.0Gcal/t的（de）能（néng）源，在考虑补（bǔ）充能（néng）源的情况（kuàng）下，***好（hǎo）使用（yòng）与碳无关的能源（yuán）。如果能忽略供给下道工序的能源，***大限度地使用生产中所产生的气体（tǐ），如炉顶煤气的（de）循环利（lì）用等，就可（kě）以减少（shǎo）大约（yuē）25%的输入碳。这相当于欧洲ULCOS的新型高炉（NBF）的目标。

2.炉顶煤气（qì）循（xún）环利用和（hé）氢气利用的评价

为（wéi）减（jiǎn）少CO2排放，日（rì）本政府正在（zài）积极推进COURSE50项目。所谓COURSE50项目就是通过采用（yòng）创新技（jì）术减（jiǎn）少CO2排放，并分离、回收CO2，50指目标（biāo）年是2050年。

炉（lú）顶煤气（qì）循环利用和氢气利用的工艺是由对焦炉煤（méi）气中的甲烷进（jìn）行水（shuǐ）蒸汽改质、使氢增加并利用（yòng）这种（zhǒng）氢进行还（hái）原（yuán）的（de）方法和从高炉（lú）炉顶煤（méi）气中分离CO2再将炉顶（dǐng）煤气循环利用（yòng）于高炉的工艺构（gòu）成（chéng）。在（zài）利用氢时由于制氢需要消耗很多的能源，因（yīn）此总的工艺评价（jià）产生（shēng）了问题（tí），但该（gāi）工艺（yì）能通过利用焦炉煤气的显热来补充水蒸汽改质所（suǒ）需的热能。计算结果表明，由于（yú）CO2的分离（lí）、固定和氢的利用，高炉（lú）炼铁可减少CO2排放（fàng）30%。氢还原的（de）优点是还原速度快。但由于氢还原是吸热反（fǎn）应，与（yǔ）CO还原不同，因此（cǐ）必（bì）须注意氢还原（yuán）扩大时高炉上部（bù）的热平衡。根据理查德图对从风（fēng）口喷吹（chuī）氢时的热（rè）平衡进行（háng）了计算。结果可知，当从风口（kǒu）喷吹的氢还原率比普（pǔ）通操作倍增时，由于氢还原的吸热反应（yīng）和风口（kǒu）回旋区温（wēn）度（dù）保障需（xū）要而要求（qiú）富（fù）氧（yǎng）鼓风的影响（xiǎng），高炉上部气体的（de）供给热能和固体侧所（suǒ）需（xū）的热能没有多余，接近热能移（yí）动的操作极限，因此难以（yǐ）大量利用氢。如果高炉具备还原（yuán）气体（tǐ）的制造功能，并能（néng）使用天然气或焦炉煤（méi）气（qì）等氢系气体（tǐ），那（nà）么利用气体中的C成分就能（néng）达到（dào）热平衡，还能分享到氢还（hái）原的好（hǎo）处。在各种气体（tǐ）中，天然气是***好的气体。在一面从（cóng）外部补充热能，一（yī）面（miàn）制氢的工艺研（yán）究中（zhōng）还包含了优化喷吹量和优化喷吹（chuī）位置等课题。

高炉内（nèi）的还（hái）原可（kě）分（fèn）为CO气体（tǐ）间接还原、氢还（hái）原和直接还（hái）原（yuán），根据其还原的分配比可以明确还原平衡（héng）控制（zhì）、炉顶煤气循环（huán）或氢还原强化（huà）的方向。根据模（mó）型（xíng）计算可知，在普（pǔ）通高炉（lú）基本条（tiáo）件下，CO间接（jiē）还原为62%、氢还原为11%、直接还原（yuán）为27%。

在氧气高炉（lú）的基础上对炉顶煤（méi）气进行CO2分离，由此可提高返回（huí）高炉内的CO气体的（de）还原能力（lì），此时（shí）虽然CO气体的还原能（néng）力会因循环气体（tǐ）量分配的（de）不同（tóng）而（ér）不（bú）同，但CO还原（yuán）会提高到（dào）大约（yuē）80%，直接还原会下降到（dào）10%以下。根据喷吹的（de）氢系（xì）气（qì）体（tǐ）如COG、天然气和氢（qīng）的计（jì）算结果可（kě）知（zhī），在（zài）氢还原加强（qiáng）的情况下，会（huì）出现氢还原增加、直接还原（yuán）下降的情况。另一方面，循环气体的上下运动会（huì）使输入碳减少，实（shí）现低碳炼铁的目（mù）标。另外，当还原气体都是从炉身部吹入时，其在炉内（nèi）的浸透和扩散会影（yǐng）响到还（hái）原效（xiào）果（guǒ）。根据模型（xíng）计算可知，气体的渗透受动（dòng）量平衡的控制。采用CH4对CO2进行改质，并以（yǐ）炉顶煤气中（zhōng）的（de）CO2作为改质源，还（hái）原气体的性状（zhuàng）不会偏向氢。

从CO2总产（chǎn）生量***小的观（guān）点（diǎn）来（lái）看，在（zài）炉顶煤气循环（huán）和氧气高炉的基础上，还要考（kǎo）虑喷吹还原（yuán）气体时的工（gōng）艺（yì）优化。在（zài）2050年（nián）实现COURSE50项目后（hòu），为（wéi）追求新的（de）炼铁工艺，还（hái）必（bì）须对（duì）热（rè）风高炉（lú）的基础概念（niàn）做（zuò）进一步的研究。

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与的研究课题，始（shǐ）于2004年，它以（yǐ）欧盟（méng）旗下的煤与钢研究（jiū）基（jī）金（RFCS基金）推进研究。

该研究课题由9个子（zǐ）课（kè）题构成，技术研究范围很广（guǎng），甚至包（bāo）括了电解法炼铁（tiě）工艺研究。重点是高（gāo）炉炉顶煤气循环为特征的新型高炉（lú）（NBF）、熔融还原（HIsarna）和直接还原工艺的（de）研究。当前，在推进这些研（yán）究（jiū）的同时，要全力做好未（wèi）来削（xuē）减CO2排放50%目标的***佳工（gōng）艺的研究。目前，研究的核心课题是NBF。根（gēn）据还原气体的再加（jiā）热、还原（yuán）气体的喷吹位置，对4种模型进行了（le）研究。

作为NBF工艺的验证，采（cǎi）用（yòng）了瑞（ruì）典的MEFOS试（shì）验高炉（炉内容积8m3），从2007年9月开始进行（háng）6周NBF实际操作试验。在两种模（mó）型条件下（xià），用VPSA对炉顶煤气中的CO2进行吸附分离，然后（hòu）从（cóng）高炉风口和炉身（shēn）下部进行喷吹（chuī）试验，结果表明可削减（jiǎn）输入碳24%。今（jīn）后，加上可再（zài）生（shēng）物的利用，能够实（shí）现削减CO2排（pái）放50%左右的目标。为验证实际高炉中喷（pēn）吹还（hái）原气体的效果（guǒ），下一步（bù）准（zhǔn）备采（cǎi）用（yòng）小型商（shāng）业高炉进行（háng）炉顶煤气循（xún）环试验，但由于（yú）研究（jiū）资金的（de）问题，研究进度有些迟（chí）缓。

另外（wài），荷（hé）兰CORUS将开（kāi）始进行HIsarna熔融还原工艺的（de）中间试验（yàn）。该技术是将澳大利（lì）亚的HIsmelt技（jì）术与20世（shì）纪90年代CORUS开发的CCF（气体循环式转炉）结（jié）合的工艺。该工艺的特征（zhēng）是，先将煤进行预（yù）处理，炭化后作为（wéi）熔融还（hái）原炉的碳材，通过二次燃（rán）烧使（shǐ）熔融（róng）还原炉产生的（de）气体变成高浓度CO2，然后对CO2进行分离，并将（jiāng）产生的热能（néng）变换成（chéng）电（diàn）能。氢的利用也是ULCOS研（yán）究的课题之一，主要目的是利用天（tiān）然气的改质（zhì），将氢用于矿石的直接还原。这不仅仅是（shì）针对高（gāo）炉的研究（jiū）课题，同时还涉及实施国的各种不（bú）同的实际工（gōng）艺（yì）研（yán）究。

4.与资源国的合作和分散型炼铁厂的（de）构想

钢铁生产（chǎn）国从（cóng）资源国进口了大（dà）量的（de）煤（méi）和（hé）铁（tiě）矿石（shí），从物流方面来看，钢铁生产是从资源（yuán）国的开采就开始了。从削减CO2的观点（diǎn）来看，并没有从开采、输送和钢铁（tiě）生产的全过程来研究***佳的CO2减排办法（fǎ）。就铁（tiě）矿石而言，它（tā）是产生CO2的物（wù）质根源，钢铁生产（chǎn）国在（zài）进口（kǒu）铁矿石的同时也进口了（le）铁（tiě）矿石中的氧和铁，因此钢（gāng）铁生（shēng）产国几乎（hū）统包了CO2产生的全过程。虽然（rán）对（duì）煤进行了预处理，但从经济性（xìng）方面来（lái）看，为实现削减CO2的低（dī）碳高炉操作（zuò），应加强与（yǔ）之相符的（de）原料性状的管理，如（rú）原料的品位等。同时应在（zài）大量（liàng）处（chù）理（lǐ）原料的资源国（guó）加强对原料性状（zhuàng）的改善，研究减少CO2排放（fàng）的方法。铁矿石中（zhōng）的氧、脉石、水分和煤中（zhōng）的灰分与高炉还原剂（jì）比有（yǒu）直接的关系，在钢铁（tiě）生产中因脉石（shí）和灰分而产生的高炉渣（zhā）会（huì）增加CO2的（de）产生（shēng）量。因此，如（rú）果资源国能进一步提高铁矿石和煤（méi）的品位（wèi），就能改善焦炭和烧结矿的（de）性状、降低（dī）焦比，从而有（yǒu）助于高炉实现低还原剂比（bǐ）操作。根据计算可知，煤灰分减少2%，可降低还（hái）原剂比（bǐ）10kg/t铁水。另外，从削减CO2排放的观（guān）点（diǎn）来看（kàn），还应该考虑（lǜ）从资源（yuán）开采（cǎi）到钢铁产品（pǐn）生产（chǎn）全过程的各（gè）种CO2减排方法。

日本田中等人提出了以海外资源国（guó）生（shēng）产还原铁为轴（zhóu）线的分散型炼铁厂的构想。目前，人们重视大型高炉的生产率，追求集中式的生产工艺，但对于资源问题和削减CO2的问（wèn）题缺乏应对能力（lì）。从这些观（guān）点来看，应把作为粗（cū）原料的（de）铁的生产分（fèn）散到资源国，通过合（hé）作来解决（jué）目（mù）前削（xuē）减CO2的课题。扩大废钢的使用，可以大幅度减少CO2的排放（fàng），但日本废钢的进口量有（yǒu）限，因此日本提出（chū）了实现清（qīng）洁生产应将（jiāng）生（shēng）产地域分散，确保铁源的构想。

还原（yuán）铁（tiě）的生产方法有（yǒu）许多种（zhǒng），下面（miàn）只（zhī）介（jiè）绍可使（shǐ）用普通煤的转底炉生产法的ITmk3和（hé）FASTMET。它们（men）不（bú）受原料煤的制约，采用简单的方法就（jiù）能生产还原（yuán）铁。还原铁可大幅（fú）度提高铁含量，它可以加（jiā）入高炉。虽然在使用（yòng）煤基的高炉上削减CO2的效果不明显，但（dàn）在（zài）使用天然（rán）气生产还原铁时可以大幅度减少CO2的产（chǎn）生。还原铁和（hé）废钢的（de）混合使用可（kě）以削减（jiǎn）CO2。目前一座回转炉年生产还原铁的***大量为（wéi）100万t左（zuǒ）右（yòu），如果（guǒ）能（néng）与盛（shèng）产（chǎn）天然气的国家（jiā）合（hé）作（zuò），也有助于日本削减（jiǎn）CO2的产（chǎn）生（shēng）。欧洲的ULCOS工艺在利（lì）用（yòng）还原铁方面也引人关注。

5.结束语

对于（yú）今后削减CO2的要求，应通过（guò）改善（shàn）工（gōng）艺功能实现低碳和脱碳炼铁（tiě）。在这种情况下，将（jiāng）低碳和脱（tuō）碳（tàn）组合的多角度（dù）系统（tǒng）设计以（yǐ）及改善（shàn）炼铁原料功（gōng）能很重要。作为高炉的未来发展，可（kě）以考（kǎo）虑几种以氧气高炉为基础的低CO2排（pái）放工艺，通过与喷吹还原（yuán）气体用的CO2分离工艺的组合，就能显示（shì）出（chū）其优（yōu）越（yuè）性。如果（guǒ）能以CO2的分离、存贮为前提，选择的范（fàn）围（wéi）会扩大，但在实现（xiàn）CCS方面还存在一些不确定的因素。尤其是，日本对CCS的实（shí）际（jì）应用（yòng）问题（tí）还需进行详细的（de）研究（jiū）。以（yǐ）CCS为前提的工艺设计还存在（zài）着（zhe）危险性，需（xū）要（yào）将其（qí）作为未来的目标（biāo）进行研究开发，但必须冷静判断。钢铁生产设备的使用年限长，2050年并不（bú）是遥（yáo）远的未来，应考虑与现有高炉（lú）的（de）衔接性，明确今后的（de）技术开发目标。

今后的问（wèn）题是研（yán）究各种新工艺的验证方法。商用高炉为5000m3，要在大（dà）型高炉应用（yòng）目前还是个问题（tí）。欧洲（zhōu）的ULCOS只在8m3的试验高炉上进行基（jī）础（chǔ）研究，还（hái）处在工（gōng）艺原（yuán）理的认识阶段，商用高炉的（de）试（shì）验还停留在（zài）计划阶段。日本（běn）没有做验证的设备。