1.采（cǎi）用高炉（lú）新工艺减少CO2排放

目前，高炉采（cǎi）取热风热送（sòng），热风中的氮（dàn）起热传递的作用，但对还原（yuán）不起作（zuò）用。氧气高炉（lú）炼铁工艺是从风口（kǒu）吹入冷氧（yǎng）气，随着还原气体浓度的（de）升高，能（néng）够提（tí）高高炉（lú）的还（hái）原（yuán）功能。由于（yú）气体单耗的下降和还（hái）原速度的提（tí）高，因此如果产量（liàng）一定（dìng），高炉内容积（jī）就可比目前高炉减小1/3，还有助于缓解原料强度等（děng）条件的制（zhì）约。

国外进行了一些氧气高炉炼（liàn）铁的试验，但都（dōu）停留在理论研究。日本已采（cǎi）用（yòng）试验高炉进（jìn）行了高炉吹氧（yǎng）炼铁（tiě）实验和在实（shí）际高（gāo）炉进行（háng）氧（yǎng）气燃烧器的（de）燃烧实验。大量的制氧会增加电耗，这也是一个需要研究（jiū）的课题。但是，由于炉顶气体中的氮（dàn）是（shì）游离氮，有助于高炉内气（qì）体的循环，且由于（yú）气（qì）体量少、CO2分压高（gāo），因此CO2的分离比（bǐ）目（mù）前（qián）的高炉容（róng）易（yì）。将来在可（kě）进（jìn）行工业规模CO2分离的情况下，可以大幅（fú）度减少CO2的（de）排放。如果能开发出能源效率比目（mù）前的深（shēn）冷分离更好的制（zhì）氧方法（fǎ），将会得到更（gèng）高的（de）好评。

对氧气高炉炼铁工艺、以氧气高炉为基础再加上CO2分离及炉顶气体循（xún）环（huán）的炼铁工艺进行了比较。两种工艺都喷吹大量的粉煤作为辅助还原剂。由于高炉上（shàng）部（bù）没有起热（rè）传（chuán）递作用（yòng）的氮，热量不足，因此要喷吹循环气（qì）体。以氧气（qì）高炉（lú）为基础再加上CO2分离及炉顶气体循环（huán）的炼铁工艺，在去除高炉炉顶气体中的CO2后，再将其从炉身上部或风口吹入，可（kě）提高（gāo）还原能力。对未利用的还（hái）原气体（tǐ）进行再利用，可大（dà）幅度削（xuē）减输入碳（tàn）的量，可（kě）大幅度（dù）减少CO2排放。高炉内（nèi）的还（hái）原变（biàn）化，可分为CO气体还原、氢（qīng）还原和固体碳的直接（jiē）还（hái）原，在普（pǔ）通（tōng）高炉中它们的还原率分别为60%、10%和（hé）30%。如果对（duì）炉（lú）顶气体（tǐ）进（jìn）行（háng）CO2分离，并循环利用CO气体，就能提高（gāo）气体的（de）还原功能，使直接还（hái）原比率降至10%左右（yòu），从而降低（dī）还原剂比。

为降（jiàng）低焦比，在外部制造还原气体再吹入（rù）高炉内的想法很早就有，日本从20世纪70年（nián）代就（jiù）进行技术开发，主（zhǔ）要有（yǒu）FTG法（fǎ）和（hé）NKG法。前者是通过重（chóng）油的部分氧化制造还原气（qì）体（tǐ）再（zài）从高炉炉（lú）身上部吹入；后者是用高炉炉（lú）顶煤气中（zhōng）的CO2对（duì）焦炉（lú）煤气（qì）中（zhōng）的（de）甲烷进（jìn）行改（gǎi）质后作为高温还原（yuán）气（qì）体吹（chuī）入高（gāo）炉。这些工艺技术的原本目的（de）就是要大幅度降低焦比，它们与炉（lú）顶（dǐng）煤气循环（huán）在技术方面有许多共同点和（hé）参考之处。已对高炉内煤气的渗透进行了广泛的（de）研究，如模（mó）型计算（suàn）和炉身煤气喷吹等。

在以氧气高炉外加CO2分离（lí）并进行炉（lú）顶煤气（qì）循环（huán）工艺为基础的（de）整个炼铁厂的CO2产生量中（zhōng），根据模型计算可知（zhī）利用炉（lú）顶煤气循环（huán）可将高炉还原剂比降到434kg/t。由于不需要热风炉，因此可减少（shǎo）该工序（xù）产生的CO2。但另一方面，由于制氧消耗的电力会（huì）使电厂增加CO2的（de）产生量。总的来说（shuō），可以（yǐ）减少CO2排（pái）放9%。如果在（zài）制氧（yǎng）过程中（zhōng）能使用外部产生的清（qīng）洁能源，削减CO2的（de）效（xiào）果会进一步增大。

这些技术的发展趋（qū）势因循环（huán）煤（méi）气量的分配和供（gòng）给下道工序能源设定（dìng）的不同而不（bú）同，其（qí）中还包括了其它（tā）的条件。

采用（yòng）模拟模型求出（chū）的CO2削减率的变化。

上部（bù）基准（zhǔn）线为输入碳的削（xuē）减率。如（rú）果能排（pái）除因（yīn）CO2分离（lí）而固定的CO2，作为出口侧基准线的CO2就能减少大约50%。也就是说，如果能从（cóng）单（dān）纯的CO2分离（lí）向CO2的（de）输送、存贮和固定进行展开，就能大幅度削减CO2。但是（shì），为（wéi）同时减少供给下道（dào）工（gōng）序（xù）的（de）能源，因此同时对下道工（gōng）序（xù）进行（háng）节能是很重要的（de）。在一般炼铁厂的（de）下道工序中需要0.8-1.0Gcal/t的（de）能源（yuán），在考虑补充能源的情况下，***好使用与碳无（wú）关的能（néng）源。如果能（néng）忽略供给下道（dào）工序的能（néng）源（yuán），***大限度地使用生产中所（suǒ）产生的气体，如（rú）炉顶煤气的（de）循环利用等，就可以减少大约25%的输入碳。这（zhè）相当于欧洲（zhōu）ULCOS的新型高（gāo）炉（NBF）的目标。

2.炉顶煤气循环利用和氢气利（lì）用的评价

为减少CO2排（pái）放，日（rì）本政府正在（zài）积极（jí）推进COURSE50项目。所谓COURSE50项目就（jiù）是通过采用创新技术减少（shǎo）CO2排放，并分（fèn）离、回收CO2，50指目标年是2050年（nián）。

炉顶煤气循环利（lì）用和氢气利用的工艺是由对（duì）焦（jiāo）炉煤气中的（de）甲烷进（jìn）行水蒸汽（qì）改（gǎi）质、使氢增加并（bìng）利（lì）用这种氢进行还原的方法和从高炉炉顶煤气中分离CO2再将炉顶煤气循环利用于高炉（lú）的工艺（yì）构成（chéng）。在利用氢时由于制氢（qīng）需要消耗很多的（de）能源，因此（cǐ）总的工艺评价（jià）产生了问题，但该工艺（yì）能通过利用焦炉煤气的显热来补充水蒸汽改质所需（xū）的热能。计算结果（guǒ）表明（míng），由（yóu）于CO2的分离、固定和氢（qīng）的（de）利用，高炉炼（liàn）铁可（kě）减少CO2排放30%。氢还原的（de）优点是（shì）还原速度快（kuài）。但由（yóu）于氢（qīng）还原是吸热反应，与CO还（hái）原不同，因此必须注意氢还原扩大时高（gāo）炉上部的（de）热（rè）平衡。根据理查德（dé）图对（duì）从风口喷（pēn）吹氢时的热平衡进行了（le）计算。结果（guǒ）可知（zhī），当从风口喷吹的氢还（hái）原率比普（pǔ）通操作倍增时，由于氢还原的（de）吸热反应（yīng）和风口回旋区温度保障需要而要求富氧鼓（gǔ）风（fēng）的影（yǐng）响，高炉（lú）上部气体的供给热能（néng）和固（gù）体侧所需的（de）热能没有多余（yú），接近热能移动的操作极（jí）限，因（yīn）此难以大量利（lì）用氢。如果高炉具备还原气体的制（zhì）造（zào）功能，并能使用（yòng）天然气或焦（jiāo）炉煤气等氢（qīng）系气体，那么利（lì）用（yòng）气体（tǐ）中的（de）C成分就能达（dá）到（dào）热平衡，还能分享到氢还原的好处。在各种气体中，天然气是***好的气体。在一面从外部补（bǔ）充热能，一面制氢的工艺研究中还（hái）包含了优化喷吹量和（hé）优化喷吹位（wèi）置等课（kè）题。

高（gāo）炉内的还原可（kě）分（fèn）为CO气体间接还原、氢还原和直接还原，根据（jù）其还原的（de）分配比可以明确还原平衡控制、炉（lú）顶煤（méi）气循环或氢还原强化的方向。根据模型计算可知，在普（pǔ）通高炉基本条件下，CO间接还原为62%、氢（qīng）还原为11%、直接还原（yuán）为27%。

在氧气高炉的（de）基础上（shàng）对炉顶（dǐng）煤气进行（háng）CO2分离，由此（cǐ）可提高返回（huí）高炉内的CO气体的还原能力，此时虽然CO气（qì）体的还原能力（lì）会因循环气体量分配的不同而不同，但CO还（hái）原（yuán）会提高到大约（yuē）80%，直接还原会（huì）下降到10%以下。根（gēn）据喷吹（chuī）的氢系气体如COG、天然气和氢的计算结果（guǒ）可知（zhī），在氢还原加强的情况下（xià），会出现氢还原增加（jiā）、直接还原下降（jiàng）的情况（kuàng）。另（lìng）一方面，循环（huán）气（qì）体的上（shàng）下运（yùn）动会使输入碳减少（shǎo），实现低碳炼铁的目标。另外，当还原气体都是从炉身部吹入时，其在炉内的浸透和扩散（sàn）会影响到还原效果。根据模型计算可知，气体（tǐ）的渗透受动量平衡的控制（zhì）。采用（yòng）CH4对CO2进行改质（zhì），并以炉顶（dǐng）煤气中的CO2作为改质源，还原气体的性状不（bú）会偏向氢。

从CO2总产生（shēng）量***小的观点来看，在炉顶煤气循环和氧气（qì）高炉的（de）基础（chǔ）上，还要考虑喷吹还（hái）原气体时的工艺优化。在（zài）2050年实现（xiàn）COURSE50项目后，为追求新的炼（liàn）铁（tiě）工艺，还必（bì）须对热风高炉的（de）基础概念（niàn）做进一步（bù）的研（yán）究。

3.欧洲（zhōu）ULCOS

ULCOS是一（yī）个由（yóu）欧（ōu）洲15国48家企（qǐ）业和研究（jiū）机构（gòu）共同参与的研究课题，始于2004年，它以欧盟旗下的煤（méi）与钢研究基金（RFCS基金）推（tuī）进研究。

该研（yán）究课题由9个子课（kè）题构成（chéng），技术研究范围很广，甚至包括了（le）电解（jiě）法炼铁（tiě）工艺研究。重点是（shì）高炉炉顶煤气循环为特征（zhēng）的新型高炉（lú）（NBF）、熔融还原（HIsarna）和直接还原（yuán）工艺的研（yán）究。当（dāng）前，在推（tuī）进这些研究（jiū）的同时，要全力做好未来削减CO2排（pái）放50%目标的***佳工艺的（de）研究（jiū）。目（mù）前，研究（jiū）的核（hé）心课（kè）题是NBF。根据还原气体的再加热、还原气体的喷吹位置，对4种模型进行了研究（jiū）。

作为NBF工艺的（de）验证（zhèng），采用了瑞（ruì）典的（de）MEFOS试验高炉（炉（lú）内容积8m3），从2007年9月（yuè）开（kāi）始进（jìn）行（háng）6周（zhōu）NBF实际操作（zuò）试验。在两种模（mó）型条件下，用VPSA对炉顶煤（méi）气中的CO2进行吸附分离，然后从高炉风口和（hé）炉身（shēn）下部进（jìn）行（háng）喷吹试验，结（jié）果表明可（kě）削减（jiǎn）输入碳24%。今后，加上（shàng）可再生物的利用，能够实现削减CO2排放50%左右的（de）目标。为验证实际高炉中喷吹还原气体的（de）效果，下一（yī）步准（zhǔn）备采（cǎi）用小型商业高炉（lú）进行炉顶煤气循环试验，但由于研究资金的问（wèn）题，研（yán）究（jiū）进度有（yǒu）些迟缓。

另（lìng）外，荷兰CORUS将开始进（jìn）行（háng）HIsarna熔融（róng）还（hái）原工艺的中间试验。该（gāi）技术是将澳大利亚的HIsmelt技术（shù）与20世纪90年代CORUS开发的（de）CCF（气体循环（huán）式转（zhuǎn）炉）结合的（de）工艺。该工艺的特（tè）征是，先将煤（méi）进行预处理，炭化后作为熔融还原炉的碳材（cái），通过二次燃烧使熔融还原（yuán）炉产生的气体（tǐ）变成高浓度（dù）CO2，然后对CO2进行分离，并将产生的（de）热能变换成电能。氢的利用也是（shì）ULCOS研究的（de）课题之一，主要目的是利用天然气的改质，将氢用于（yú）矿（kuàng）石的直（zhí）接还原。这不仅（jǐn）仅是针对高炉的（de）研究课题，同时还涉及实施（shī）国的各种不同的实（shí）际工艺研究。

4.与资源国的合作和分散型炼铁厂的构想

钢铁生（shēng）产国（guó）从资（zī）源国进口了大量的煤和（hé）铁矿石，从物（wù）流方面来看，钢铁生（shēng）产是从（cóng）资源国（guó）的（de）开采就开始（shǐ）了。从（cóng）削（xuē）减CO2的观点来看，并（bìng）没有从开采、输送和钢铁生产（chǎn）的全过程（chéng）来研（yán）究***佳的CO2减（jiǎn）排办法（fǎ）。就（jiù）铁（tiě）矿石而言，它是产生CO2的物质根（gēn）源，钢（gāng）铁（tiě）生（shēng）产国在进口铁（tiě）矿石的同时也进口了铁矿（kuàng）石中（zhōng）的氧和铁（tiě），因此（cǐ）钢铁生产（chǎn）国几乎统包了CO2产生（shēng）的全过程（chéng）。虽然对（duì）煤（méi）进（jìn）行了预处理，但从经济性方面（miàn）来看，为实（shí）现削减CO2的低碳（tàn）高炉操作，应（yīng）加强与（yǔ）之（zhī）相符的原料性状的管理（lǐ），如原料的品位等。同时应（yīng）在大量处（chù）理原料的资源国（guó）加强对原（yuán）料（liào）性状的改（gǎi）善，研（yán）究减少CO2排（pái）放（fàng）的方法。铁矿石（shí）中的氧、脉石、水（shuǐ）分和煤（méi）中的灰分与高（gāo）炉（lú）还原剂（jì）比有直接的关（guān）系，在（zài）钢铁生（shēng）产（chǎn）中因脉石和灰分而（ér）产生的（de）高炉渣会增加CO2的产生量。因此，如（rú）果资源（yuán）国（guó）能进一步提高铁矿石（shí）和煤的品位，就能（néng）改善焦炭（tàn）和烧结矿的性状、降低焦（jiāo）比，从（cóng）而（ér）有助于（yú）高炉（lú）实（shí）现低还原剂比操作。根（gēn）据计算可知，煤灰分减（jiǎn）少（shǎo）2%，可降低还原剂比10kg/t铁水。另外（wài），从削（xuē）减CO2排放的观点来看，还（hái）应该考（kǎo）虑从资源开采到钢铁产品（pǐn）生产全过程的（de）各种CO2减排方法。

日本田中（zhōng）等人提（tí）出了以（yǐ）海外资源（yuán）国生产还原铁为轴线的分散型（xíng）炼（liàn）铁（tiě）厂的构想。目前，人们重视大型高炉的生产（chǎn）率，追求（qiú）集中式（shì）的生产（chǎn）工艺，但对于资源（yuán）问（wèn）题和削减（jiǎn）CO2的问题（tí）缺乏应对能力。从这（zhè）些观点来（lái）看，应把（bǎ）作（zuò）为（wéi）粗（cū）原料的铁的生产分散到资（zī）源国，通过合作来解决（jué）目前（qián）削减CO2的（de）课题。扩大废钢的（de）使用，可以（yǐ）大幅度减少CO2的（de）排放，但日本废（fèi）钢的进口（kǒu）量有（yǒu）限，因此日本提出了实（shí）现清洁生产应将生产地域分散，确（què）保（bǎo）铁源的构想。

还原铁的生产方法有（yǒu）许多种，下面只介（jiè）绍可使用普通煤的转（zhuǎn）底炉生（shēng）产法的ITmk3和（hé）FASTMET。它们不受原料煤的制（zhì）约，采用简单的方法就能生产还原铁（tiě）。还原铁可大（dà）幅度提高（gāo）铁含量（liàng），它可以加入高（gāo）炉。虽（suī）然（rán）在使用煤（méi）基（jī）的高炉上（shàng）削减（jiǎn）CO2的效果不明显，但在（zài）使（shǐ）用天然气（qì）生产还原铁时可（kě）以大（dà）幅度减少CO2的产生。还原铁和（hé）废（fèi）钢的（de）混合使用可以削减CO2。目前一座回转炉年生产还原铁的***大量为100万t左右，如果能与盛产天然气的国家合（hé）作（zuò），也有助（zhù）于日本削减CO2的产生。欧洲的（de）ULCOS工艺在利用还原铁（tiě）方面也引人关注。

5.结束语

对（duì）于今后削减（jiǎn）CO2的要求，应通过改善工艺功（gōng）能实现低碳和（hé）脱碳炼铁。在（zài）这种情况下，将低碳和（hé）脱碳组合的多角（jiǎo）度（dù）系统设计以及（jí）改善（shàn）炼铁原料功能很重要。作为高（gāo）炉的未来（lái）发展，可以考虑几种（zhǒng）以氧气（qì）高炉（lú）为基础（chǔ）的低CO2排放工（gōng）艺，通过与喷吹（chuī）还原气体用的CO2分离工（gōng）艺的组合，就能显示出其优越性。如果能以CO2的分离、存贮为（wéi）前提（tí），选择的（de）范围会扩大，但在实现CCS方面还（hái）存在一些（xiē）不确定（dìng）的因（yīn）素（sù）。尤其是，日本（běn）对CCS的实（shí）际（jì）应用问题还需进（jìn）行详细（xì）的研究（jiū）。以CCS为前提的（de）工艺设（shè）计还存（cún）在着危险性，需要将其作为未（wèi）来的目标进行研（yán）究开发（fā），但必须冷（lěng）静判（pàn）断。钢铁生产设备的使用年限长，2050年并不是遥远（yuǎn）的未来，应考虑（lǜ）与（yǔ）现有高炉的衔接（jiē）性，明确今后（hòu）的技术（shù）开（kāi）发目标。

今后的问题是研究（jiū）各种新工艺的验（yàn）证方法。商用（yòng）高炉为（wéi）5000m3，要在大（dà）型高炉应（yīng）用目（mù）前还是个问题。欧洲的ULCOS只在8m3的试验高炉上进行基础研究，还（hái）处（chù）在工艺原理的（de）认识阶段，商用高（gāo）炉的试（shì）验还（hái）停留（liú）在计划阶段（duàn）。日本没有做验证的设备。