1.采用高炉（lú）新（xīn）工艺减（jiǎn）少CO2排放

目（mù）前，高炉采（cǎi）取热（rè）风热送（sòng），热风（fēng）中的氮起热传递的（de）作用，但对还原不起作（zuò）用。氧气高炉炼铁工艺（yì）是从风口吹入冷氧气（qì），随着还原气体浓度（dù）的升高，能够（gòu）提高高炉的还原功能。由于气体单耗的下降和还原速度的提高，因此如（rú）果产量一定，高炉内容积（jī）就可比目（mù）前（qián）高炉减小1/3，还有助（zhù）于缓解原料（liào）强度等条件的制（zhì）约。

国外进行了（le）一些氧气高（gāo）炉炼铁的试验（yàn），但都停留在理论研究。日（rì）本已采用（yòng）试验（yàn）高炉进行了高炉吹氧炼铁实验和在（zài）实际高炉（lú）进行氧气燃烧器的燃烧实验。大量（liàng）的制氧会增加电耗（hào），这也是一个需要研（yán）究的课题。但是，由（yóu）于炉顶气体中的氮是游离氮，有助于高炉内（nèi）气体的循环，且（qiě）由于气体（tǐ）量少、CO2分压（yā）高，因此CO2的（de）分离比（bǐ）目前的高炉容易。将来在可进（jìn）行工业规模CO2分（fèn）离的情（qíng）况下（xià），可以（yǐ）大幅（fú）度减少CO2的排放。如果能开发出（chū）能源效（xiào）率比目前的（de）深冷分（fèn）离（lí）更（gèng）好的制氧方法，将（jiāng）会得到更高（gāo）的好评。

对氧气高（gāo）炉（lú）炼（liàn）铁工艺、以氧气高炉（lú）为基（jī）础再加（jiā）上CO2分离及（jí）炉顶气体（tǐ）循环的炼铁工（gōng）艺进行了比较（jiào）。两种工（gōng）艺都喷吹大（dà）量的粉（fěn）煤（méi）作（zuò）为辅助还原剂。由于高炉上部（bù）没有起热传（chuán）递作用的氮，热量不（bú）足，因此（cǐ）要喷（pēn）吹循（xún）环（huán）气体。以氧气高炉（lú）为基（jī）础（chǔ）再加上（shàng）CO2分离及炉顶气体循环的炼铁工艺，在（zài）去除高（gāo）炉炉顶气体中的CO2后，再将其从炉身上部或风口吹（chuī）入，可（kě）提高还原能力。对（duì）未（wèi）利用的（de）还原气体进行（háng）再利用（yòng），可（kě）大（dà）幅度削减输入碳（tàn）的（de）量，可（kě）大幅（fú）度减少CO2排放。高炉内的还原变化，可分（fèn）为CO气（qì）体还原、氢还原（yuán）和固（gù）体碳（tàn）的直（zhí）接（jiē）还原，在普通高炉（lú）中（zhōng）它们的还原率分别为（wéi）60%、10%和30%。如果对炉顶气体（tǐ）进行CO2分离，并循环利用（yòng）CO气体，就能提高气（qì）体的还原功能，使直接还原（yuán）比率降至（zhì）10%左（zuǒ）右，从而降低（dī）还原（yuán）剂比（bǐ）。

为降低焦比，在外部制造还原气体再（zài）吹入高炉内的想法很（hěn）早就有（yǒu），日本从20世纪70年代就进行技（jì）术开发，主要有FTG法和（hé）NKG法。前者是通过重油的部分氧化制造还原气体（tǐ）再（zài）从高炉炉身上部吹（chuī）入；后者是用高炉炉顶煤气中的CO2对焦炉煤气中的甲烷进（jìn）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（yào）大幅（fú）度降低焦比，它（tā）们与（yǔ）炉（lú）顶煤气循环在技术方面（miàn）有（yǒu）许多共同（tóng）点和参考之处。已对高炉（lú）内煤气（qì）的（de）渗透进行了广泛的（de）研（yán）究，如模型计算和炉（lú）身煤气喷吹等。

在以氧气高炉外加CO2分离并进行炉顶煤气（qì）循（xún）环工艺（yì）为基础（chǔ）的整个炼铁厂的（de）CO2产生量中，根据模型计算可知利用炉顶煤（méi）气循环可将高（gāo）炉还（hái）原剂比降到434kg/t。由（yóu）于不需要（yào）热风（fēng）炉，因此可减少该工序（xù）产生（shēng）的（de）CO2。但（dàn）另一方面，由于制氧消耗（hào）的电（diàn）力会使（shǐ）电厂增加CO2的产生（shēng）量。总的（de）来说，可（kě）以减少CO2排（pái）放9%。如（rú）果在制氧过程中能使用外（wài）部产生的清洁能（néng）源（yuán），削（xuē）减CO2的效果会进一步增大。

这些技术（shù）的发展趋势（shì）因（yīn）循环煤气（qì）量的分（fèn）配和供给（gěi）下（xià）道工序能源设定的不同而（ér）不同，其中还包括了其它（tā）的（de）条件。

采用模拟（nǐ）模型求出的（de）CO2削减率的（de）变化。

上部基（jī）准线为输入（rù）碳的削（xuē）减（jiǎn）率。如果能排除因CO2分（fèn）离而固定的CO2，作为出口侧基准线（xiàn）的（de）CO2就能减少大（dà）约50%。也就是说，如（rú）果能从单纯的CO2分离（lí）向CO2的输送、存贮和固定进行展开，就能大幅度削减CO2。但（dàn）是，为同时减（jiǎn）少供（gòng）给（gěi）下道工序的能源，因此同时对下道工序进行节能是很重要的。在一般炼（liàn）铁（tiě）厂的（de）下道（dào）工序中需（xū）要0.8-1.0Gcal/t的能源（yuán），在考虑（lǜ）补（bǔ）充能（néng）源的情况下，***好使用与（yǔ）碳无关的能源。如果能忽略供给下（xià）道工序的能源，***大限（xiàn）度地（dì）使用生（shēng）产中所产生的气体，如炉顶煤气的循环利用等，就可以（yǐ）减少大约（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（dǐng）煤气循（xún）环利用和氢气（qì）利用的评价

为（wéi）减（jiǎn）少CO2排放，日本政府正在（zài）积极（jí）推（tuī）进COURSE50项目。所谓COURSE50项目就是通过采（cǎi）用（yòng）创新技术减少（shǎo）CO2排放，并分离、回收CO2，50指目标年（nián）是2050年（nián）。

炉（lú）顶煤气循环（huán）利用和氢气利用的工艺（yì）是（shì）由对焦炉煤（méi）气中（zhōng）的甲烷（wán）进行（háng）水蒸汽改质、使氢增加并利用这种氢进行还原的方法和从（cóng）高炉炉（lú）顶煤（méi）气中分离（lí）CO2再（zài）将炉顶煤（méi）气（qì）循环（huán）利用于高炉的工艺（yì）构成。在利（lì）用氢时由于制氢需要消耗很多的能源，因此总的工艺评价产生了问题，但该工艺能通过利用焦炉（lú）煤气的（de）显热来（lái）补（bǔ）充水蒸汽改质（zhì）所需的热（rè）能。计算结果表明，由于CO2的分离、固定和氢的利（lì）用，高炉炼铁（tiě）可减少CO2排放（fàng）30%。氢还原的（de）优点是还原速度快（kuài）。但由于（yú）氢还原是吸热反应，与CO还原不同，因此必须注意氢还（hái）原扩大时高（gāo）炉上部的热平（píng）衡。根据理查德图对从风口喷吹氢时的热（rè）平衡进行了计（jì）算。结果可知（zhī），当从风口喷吹（chuī）的氢还（hái）原率比普通操（cāo）作倍增时，由于（yú）氢还原的（de）吸热反应和风（fēng）口回（huí）旋区温度保障（zhàng）需（xū）要而要求富氧鼓风的影响，高炉上部气体的供（gòng）给（gěi）热能和固体侧所需的热能没有（yǒu）多余，接近热能移动（dòng）的操（cāo）作（zuò）极限，因（yīn）此难以大量（liàng）利用（yòng）氢（qīng）。如果高炉具备（bèi）还原气体的（de）制造（zào）功（gōng）能，并能使用天然气或焦炉煤气等氢系气体，那么利用（yòng）气体中的（de）C成分就能达到热平衡，还能分享到氢还原的（de）好处。在各种气体（tǐ）中，天然气是***好的气体。在一面从外部（bù）补充热（rè）能（néng），一面制氢的工艺研究中还包含了优化喷（pēn）吹量和优化喷吹位置等课题。

高炉内的还原可分为CO气体间接还原、氢还原和直接还（hái）原，根据其还原的分配比可以（yǐ）明确还（hái）原平衡控（kòng）制、炉顶煤气循环或氢（qīng）还（hái）原强化的方向。根据模型计（jì）算可（kě）知，在普通高炉基（jī）本（běn）条件下（xià），CO间接还原为62%、氢还（hái）原（yuán）为11%、直接还原为27%。

在氧气高炉的基（jī）础上对炉顶煤（méi）气进行CO2分离（lí），由此可提（tí）高返回高炉内的CO气（qì）体的还原能力，此时虽然（rán）CO气体的还（hái）原（yuán）能（néng）力会（huì）因循（xún）环气体量分配（pèi）的不同（tóng）而不同，但（dàn）CO还原会提高到大约80%，直接还原会下降到10%以下。根据喷吹的氢系气（qì）体如COG、天然气（qì）和氢（qīng）的计算结果（guǒ）可知，在氢还原加（jiā）强的（de）情况下，会出现氢（qīng）还原增（zēng）加（jiā）、直接还原下降（jiàng）的情况。另一（yī）方面，循环气体的上下运动会（huì）使输入碳减少（shǎo），实现低碳炼（liàn）铁的目标。另外，当还原气体（tǐ）都是从炉身（shēn）部吹入时，其在炉内的浸（jìn）透（tòu）和扩散（sàn）会影响到还原效果。根据（jù）模型计算可知，气体的渗透（tòu）受动量（liàng）平衡的控（kòng）制。采用CH4对CO2进行（háng）改质，并以（yǐ）炉顶煤气中的CO2作为（wéi）改质（zhì）源，还原气体的性状不（bú）会偏向（xiàng）氢。

从CO2总（zǒng）产生量***小的观点来（lái）看（kàn），在炉（lú）顶煤气循（xún）环和氧气高（gāo）炉（lú）的基础上，还要考虑喷吹还原气体时的工（gōng）艺优化。在2050年（nián）实现COURSE50项目（mù）后，为追求（qiú）新的（de）炼铁工艺，还必（bì）须对热风高（gāo）炉（lú）的（de）基础概念做进一步的（de）研究。

3.欧洲ULCOS

ULCOS是一个由欧洲15国48家企业（yè）和（hé）研究机（jī）构（gòu）共同参与（yǔ）的（de）研究课题，始于（yú）2004年，它以欧盟旗下的煤（méi）与钢研（yán）究基金（RFCS基金）推进研究。

该研究课题由9个子课题构成（chéng），技术研（yán）究范围很广，甚至包括了电解法炼铁（tiě）工艺研究。重（chóng）点（diǎn）是（shì）高（gāo）炉炉（lú）顶煤（méi）气循环（huán）为特征的新型高（gāo）炉（lú）（NBF）、熔融还原（HIsarna）和直接还原工艺（yì）的（de）研究（jiū）。当前，在推进这些研究的同时，要全力做好未来（lái）削减CO2排放50%目标的（de）***佳工（gōng）艺（yì）的研究。目（mù）前，研究的核心（xīn）课题是NBF。根据还（hái）原气体的（de）再加热、还原气体的喷吹位置，对4种模型进（jìn）行（háng）了研（yán）究。

作为（wéi）NBF工艺的验证（zhèng），采用了瑞典（diǎn）的MEFOS试验高炉（炉内容积8m3），从（cóng）2007年9月开始进行（háng）6周（zhōu）NBF实际操作试验。在两种模型条件下，用（yòng）VPSA对炉（lú）顶煤气中的CO2进行吸（xī）附分离，然（rán）后从高炉风口和（hé）炉身（shēn）下部（bù）进行（háng）喷（pēn）吹试验，结果表（biǎo）明可（kě）削（xuē）减输入（rù）碳（tàn）24%。今后，加上可再生物的利用（yòng），能够实现削减（jiǎn）CO2排放50%左右的目标。为验证实际高炉中喷吹还原（yuán）气体的效果，下一步（bù）准备（bèi）采（cǎi）用小型商业高（gāo）炉进（jìn）行炉顶煤气循环试验（yàn），但由于研究资金的问题，研（yán）究进度有些迟缓（huǎn）。

另（lìng）外，荷（hé）兰CORUS将开始进行HIsarna熔融还（hái）原工艺的中间试验。该技术是将澳大利（lì）亚的HIsmelt技（jì）术（shù）与20世纪90年代CORUS开发的CCF（气（qì）体循环（huán）式（shì）转炉）结合的工艺。该工（gōng）艺的特征（zhēng）是，先将煤进（jìn）行预处理，炭化后作为熔融还原炉的碳材，通过二次燃烧使熔融（róng）还原（yuán）炉产生的气体变成高浓度CO2，然（rán）后对CO2进（jìn）行分离，并将产生的热能变换成（chéng）电能。氢的利用也是ULCOS研（yán）究的课题之一，主要目的是利用天然（rán）气（qì）的改质，将氢用于矿石的直接还原（yuán）。这（zhè）不仅仅是针对高炉的（de）研究课题，同时还（hái）涉及实施（shī）国的各种（zhǒng）不（bú）同的实际工艺（yì）研究。

4.与资源国（guó）的（de）合作和分散型炼铁厂的（de）构想

钢铁生产国从资源国进口了大量的煤和铁矿石，从物流方面来看，钢铁生（shēng）产是从资源国（guó）的开采就开始了。从削（xuē）减CO2的观点来看，并没有从开（kāi）采、输（shū）送和（hé）钢铁生产的全（quán）过程（chéng）来研究***佳的CO2减排办（bàn）法。就铁矿石（shí）而言（yán），它是产生CO2的物质（zhì）根源，钢铁生（shēng）产国（guó）在进口铁矿（kuàng）石的同（tóng）时也进口了铁（tiě）矿石（shí）中的氧和铁（tiě），因此钢（gāng）铁生（shēng）产国（guó）几乎统（tǒng）包（bāo）了CO2产生的（de）全过程。虽然对煤进行（háng）了预处理，但从（cóng）经济性方面来看，为实（shí）现（xiàn）削减CO2的低碳高炉操作，应加（jiā）强与之相符（fú）的原料性（xìng）状的管理，如原料的品位等。同时应（yīng）在大量处理原料的资源（yuán）国加强对原料性状的改善，研究减少CO2排放的方法。铁矿石中（zhōng）的氧、脉石、水分和煤（méi）中（zhōng）的灰（huī）分（fèn）与（yǔ）高炉还原剂比有（yǒu）直（zhí）接的关系，在（zài）钢铁生（shēng）产中因（yīn）脉石和灰分而产生（shēng）的（de）高（gāo）炉渣会增加（jiā）CO2的产生量。因此，如果资源国（guó）能进一步提高铁（tiě）矿石和煤的品（pǐn）位，就能改善焦炭（tàn）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。根据计算可知（zhī），煤灰分减少（shǎo）2%，可降低还原剂比10kg/t铁水。另（lìng）外，从削（xuē）减CO2排（pái）放（fàng）的观（guān）点来看，还应该考虑从资源（yuán）开采到钢铁产（chǎn）品生产全（quán）过程的（de）各种CO2减排方（fāng）法。

日本（běn）田中（zhōng）等（děng）人提出了以海外资源国生产还原铁为轴线（xiàn）的分散（sàn）型炼铁厂的构想。目前，人们重视大型高炉（lú）的生产率，追求（qiú）集中式的生（shēng）产工艺，但对于资源问题（tí）和削减CO2的问（wèn）题缺乏应（yīng）对能力。从（cóng）这些观点来看，应把作为粗原（yuán）料的铁（tiě）的（de）生产分散（sàn）到（dào）资源国，通过（guò）合作来解（jiě）决目前削减CO2的课题。扩大废钢的使用（yòng），可以大幅度减少CO2的排放，但日（rì）本废钢的进口量有限，因此日本提出了实现清洁（jié）生产应将（jiāng）生产地域（yù）分散，确保铁源的构想。

还原铁的生产（chǎn）方法有许多（duō）种，下面只介绍可（kě）使（shǐ）用普通煤的转底炉生产法的ITmk3和FASTMET。它们（men）不受原料煤的制约，采用简单的方法（fǎ）就能生（shēng）产还原（yuán）铁。还原铁可大（dà）幅度提高铁含量，它可以加入高炉。虽然在（zài）使用煤基的（de）高炉上削减CO2的效果不明（míng）显，但在使（shǐ）用天然气生产还原铁时可以（yǐ）大幅（fú）度减（jiǎn）少CO2的产生。还原铁和废钢的混合（hé）使（shǐ）用可以（yǐ）削减CO2。目前一座回转炉年生产还（hái）原铁的***大量为100万t左右，如（rú）果能与盛产天然气的（de）国（guó）家（jiā）合（hé）作，也（yě）有助于日本削减CO2的产生。欧洲（zhōu）的（de）ULCOS工艺在（zài）利用还原（yuán）铁（tiě）方面也引（yǐn）人关注。

5.结束语（yǔ）

对于今后（hòu）削减CO2的要求，应通过（guò）改（gǎi）善工艺（yì）功能实现低碳（tàn）和（hé）脱碳炼铁。在这种情（qíng）况下（xià），将低碳和脱碳（tàn）组合的（de）多角度系统设（shè）计（jì）以及改善炼铁原料功能很重要。作为高炉的未来（lái）发展，可以考虑（lǜ）几种以氧气高炉（lú）为基础的低（dī）CO2排（pái）放（fàng）工艺，通过与喷吹还原气体用的（de）CO2分离工（gōng）艺的（de）组合，就能显示出其优越性。如果（guǒ）能以CO2的分（fèn）离（lí）、存贮为前（qián）提（tí），选择的（de）范围会（huì）扩大，但在实现CCS方面还存在一些不（bú）确定的因素。尤其是，日本对CCS的实际应用问题还需进行详细的研究。以CCS为前提的工艺设（shè）计还存在着危险性，需要将其（qí）作为未来的目标进（jìn）行研究开发，但必须（xū）冷静判断。钢（gāng）铁生产设备的使用年限长，2050年并（bìng）不是遥远的未来，应考虑与现有高炉的衔（xián）接性，明确今后（hòu）的技术开发目（mù）标。

今后的问题是研究各种新工艺的验证方（fāng）法（fǎ）。商（shāng）用（yòng）高炉为5000m3，要在（zài）大型高炉应用目前还是个（gè）问题。欧洲的ULCOS只在8m3的试验高炉（lú）上（shàng）进行基（jī）础研究，还处在工（gōng）艺（yì）原理的认（rèn）识阶段（duàn），商用高炉的（de）试验（yàn）还（hái）停留在计划阶（jiē）段。日本没有（yǒu）做验证（zhèng）的设备。