↑↑基于低碳和脱碳的未来炼铁工艺综述↑↑↑↑↑↑↑↑↑ ↑

↑↑↑1 ↑↑↑↑↑前言↑↑↑↑↑↑↑↑↑ ↑

↑二氧化碳是气候变化的主要原因。为大幅度减少二氧化碳的排放，因此不论从哪个行业来说，↑↑↑“↑↑↑低碳和脱碳↑↑↑”↑↑↑都是共同的课题。尤其是，在钢铁生产工艺中还原剂和热源与碳有很大的相互关系，因此低碳和脱碳具有很大的必要性。今后，从某种意义上来说，在这些↑↑↑“↑↑↑碳制约↑↑↑”↑↑↑中追求新技术的重要性是不言而喻的，但由于中国等经济新兴国的钢铁产量逐年增加，如果能正视这种现实，就可以认识到减少二氧化碳不是一个国家的技术，而应该是一种世界标准的技术，如果不开展这种技术研究，控制地球温暖化就会缺乏实效性。另外，日本炼铁设备经过长时间的投资，作为技术的集合体，从某种意义上来说已形成一个完整体，生产结构要大幅度调整是不容易的。如果把钢铁产品也看作国际商品，在保持国际竞争力的同时，还必须考虑在将来以低碳和脱碳为基础的新炼铁工艺中如何进行转换的情况。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑地球温暖化问题讨论的焦点已转向到↑↑↑2020↑↑↑年时二氧化碳排放的中期目标值和到↑↑↑2050↑↑↑年减少二氧化碳排放量超过↑↑↑50%↑↑↑的目标值及其实现的可能性。由于地球温暖化问题是一个超过目前经验所能解决问题范畴的课题，因此要想取得共同的认识是很困难的，往往是以已有的目标值讨论为优先，但在以技术理论为基础的实际研究以及减少整个地球二氧化碳排放的有效性和钢铁等行业中还必须考虑目前与未来的二氧化碳排放解决办法的衔接。钢铁行业对地球温暖化的影响很大，不论哪个国家都将其作为主要的产业，因此对钢铁行业的关注程度很高。另一方面，如果从钢铁行业内部来看，生产工艺的碳消耗与生产成本有关，为减少钢铁生产所需的碳量，已开发了与节能和提高生产效率有关的各种技术，但要提出何种新的低碳和脱碳方案似乎还很困难。我们常常提到创新这个词，但如果仅仅是概念的目标感就没有意义。制定切实可行的二氧化碳减排目标是解决地球温暖化不可或缺的前提。钢铁行业的设备使用年限很长，↑↑↑2050↑↑↑年是一个不远的未来，因此必须迅速开发出富有影响力的新技术。本文就钢铁行业在应对地球温暖化措施中最为关键的炼铁工艺的低碳和脱碳中值得考虑的技术课题和新技术的可能性进行研究，并对日本及世界未来的钢铁生产发展方向进行概括。尤其是从钢铁生产原理的角度出发，对未来如何解决地球环境问题和未来炼铁技术的发展进行了综述。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑↑↑2 ↑↑↑↑↑未来钢铁生产量的预测和↑↑↑↑↑CO↑2↑↑↑↑↑↑的排放量↑↑↑↑↑↑↑↑↑ ↑

↑从钢铁产业的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑排放总量来看，今后粗钢产量的变化会对全世界的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑减排目标产生大的影响。日本的粗钢年产量已长时间保持在↑↑↑1↑↑↑亿↑↑↑t↑↑↑左右，↑↑↑2009↑↑↑年受↑↑↑2008↑↑↑年经济危机的影响，粗钢产量为↑↑↑8750↑↑↑万↑↑↑t↑↑↑。另一方面，中国几乎不受此影响，通过扩大内需，↑↑↑2009↑↑↑年的粗钢产量达到↑↑↑5.68↑↑↑亿↑↑↑t↑↑↑，印度仅次于中国。如果考虑到中国和印度今后新炼铁设备的投产，其钢产量的增长速度不会暂时放慢。目前↑↑↑1t↑↑↑粗钢的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑排放量在↑↑↑2t↑↑↑左右。今后，钢铁产量会增长到多少？不同的地区会有何差别？这些都是在制定↑↑↑CO↑2↑↑↑↑减排总体目标时必须首先考虑的问题。根据国际能源机构（↑↑↑IEA↑↑↑）对未来粗钢产量的预测可知，到↑↑↑2050↑↑↑年世界的粗钢年产量为↑↑↑23↑↑↑亿↑↑↑t↑↑↑～↑↑↑27↑↑↑亿↑↑↑t↑↑↑。中国、南美、印度和中东的增长显著。日本与目前相同基本保持在↑↑↑1↑↑↑亿↑↑↑t↑↑↑左右。在↑↑↑IEA↑↑↑所称的↑↑↑“Blue Scenario”↑↑↑的↑↑↑2050↑↑↑年的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑减排方案中，列出了钢铁行业↑↑↑CO↑2↑↑↑↑减排目标。在旨在使↑↑↑CO↑2↑↑↑↑减排达到↑↑↑50%↑↑↑的↑↑↑Blue Scenario↑↑↑中，因行业的不同所采取的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑减排措施也不同，但基本认同积极发展可再生能源、原子能和↑↑↑CCS↑↑↑（↑↑↑CO↑2↑↑↑↑储存）技术是关键。各行业的经济增长预测都有两个数值，但在绝对量大的钢铁行业需要大幅度减排↑↑↑CO↑2↑↑↑↑。为实现总的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑减排达到↑↑↑50%↑↑↑，钢铁行业的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑减排比例必须达到↑↑↑2/3↑↑↑。这些都是从宏观角度出发的目标，并不是个别累积的。当然，从粗钢生产的比重变化来看，未来中国等发展中国家的发展态势引人关注。还应考虑到↑↑↑CO↑2↑↑↑↑减排能力与目前能源消耗的比例，制定全世界的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑减排计划，研究钢铁主要生产国的低碳和脱碳实施情况。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑上述不同地域的钢铁生产变化表明了全世界产业结构的发展状况。在日本也有人提出没有必要坚持认为日本应继续保持钢铁等能源消耗大的产业的意见。另外，也有的人提出了在产业结构调整的前提下研究日本国内低碳型社会的想法。但是，这是不同国家优先实现狭义范围内目标的理论，在实现全世界的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑减排方面是行不通的。如上所述，全世界的钢铁产业的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑排放量将迅速增加，任何一个国家如果不对低碳和脱碳新技术做出反应，就无法解决全世界的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑减排问题。从全世界来看，目前已开发出与节能和提高生产效率的新技术，并已应用于实际。日本的钢铁企业是这方面的楷模，其开发的低碳和脱碳新技术是其它国家无法企及的。可以说日本在↑↑↑CO↑2↑↑↑↑大幅度减排技术研究方面处于领先地位。如果仅仅到海外发展，日本可以减少碳排放，但作为新技术的开创者的日本，其未来的行动可以认为与新的发展战略有关。↑↑↑↑ ↑↑↑↑ ↑

↑↑↑3 ↑↑↑↑↑目前的碳流程和未来的↑↑↑↑↑CO↑2↑↑↑↑↑↑减排量的发展方向↑↑↑↑↑↑↑↑↑ ↑

↑↑↑3.1 ↑↑↑↑↑现状和课题↑↑↑↑↑↑↑↑↑ ↑

↑煤作为碳材输入炼铁厂，在焦炉中转换成高炉用焦炭和焦炉煤气，在高炉中焦炭作为热源和还原剂使用，焦炉煤气和高炉煤气则作为各种燃料被消耗掉。碳在各种工序中最终以↑↑↑CO↑2↑↑↑↑形式排出，↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的排出源多种多样，但高炉燃料比与炼铁厂的输入碳有对应关系，它也能作为炼铁厂产生↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的指标。目前，所消耗的碳材与生产成本和生产效率有直接的关系，因此要努力降低碳材消耗，提高碳材利用率。在目前的发展趋势中，将高炉燃料比作为衡量碳材消耗的一个尺度可以掌握炼铁厂排出↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的大致动向。根据大约↑↑↑50↑↑↑年前至目前日本国内高炉还原剂消耗变化可知，自↑↑↑1960↑↑↑年以后由于对高炉操作进行了各种改进和新技术的开发，高炉燃料比大幅度下降。虽然辅助还原剂从重油转换为喷煤后燃料比消耗有增有减，但目前处于停滞状况，可以说现有技术已达到饱和点了。根据↑↑↑2006↑↑↑年钢铁主要生产国高炉燃料比的比较可知，日本、韩国、中国台湾和欧盟的高炉燃料比在↑↑↑↑500kg↑↑↑/t↑↑↑左右，没有大的差距。燃料比差距很小主要是由于原燃料来源不同所致。另一方面，除上述国家和地区外，高炉燃料比一般高于↑↑↑↑500kg↑↑↑/t↑↑↑。日本国内炼铁厂之间也有差异，仍有改善的余地。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑日本是一个资源和能源匮乏的国家，因此日本在减少碳材消耗的同时积极开发各种节能技术，如干熄焦技术和高炉炉顶压发电技术等技术已处于世界领先地位。目前，日本钢铁生产的能源利用率处于世界领先地位。日本还掌握了低品位原料的使用技术，以全世界最小的能耗，有效地生产出优质钢铁产品。与其它国家相比，日本今后要削减能耗的潜力很小，因此这也是日本今后在减排方面要努力解决的问题，但在考虑大幅度削减↑↑↑CO↑2↑↑↑↑排放的中长期目标时，日本只有在充分认识新技术的价值和课题的难度后，才能找出今后真正的技术创新的方向，并处于技术创新的领导地位。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑↑↑3.2 ↑↑↑↑↑炼铁厂的碳消耗机理↑↑↑↑↑↑↑↑↑ ↑

↑在考虑低碳和脱碳问题时必须知道目前炼铁厂碳的具体消耗机理。炼铁厂把大量煤等化石燃料作为还原剂和热源生产铁水，并将同时产生的煤气作为各工序的能源提供使用。尤其是，在日本由于购买能源的价格高昂，因此积极开发节能设备，减少外部能源的购买比例，提高能源的循环利用率。输入碳是以煤的形式输入炼铁厂，并以还原剂和热源的形式在炼铁工序中消耗，同时产生的焦炉煤气和高炉煤气除了在炼铁工序中消耗外，余能↑↑↑E↑↑↑供给下道工序。一部分能源可用于发电和制氧设备，产生的电力和氧气可以再利用于炼铁工序。即，输入碳↑↑↑X↑↑↑可以用↑↑↑X↑=Y+Z+P+Q↑↑↑表示，炼铁厂排出的碳是↑↑↑Y↑↑↑、↑↑↑Z↑↑↑、↑↑↑P↑↑↑和↑↑↑Q↑↑↑的总和。输入碳大部分消耗于高炉，炼铁工序用过的碳为↑↑↑Y↑↑↑，未利用的煤气作为供给能源↑↑↑E↑↑↑使用后最终作为↑↑↑P↑↑↑、↑↑↑Q↑↑↑排出。高炉低燃料比操作与输入碳的减少有关，同时意味着供给能源↑↑↑E↑↑↑会减少。必须在考虑整个炼铁厂综合能源利用的整合性和以各个工艺连接为基础的碳流程及制约因素的同时，寻找出削减↑↑↑CO↑2↑↑↑↑排放的措施。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑对炼铁厂各工序↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的排出量进行了计算。根据炼铁厂的碳流程可知，在高炉中矿石的还原会产生↑↑↑CO↑2↑↑↑↑，以高炉煤气和焦炉煤气为燃料的焦炉、烧结机、热风炉和发电厂，以及下道工序的加热炉等各工序会分别排出↑↑↑CO↑2↑↑↑↑。各炼铁厂的各工序的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑排出量不同，但高炉还原直接生成的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑大约↑↑↑20%↑↑↑，其它是由炼铁工序供给的高炉煤气、焦炉煤气和碳材消耗产生的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑。为削减↑↑↑CO↑2↑↑↑↑排放，在考虑炼铁厂的功能时，必须考虑上述工序中能源平衡的整合性和排出↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的总体情况。在这里有关炼铁厂特有的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑减排问题具有一定的难度。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑↑↑3.3 ↑↑↑↑↑低碳和脱碳的发展方向↑↑↑↑↑↑↑↑↑ ↑

↑在钢铁生产过程中改进生产工艺可以提高生产效率和实现节能，尤其是低碳新技术的应用可以减少碳材的消耗。另一方面，即使能耗相同，但使用清洁能源和可再生能源等可以减少↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的排放量。具有煤预处理特征的↑↑↑SCOPE21↑↑↑焦炉在节能方面功不可抹。提高原料品位、提高焦炉和烧结机的生产率是实现低碳和脱碳的基本手段，但更是缓和碳制约的重要手段。炼铁厂内的废弃物循环利用和可再生物的利用不受能源平衡的制约，不仅能减少↑↑↑CO↑2↑↑↑↑产生量，而且具有实效性。虽然新技术的开发不多，但目前都可利用。氢在自然界不存在，但它是一种有助于脱碳的清洁能源，必须通过把能源加入化石原料中才能产生。另外，可根据需要，采用附加设备实现低碳和脱碳。在采用新工艺时还必须同时考虑目前设备处于更新时期等现实情况。采用附加设备可以减少输入碳，或是一种向不使用碳的原料转换的方法。未来要实现↑↑↑50%↑↑↑以上的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑减排，采用↑↑↑CCS↑↑↑技术是一种很好的办法。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑↑↑4 ↑↑↑↑↑低碳高炉的概念↑↑↑↑↑↑↑↑↑ ↑

↑↑↑4.1 ↑↑↑↑↑低碳高炉的手段↑↑↑↑↑↑↑↑↑ ↑

↑高炉在物质平衡和热平衡方面与焦炉和热风炉有关，降低高炉燃料比可以降低整个炼铁的碳消耗量。作为降低燃料比的方向是使高炉煤气组成尽量接近高炉的还原平衡和改善高炉热平衡等。但是，由于在日常高炉操作中高炉的还原平衡和热平衡已接近极限，可改善的余地很小，因此很早以前就有人提出控制起决定极限作用的还原平衡本身的方法，它已成为研究开发的对象。也就是说，提出了使还原平衡带温度靠近低温侧，平衡煤气组成接近氧化侧，由此降低燃料比的方法。虽然提出的方法本身并不新颖，但如何调整还原平衡温度是一个课题。另一方面，使用高反应性焦炭促进焦炭从低温开始进行气化反应，并利用焦炭的吸热作用使炉内温度分布向低温侧转变的方法被认为是一种有效的方法。在实际研究中进行了改变焦炭中灰分的↑↑↑Ca↑↑↑含量，有意识改变焦炭反应性的试验，结果在实际高炉上也证实了上述效果。但是，由于提高焦炭反应性与高炉内焦炭的强度有密切的关系，因此容易造成高炉下部透气性变差。另外，在高炉中加入废钢也能有效减少燃料比，但采用何种方法把废钢加入高炉，研究一种新的降低高炉燃料比消耗的方法是很困难的。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑↑↑4.2 ↑↑↑↑↑废弃物的循环利用和可再生物的利用↑↑↑↑↑↑↑↑↑ ↑

↑关于脱碳问题，必须考虑废塑料的循环再利用或废弃物和可再生资源的利用。废塑料的循环再利用就是把废弃的废塑料作为炼铁原料进行再利用的方法。废塑料的氢含量高，在减少↑↑↑CO↑2↑↑↑↑方面是一种有效的喷吹还原剂，↑↑↑JFE↑↑↑钢公司已在高炉进行喷吹废塑料操作。新日铁公司也在焦炉使用废塑料，同样取得了减少↑↑↑CO↑2↑↑↑↑排放量的效果。其它国家也有这方面的操作报告。日本钢铁联盟已确定了炼铁工艺每年利用废塑料为↑↑↑100↑↑↑万↑↑↑t↑↑↑的目标，但遗憾的是由于日本国内的循环再利用制度还存在一些问题，因此目前日本高炉利用废塑料的实际量呈减少的趋势。与其它循环再利用方式相比，钢铁生产中废塑料的循环再利用获得很高的评价，从减少↑↑↑CO↑2↑↑↑↑排放方面来看，应积极推进。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑从碳平衡来看，可再生物已受到各行业的关注。日本国内废弃物中可再生物的年埋藏量按碳量进行换算后超过↑↑↑3050↑↑↑万↑↑↑t↑↑↑左右。可以说这相当于日本生产的塑料所含的总碳量的↑↑↑3↑↑↑倍左右。最近还制定了↑↑↑RPS↑↑↑制度，因此小规模电厂正在把废木材作燃料利用。与煤和废塑料相比，可再生物类的纤维素和木质素中含有很多的交联氧和由官能团产生的氧。这些氧都不是游离氧，会使发热量下降。可再生物的能源密度低，如果直接作为热源和还原剂使用效果差。作为高炉喷吹还原剂使用时，由于要保证风口前的分解热能，因此会使高炉的操作范围变小。可再生物还存在着粉碎性不好等问题。另一方面，由于它是可再生、灰分低的碳化氢源，只要适当控制其成分和性状，就能成为有效的钢铁原料。在巴西等可再生物资源丰富的国家，已成功地将干馏炭喷吹到小型高炉中，但日本干馏炭有限，其利用尚需研究。控制干馏操作的气氛和温度，有选择地脱除可再生物中的氧，可以大幅度提高碳收得率，提高可再生物在高炉的利用效果，同时还提出了改善粉碎性的方法。在优化干馏温度后，根据模型计算可知，喷吹↑↑↑↑40kg↑↑↑/t↑↑↑的干馏炭，可以减少大约↑↑↑5%↑↑↑的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑排放。干馏炭在高炉内的燃烧性好，有助于降低燃料比。必须尽快确立包括干馏炭收集在内的整个干馏炭利用系统。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑↑↑5 ↑↑↑↑↑低碳高炉用的新原料设计↑↑↑↑↑↑↑↑↑ ↑

↑↑↑5.1 ↑↑↑↑↑未来原料的设计思路↑↑↑↑↑↑↑↑↑ ↑

↑高炉是一种反应器，可以说其性能受充填物原料性状的控制。以前，焦炭和烧结矿等块矿是单独使用，因此努力提高各原料的性能，但由于各原料的性能已接近临界值，因此如果仅仅改善现有高炉炉料的性状，是无法大幅度降低高炉燃料比，必须改变高炉原料自身的设计概念。作为低碳高炉用未来原料的设计方向，总的说来就是要使块矿和焦炭等以往的原料具有复合功能、降低燃料比。作为这种具有复合功能的原料有，将部分烧结矿进行部分还原的部分还原烧结矿，高炉使用部分还原烧结矿后具有减少↑↑↑CO↑2↑↑↑↑排放的效果。部分还原烧结矿就是使用现有的烧结机强化预制粒，通过多层的准颗粒设计使其达到部分还原。在实验过程中已能生产出还原率达↑↑↑40%↑↑↑左右的烧结矿。另一方面，使用将粉铁矿和碳材料制成一体的铁碳复合矿。实验表明，铁碳复合矿不仅能进行气化反应，而且能加快固体反应，还能提高渗碳速度，从而降低燃料比。近年来，还有人提出用具有活性超细铁粉强化铁碳复合矿中的碳发生气化的功能，可大幅度提高具有三维结构的铁碳复合矿还原速度。尤其是，还有人提出了使用高功能原料↑↑↑----↑↑↑铁焦（↑↑↑CIC↑↑↑：↑↑↑Carbon Iron Composite↑↑↑）的想法。铁焦是一种在焦炭中添加金属铁使焦炭反应性飞跃提高的原料。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑↑↑5.2 ↑↑↑↑↑铁焦的概念和效果↑↑↑↑↑↑↑↑↑ ↑

↑所谓铁焦就是在煤中混合细铁矿粉，在干馏过程中使细铁矿粉发生还原，金属铁由此裹入焦炭中的原料。铁焦在高炉中具有与添加的金属铁相同的效果和提高焦炭反应性的催化作用。利用铁焦从高炉低温侧产生催化的作用，可以活跃焦炭的气化，利用焦炭的吸热作用，可以使决定高炉还原平衡温度的热平衡带温度向低温侧转变。热平衡带的有效目标温度设定在↑↑↑↑800↑↑↑℃↑↑↑。本提案的特征在于提出铁焦的具体制造工艺和在高炉的使用方法，尤其是指出了今后焦炉应采取不可或缺的环境措施和通过增加低品位煤的使用强化资源的应对能力，从而开发出新一代炼铁工艺。为进行该项目的开发，作为↑↑↑NEDO↑↑↑（日本新能源产业技术综合开发机构）的创新炼铁工艺的前期研究，至↑↑↑2008↑↑↑年底已进行了基础研究。下一步将在↑↑↑JFE↑↑↑钢公司京浜制铁所建设↑↑↑30t/d↑↑↑的中间试验工厂。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑根据包含铁焦生产在内的炼铁整体工艺构成可知，与以往的室式焦炉不同，本工艺以纵向竖炉工艺的铁焦成型焦炉为基础。竖炉的优点是气体密封简单，在环保措施方面比以往焦炉更好。根据基础实验结果可知，还原率达↑↑↑80%↑↑↑，且产品保持一定的形状，不像普通焦炭那样形状不一。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑高炉使用铁焦与混合装入小块焦炭一样，是为了促进还原，因此可以认为矿石层的混合装入是妥当。可以推测铁焦的使用量相当于普通高炉内碳素溶解吸热反应所需焦炭的↑↑↑1/3↑↑↑是妥当的。高炉内的透气性由目前的普通焦炭来保证，而超高反应性的铁焦分担了高炉内还原气体的功能。所谓低碳高炉指的是低温高炉，最好使用高反应性的块矿。新型高炉原料在使用上存在着降低燃料比和确保透气性的矛盾，最好使用满足以低温高炉为基础的低碳高炉条件的高反应性块矿。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑根据模型计算可知，当高炉的热平衡带温度从↑↑↑↑1000↑↑↑℃↑↑↑下降到↑↑↑↑800↑↑↑℃↑↑↑时，燃料比可降低↑↑↑↑60kg↑↑↑/t↑↑↑左右，↑↑↑CO↑2↑↑↑↑排放可减少↑↑↑10%↑↑↑左右。另外，本工艺能大量使用非粘结煤，在煤资源应对措施上和炼铁厂的环保措施强化方面等具有良好的效果，这与日本今后钢铁工业的发展相符，同时也有助于提高日本钢铁工业的竞争力。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑↑↑6 ↑↑↑↑↑未来的低碳炼铁工艺↑↑↑↑↑↑↑↑↑ ↑

↑↑↑6.1 ↑↑↑↑↑采用高炉新工艺减少↑↑↑↑↑CO↑2↑↑↑↑↑↑排放↑↑↑↑↑↑↑↑↑ ↑

↑目前的高炉采取热风热送，热风中的氮起热传递的作用，但对还原不起作用。氧气高炉炼铁工艺是从风口吹入冷氧气，随着还原气体浓度的升高，能够提高高炉的还原功能。由于气体单耗的下降和还原速度的提高，因此如果产量一定，高炉内容积就可比目前高炉减小↑↑↑1/3↑↑↑，还有助于缓解原料强度等条件的制约。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑国外也进行了一些氧气高炉炼铁的试验，但都停留在理论上的研究。日本已采用试验高炉进行了高炉吹氧炼铁实验和在实际高炉进行氧气燃烧器的燃烧实验。大量的制氧会增大电耗，这也是一个需要研究的课题，但由于炉顶气体中的氮是游离氮，有助于高炉内气体的循环，且由于气体量少、↑↑↑CO↑2↑↑↑↑分压高，因此↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的分离比目前的高炉容易。将来在可进行工业规模的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑分离的情况下，可以大幅度减少↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的排放。如果能开发出能源效率比目前的深冷分离更好的制氧方法，就会得到人们更高的好评。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑对以氧气高炉为原形和以氧气高炉为基础再加上↑↑↑CO↑2↑↑↑↑分离及炉顶气体循环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。由于高炉上部没有起热传递作用的氮，热量不足，因此要喷吹循环气体。以氧气高炉为基础再加上↑↑↑CO↑2↑↑↑↑分离及炉顶气体循环的炼铁工艺，在去除高炉炉顶气体中的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑后，再将其从炉身上部或风口吹入，可提高还原能力。对未利用的还原气体进行再利用，可大幅度削减输入碳的量，使大幅度减少↑↑↑CO↑2↑↑↑↑排放变得容易起来。关于高炉内的还原变化，可分为↑↑↑CO↑↑↑气体还原、氢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↑↑↑30%↑↑↑。如果对炉顶气体进行↑↑↑CO↑2↑↑↑↑分离，对利用的↑↑↑CO↑↑↑气体进行循环利用，就能提高气体的还原功能，使作为大的吸热反应的直接还原比率降至↑↑↑10%↑↑↑左右，从而降低燃料比。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑为降低焦比，在外部制造还原气体再吹入高炉内的想法很早就有，日本从上世纪↑↑↑70↑↑↑年代就进行技术开发，主要有↑↑↑FTG↑↑↑法和↑↑↑NKG↑↑↑法。前者是通过重油的部分氧化制造还原气体再从高炉炉身上部吹入；后者是用高炉炉顶煤气中的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑对焦炉煤气中的甲烷进行改质后作为高温还原气体吹入高炉。这些工艺技术的原本目的就是要大幅度削减依赖原料煤的焦比，但它们与前面的炉顶煤气循环在技术方面有许多共同点和参考之处。关于高炉内煤气的渗透，已进行了广泛的研究，如模型计算和炉身煤气喷吹等。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑在以氧气高炉外加↑↑↑CO↑2↑↑↑↑分离并进行炉顶煤气循环工艺为基础的整个炼铁厂的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑产生量中，根据模型计算可知利用炉顶煤气循环可将高炉燃料比降到↑↑↑↑434kg↑↑↑/t↑↑↑。由于不需要热风炉，因此可减少该工序产生的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑。但另一方面，由于制氧消耗的电力会使电厂增加↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的产生量。总的来说，可以减少↑↑↑CO↑2↑↑↑↑排放↑↑↑9%↑↑↑。如果在制氧过程中能使用外部产生的清洁能源，削减↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的效果会进一步增大。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑这些技术的发展趋势因循环煤气量的分配和供给下道工序能源设定的不同而不同，其中还包括了其它的条件。从采用模拟模型求出的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑削减率的变化可知，如果能单单从↑↑↑CO↑2↑↑↑↑分离到↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的输送和存贮进行展开，就能大幅度削减↑↑↑CO↑2↑↑↑↑。但是，为同时减少供给下道工序的能源，因此同时对下道工序进行节能是很重要的。在一般炼铁厂的下道工序中需要↑↑↑0.8↑↑↑～↑↑↑1.0Gcal/t↑↑↑的能源，在考虑补充能源的情况下，最好使用与碳无关的能源。如果能忽略供给下道工序的能源，最大限度地使用生产中所产生的气体，如炉顶煤气的循环等，就可以减少大约↑↑↑25%↑↑↑的碳输入。这相当于后面要介绍的欧洲↑↑↑ULCOS↑↑↑（↑↑↑Ultra Low CO↑2↑ Steelmaking↑↑↑：超低↑↑↑CO↑2↑↑↑↑钢铁厂）的↑↑↑NBF↑↑↑（↑↑↑New Blast Furnace↑↑↑：新型高炉）的目标。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑↑↑6.2 ↑↑↑↑↑炉顶煤气循环和氢利用的评价↑↑↑↑↑↑↑↑↑ ↑

↑为减少↑↑↑CO↑2↑↑↑↑排放，日本政府正在积极推进↑↑↑COURSE50↑↑↑项目。所谓↑↑↑COURSE50↑↑↑项目就是通过采用创新技术减少↑↑↑CO↑2↑↑↑↑排放和分离、回收↑↑↑CO↑2↑↑↑↑，在↑↑↑2050↑↑↑年实现美丽星球项目的简称。↑↑↑50↑↑↑指目标年的↑↑↑2050↑↑↑年。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑炉顶煤气循环和氢利用的工艺由对焦炉煤气中的甲烷进行水蒸气改质，使氢增量并利用这种氢进行还原的方法和从高炉炉顶煤气中分离↑↑↑CO↑2↑↑↑↑再将炉顶煤气循环利用于高炉的工艺构成。在利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煤气的显热来补充水蒸气改质所需的热能。计算结果表明，由于↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的分离、固定和氢的利用，高炉炼铁可减少↑↑↑CO↑2↑↑↑↑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↑↑↑还原不同，因此必须注意氢还原扩大时高炉上部的热平衡。根据理查德图对从风口喷吹氢时的热平衡进行了计算。结果可知，当从风口喷吹的氢的还原率比普通操作倍增时，由于氢还原的吸热反应和风口回旋区温度保障需要而要求富氧鼓风的影响，高炉上部气体的供给热能和固体侧所需的热能没有多余，接近热能移动的操作极限，因此难以大量利用氢。如果高炉具备还原气体的制造功能，并能使用天然气或焦炉煤气等氢系气体，那么利用气体中的↑↑↑C↑↑↑成分就能达到热平衡，还能分享到氢还原的好处。在各种气体中，天然气是最好的气体。在一面从外部补充热能，一面制氢的工艺研究中还包含了优化喷吹量和优化喷吹位置等课题。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑如上所述，高炉内的还原可分为↑↑↑CO↑↑↑气体间接还原、氢还原和直接还原，根据其还原的分配比可以明确还原平衡控制、炉顶煤气循环或氢还原强化的方向。根据模型计算可知，在普通高炉基本条件下，↑↑↑CO↑↑↑间接还原为↑↑↑62%↑↑↑、氢还原为↑↑↑11%↑↑↑、直接还原为↑↑↑27%↑↑↑。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑在氧气高炉的基础上对炉顶煤气进行↑↑↑CO↑2↑↑↑↑分离，由此可提高返回高炉内的↑↑↑CO↑↑↑气体的还原能力，此时虽然↑↑↑CO↑↑↑气体的还原能力会因循环气体量分配的不同而不同，但↑↑↑CO↑↑↑还原会提高到大约↑↑↑80%↑↑↑，直接还原会下降到↑↑↑10%↑↑↑以下。根据喷吹的氢系气体如↑↑↑COG↑↑↑、天然气和氢的计算结果可知，在氢还原加强的情况下会交替出现氢还原增加、直接还原下降的情况。另一方面，↑↑↑CO↑↑↑系循环气体产生的上下运动会使输入碳减少，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会影响到还原效果。根据模型计算可知，气体的渗透受动量平衡的控制。在喷吹与风口产生的以↑↑↑CO↑↑↑为主的气体不同的异质气体氢气时，其断面方向的混合扩散对径向矿石层的还原有很大的影响。采用↑↑↑CH↑4↑↑↑↑对↑↑↑CO↑2↑↑↑↑进行改质，并以炉顶煤气中的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑作为改质源，还原气体的性状不会偏向氢。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑从总的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑产生量最小化的观点来看，在炉顶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↑↑↑COURSE50↑↑↑项目后，为追求新的炼铁工艺，还必须对热风高炉的基础概念做进一步的研究。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑↑↑6.3 ↑↑↑↑↑欧洲的↑↑↑↑↑ULCOS↑↑↑↑↑研究课题↑↑↑↑↑↑↑↑↑ ↑

↑↑ULCOS↑↑↑是一个由欧洲↑↑↑15↑↑↑国的↑↑↑48↑↑↑家企业和研究机构共同参与的研究课题，↑↑↑2004↑↑↑年开始研究。它以欧盟旗下的↑↑↑RFCS↑↑↑基金（煤与钢研究基金）推进研究，有许多值得参考的地方。该研究课题由↑↑↑9↑↑↑个子课题构成，技术研究范围很广，甚至包括了采用电分解的未来炼铁工艺研究。重点是以前述的高炉炉顶煤气循环为特征的↑↑↑NBF↑↑↑（↑↑↑New Blast Furnace↑↑↑）、熔融还原（↑↑↑HIsarna↑↑↑）和直接还原工艺的研究。当前，在推进这些研究的同时，要全力做好未来削减↑↑↑CO↑2↑↑↑↑排放↑↑↑50%↑↑↑目标的最佳工艺的研究。目前，作为研究的核心课题是↑↑↑NBF↑↑↑的研究。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。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑作为↑↑↑NBF↑↑↑工艺的验证，采用了瑞典的↑↑↑MEFOS↑↑↑试验高炉（炉内容积↑↑↑↑8m↑3↑↑↑↑↑），从↑↑↑2007↑↑↑年↑↑↑9↑↑↑月开始进行↑↑↑6↑↑↑周的↑↑↑NBF↑↑↑的实际操作试验。在两种模型条件下，用↑↑↑VPSA↑↑↑对炉顶煤气中的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑进行吸附分离，然后从高炉风口和炉身下部进行喷吹试验，结果表明可削减输入碳↑↑↑24%↑↑↑。今后，加上可再生物的利用，能够实现削减↑↑↑CO↑2↑↑↑↑排放↑↑↑50%↑↑↑左右的研究课题目标。为验证实际高炉中喷吹还原气体的效果，下一步准备采用小型商业高炉进行炉顶煤气循环试验，但由于研究资金的问题，研究进度似乎有些迟缓。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑另外，据说荷兰↑↑↑CORUS↑↑↑将开始进行被称作↑↑↑HIsarna↑↑↑的熔融还原工艺的中间试验。这是将澳大利亚的↑↑↑HIsmelt↑↑↑技术与上世纪↑↑↑90↑↑↑年代↑↑↑CORUS↑↑↑开发的↑↑↑CCF↑↑↑（气体循环式转炉）结合的工艺。该工艺的特征是，先将煤进行预处理，炭化后作为熔融还原炉的碳材，通过二次燃烧使熔融还原炉产生的气体变成高浓度↑↑↑CO↑2↑↑↑↑，然后对↑↑↑CO↑2↑↑↑↑进行分离，并将产生的热能变换成电能。氢的利用也是↑↑↑ULCOS↑↑↑研究的课题之一，主要目的是利用天然气的改质，将氢用于矿石层的直接还原。这不是一个仅仅针对高炉的研究课题，同时涉及实施国的各种不同的实际工艺研究。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑↑↑6.4 ↑↑↑↑↑与资源国的合作和分散型炼铁厂的构想↑↑↑↑↑↑↑↑↑ ↑

↑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，钢铁生产是从资源国的开采阶段就开始了。从削减↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的观点来看，并没有从开采、输送和钢铁生产的全过程来研究最佳的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑减排办法。目前，从确保资源稳定供给和资源价格等方面来看，要求的是确保资源和进口。就铁矿石而言，它是产生↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的物质根源，钢铁生产国在进口铁矿石的同时也进口了铁矿石中的氧和铁，因此钢铁生产国几乎统包了↑↑↑CO↑2↑↑↑↑产生的全过程。虽然对煤进行了预处理，但从经济性方面来看，为实现与削减↑↑↑CO↑2↑↑↑↑有关的低碳高炉操作，应加强与之相符的原料性状的管理，如原料的品位等，同时应在大量处理原料的资源国加强对原料性状的改善，研究减少↑↑↑CO↑2↑↑↑↑排放的方法。铁矿石中的氧、脉石、水分和煤中的灰分与高炉燃料比有直接的关系，在钢铁生产中因脉石和灰分而产生的高炉渣会增加↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的产生量。因此，如果资源国能进一步提高铁矿石和煤的品位，就能改善焦炭和烧结矿的性状、降低焦比，从而有助于高炉实现低燃料比操作。根据计算可知，煤灰分减少↑↑↑2%↑↑↑，可降低燃料比↑↑↑↑10kg↑↑↑/t-↑↑↑铁水。另外，从削减↑↑↑CO↑2↑↑↑↑排放的观点来看，还应该考虑从资源开采阶段到钢铁产品生产全过程的各种↑↑↑CO↑2↑↑↑↑减排方法。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑田中等人提出了以海外资源国生产还原铁为轴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↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的问题缺乏应对能力。从这些观点来看，应把作为粗原料的铁的生产分散到资源国，通过合作来解决目前的削减↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的课题。扩大废钢的使用，可以大幅度减少↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的排放，但日本废钢的进口量有限，因此日本提出了实现清洁生产应将生产地域分散，确保铁源的构想。还原铁的生产方法有许多种，本文只介绍可使用普通煤的回转炉生产法的↑↑↑ITmk3↑↑↑和↑↑↑FASTMET↑↑↑。它们不受原料煤的制约，采用简单的方法就能生产还原铁。还原铁可大幅度提高铁含量，它可以加入高炉，或用电炉熔炼成铁水。虽然在使用煤基的高炉上削减↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的效果不明显，但在使用天然气生产还原铁时可以大幅度减少↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的产生。还原铁和废钢的混合使用可以削减↑↑↑CO↑2↑↑↑↑。目前一座回转炉年生产还原铁的最大量为↑↑↑100↑↑↑万↑↑↑t↑↑↑左右，如果能与盛产天然气的国家合作，也有助于日本削减↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的产生。欧洲的↑↑↑ULCOS↑↑↑工艺在利用还原铁方面也引人关注。人们应借鉴这些技术，将↑↑↑CO↑2↑↑↑↑减排的视野扩大至全球，进一步研究减轻高炉还原负荷的系统化构想。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑↑↑7 CCS↑↑↑↑↑的评价和课题↑↑↑↑↑↑↑↑↑ ↑

↑在考虑大幅度削减↑↑↑CO↑2↑↑↑↑方面，是否采用↑↑↑CCS↑↑↑影响很大。从↑↑↑CCS↑↑↑的现实性、可靠性和经济性等对其进行评价是很重要的。↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的生成热能在碳化合物中处于低位。也就是说，↑↑↑CO↑2↑↑↑↑是稳定物质，换言之也是碳的燃渣，在化学上很难转换成其它物质，但它临界点高，相的转换容易。↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的分离技术以吸附、膜分离和深冷分离为主。从化学工艺方面来看，在制氢等方面很多采用胺液进行↑↑↑CO↑2↑↑↑↑分离，液体吸附法在技术上已成熟。在欧洲的↑↑↑ULCOS↑↑↑中对↑↑↑VASP↑↑↑的应用进行了研究。深冷分离是一种低温操作，在↑↑↑CO↑2↑↑↑↑浓度高的情况下，在确保冷热源如类似的↑↑↑LNG↑↑↑等时也可能采用深冷分离。膜分离仍停留在研究阶段。关于钢铁生产工艺中的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑分离技术，在考虑具有现实意义的液体吸附法时，要注意规模扩大化的应用和炼铁厂煤气特有的微量成分的影响，但主要课题是液体吸附法所需的能源。能源消耗的主要原因是↑↑↑CO↑2↑↑↑↑放散时的反应热和水蒸汽放散时的能耗。根据↑↑↑RITE↑↑↑（地球环境产业技术研究机构）的研究可知，↑↑↑CO↑2↑↑↑↑分离的能耗在当初为↑↑↑4GJ/t↑↑↑，但根据最近的研究可知，因吸收液的改善等原因，↑↑↑CO↑2↑↑↑↑分离的能耗降到↑↑↑2.8↑↑↑～↑↑↑2.9GJ/t↑↑↑。在整个炼铁厂的能耗中这些数字还很大，有必要进一步改善。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑其次，在考虑↑↑↑CCS↑↑↑时的最大课题是↑↑↑CO↑2↑↑↑↑分离后的输送、存贮和固定。如果考虑到从输送到固定的全过程，研究的对象范围就会扩大。↑↑↑CCS↑↑↑的主要提倡国是美国、澳大利亚和欧洲，这些国家都靠近适合↑↑↑CO↑2↑↑↑↑存贮的地壳结构，从能源安全的国策角度来看，他们是重视煤能源的国家，因此其影响是很大的。另外，这些国家还是适合↑↑↑EOR↑↑↑（↑↑↑Enhanced Oil Recovery↑↑↑）的地域。虽然是否采用↑↑↑CCS↑↑↑与未来有很大的关系，但日本仍处在如何保障↑↑↑CO↑2↑↑↑↑输送和存贮的调查阶段，与↑↑↑EOR↑↑↑相距甚远。因化石原料的关系，在考虑大幅度削减↑↑↑CO↑2↑↑↑↑时，不可避免地要研究判断↑↑↑CCS↑↑↑的采用问题，但日本应具有适合本国国情的独自思考方法。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑↑CCS↑↑↑作为未来的发展目标很重要，必须进行研究开发，但首先是必须减少↑↑↑CO↑2↑↑↑↑分离所需的能耗，解决规模扩大化的课题，研究容易采用的炼铁工艺。与电力行业不同，炼铁厂的排气量大，↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的排放源分散。在工业应用化时应更多地考虑与处理量相应的吸收装置的设计和配套，吸收材料再生时需要的能源供给，尤其是输送和存贮等技术。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑液体吸附等↑↑↑CO↑2↑↑↑↑分离装置的规模和吸附所需的能源取决于总的气体量和↑↑↑CO↑2↑↑↑↑浓度。如果是现有技术的延伸，炼铁厂在采用此技术时要增加大量设备。采用氧气高炉形式炼铁的气体产生量少，且高炉炉顶煤气中的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑浓度比普通高炉的高，采用常压吸附法来分离↑↑↑CO↑2↑↑↑↑比现有高炉更有利。因此，在把↑↑↑CCS↑↑↑正式引入炼铁工艺时，不是简单地在现有工艺中增加↑↑↑CO↑2↑↑↑↑分离，而是应设计一种能够减轻↑↑↑CO↑2↑↑↑↑分离负荷的炼铁工艺和分阶段地向与采用↑↑↑CCS↑↑↑相符工艺的转换。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑↑↑8 ↑↑↑↑↑结束语↑↑↑↑↑↑↑↑↑ ↑

↑对于今后削减↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的要求，应通过改善工艺功能实现低碳和脱碳炼铁。在这种情况下，将低碳和脱碳组合的多角度系统设计以及炼铁原料功能的改善很重要。作为高炉的未来发展，可以考虑几种以氧气高炉为基础的低↑↑↑CO↑2↑↑↑↑排放工艺，通过与喷吹还原气体用的↑↑↑CO↑2↑↑↑↑分离工艺的组合，就能显示出其优越性。而且，如果能以↑↑↑CO↑2↑↑↑↑的固定、存贮为前提，选择的范围会扩大，但在实现↑↑↑CCS↑↑↑方面还存在一些不确定的因素。尤其是，日本对↑↑↑CCS↑↑↑的实际应用问题还需进行详细的研究。最初，以↑↑↑CCS↑↑↑为前提的工艺设计还存在着危险性，需要将其作为未来的目标进行研究开发，但必须冷静判断。钢铁生产设备的使用年限长，↑↑↑2050↑↑↑年并不是遥远的未来，应考虑与现有高炉的衔接性，明确今后的技术开发目标。↑↑↑↑↑↑ ↑

↑作为今后的问题是研究各种新工艺的验证方法。商用高炉为↑↑↑↑5000m↑3↑↑↑↑↑，要在大型高炉应用还是个问题。欧洲的↑↑↑ULCOS↑↑↑只在↑↑↑↑8m↑3↑↑↑↑↑的试验高炉上进行基础研究，还处在工艺原理的认识阶段，商用高炉的试验还停留在计划阶段。日本没有做验证的设备。包括中国在内的东亚国家应成立共同研究机构，完善试验设备。↑↑↑↑↑↑ ↑

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