高炉炼铁减排CO₂技术路径与突破

高炉炼铁与二氧化碳排放

大气中二氧化碳（CO₂）是通过温室效应影响全球变暖的主要成分，公认不容置疑。1896年以来大气CO₂浓度上升25%。钢铁业属高能耗产业，是重要CO₂排放源。气候变化被钢铁业视为重大环境挑战。早在2007年IPCC（政府间气候变化专门委员会）发布调查结果前，主产铁钢企业即认识到需长期方案应对钢铁业CO₂排放。因此钢铁业高度主动改善能耗、减排温室气体（GHG）。

当前气候变化环境下，钢铁业持续驱动降低能源成本、减排、最大化废能再利用。传统炼铁炼钢工艺CO₂排放不可避免，尤其高炉（BF）工艺需碳（C）作燃料和还原剂将氧化铁还原为金属态，是一体化钢铁厂CO₂主要产生工艺。气候政策实为高炉炼铁技术进一步发展的重要驱动力。

高炉运行面临挑战中，脱碳至关重要。钢铁业在提高高炉热效率上迈出显著步伐，但最终存在脱碳硬性极限，因化学还原剂必须用碳。1950年代起，为提高高炉炼铁技术效率开展大量研发（R&D），含：① 改善焦炭和烧结矿质量；② 富氧（O₂）；③ 喷吹煤粉、天然气等替代还原剂；④ 负荷分布；⑤ 测量技术等。1950年代还原剂率~1000 kg/tHM，因研发成果实施现已减半。

常规高炉还原剂消耗现~500 kg/tHM，仅比经典高炉操作热力学极限低5%。高炉工艺现为高度发达、逼近热力学极限的工艺。无明显根本性改进预期能大幅降低碳需求或显著提升热效率，但因高炉为主要排放源，减缓行业环境影响势必聚焦高炉炼铁工艺。

突破性炼铁技术

大幅进一步降低碳消耗或CO₂排放需突破性炼铁技术。高炉工艺本身进一步减少化石碳使用和CO₂排放的提议技术包括：① 高炉顶煤气CO回收循环；② 生物质利用；③ 以氢（H₂）替代CO作还原剂；④ 低碳直接还原铁（DRI）、热压块铁（HBI）或低冶金度铁（LRI）；⑤ 碳复合材料利用；⑥ 低碳电能利用；⑦ CO₂捕集封存（CCS）等。但所需路径应为提出渐进改进，从现有工艺潜力中逐步减排或增产。

考虑此类技术时，不可避免涉及经济性和总CO₂排放等跨领域主题。如将CO₂和工艺气体作化工原料可能需额外购燃料供加热炉，影响一体化厂成本、钢质和总CO₂排放。任何进一步考量方案需具备多组分优化潜力，协调这些个体层面。

未来高炉运行关键挑战：① 大幅降低资本和运营支出，全经济周期获可持续资本回报；② 将有效CO₂排放降至甚至低于常规焦炭基工艺化学热力学确定水平。应对挑战必识别若干技术机遇，述下。

顶煤气回收与碳捕集技术

投入碳降低受限于高炉煤气还原平衡。通过强化炉内气体还原、降低直接还原比（吸热反应），经顶煤气脱碳循环喷吹回炉可降低投入碳。带顶煤气回收（TGR）高炉典型流程图见图1。

图1 带顶煤气回收高炉典型流程图

高炉路线脱碳任何方案需碳捕集要素。为达实质性CO₂减排（>50%），需应用CCS技术，但业界共识：减排>80%不可能。鼓舞人心变体：炼铁高炉工艺中顶煤气回收。这是最有望显著减排CO₂技术，含回收顶煤气CO、H₂。

TGR技术核心：经顶煤气除CO₂后重用还原剂CO、H₂，降低化石碳（焦炭）用量，从而降低能耗。TGR-BF主技术：① 顶煤气洗涤除CO₂，平衡还原成分CO、H₂喷吹炉身和炉腰风口；② 低焦比减少化石碳投入；③ 炉腰风口纯氧代热风（移除工艺N₂）；④ 顶煤气回收纯CO₂地下封存。

大多碳捕集方案关联封存，但利用也可考量。碳捕集与利用联系凸显当前研究热点：流程集成。与收集、运输、封存相比，现有高炉改造碳捕集系统流程集成鲜受关注。

预期大多高炉运行现场，碳捕集将与运行数十年高炉并行委托。存在显著流程干扰潜力：气体质量、压力、操作规程、高炉与碳利用装置相对优化等。改造及后续运行不得妨碍现有资产运行效率或产品质量。

流程集成领域需部署先进流程模拟建模技术优化一体化高炉与碳捕集系统组合。需热流体模拟、工艺动力学、全流程经济建模结合关键炼铁工艺参数理解。在此聚焦下，碳捕集应用于现有高炉操作可实现。

氢气还原

高炉工艺重大环境挑战：碳作化学还原剂。此有硬热力学极限，无重大工艺变革无法进一步降碳。一工艺变革：部分从碳转向氢（H₂）作还原剂。高氢还原剂例：废塑料（CnHm）或天然气（主成分CH₄）。H₂已用于直接还原生产DRI，对机制和化学热力学有基础理解，但有机会在炉内进一步研究创新，探索H₂还原与碳还原平衡转移程度。

高炉喷吹废塑料（WP）促进H₂还原。WP固态经风口喷吹，类似煤粉（PC）。通常WP与煤粉共喷高炉。WP燃烧能一般≥常喷煤粉，更高H₂/C比意味着高炉燃烧和铁矿石还原产生CO₂更少。且H₂比碳更优还原剂，降低能耗。WP喷吹提高炉腹煤气H₂浓度。因H₂还原化学反应速率>CO，炉腹H₂增加降低布狄瓦反应程度。CO₂和H₂O因铁氧化物还原存在炉上部。

日本COURSE50项目研究另一促进高炉H₂还原法，2008年启动。项目旨在结合焦炉煤气重整放大氢气，进一步开发高炉炉身喷吹还原气技术减排CO₂。项目H₂还原技术含：① 焦炉煤气重整增氢；② H₂矿石还原技术；③ 适配H₂还原高炉焦炭制造技术。项目中还原气喷吹高炉炉身。两气动量平衡显示：炉身喷吹气穿透面积与喷吹气量成正比，铁矿石还原受H₂促进。但H₂还原吸热，需特别关注炉顶温度维持。

替代含碳材料

替代含碳材料为碳复合烧结块（CCA）或碳铁复合材料（CIC）。为碳质材料与氧化铁混合烧结块，属含金属铁成型焦。碳质料可为焦粉、煤、木炭、厂内富碳细粉、生物质、废塑料等；氧化铁可为低品位铁矿、厂内富铁细粉等。碳复合材料因铁颗粒催化作用，与CO₂反应活性显著高于冶金焦。通常碳复合材料比冶金焦低~150°C起与CO₂反应。

碳复合材料促进矿石还原因：① 材料高活性；② 溶解损失反应起始温度更低。利用此类烧结块不但助减排CO₂，还节焦节能。铁碳紧密接触显著改善反应动力学。其他可视化效益：① 利用厂内富铁/富碳细粉；② 碳化反应与氧化铁（氧化亚铁）还原耦合降低气化温度；③ 减少对CO₂和能源密集型矿石制备工艺依赖。

碳复合材料制法：破碎、混合、成型廉价含铁材料和不焦/弱焦煤，竖炉加热碳化。强度为高炉原料重要性能，通过成型致密化和竖炉较高精度温控，即使低质原料也可达冶金焦同等强度。

含碳材料可多途引入高炉工艺。烧结工序中生物质或WP可部分替代焦粉。厂内细粉作碳铁双源。焦化中尝试配煤添加生物质、WP。替代含碳材料可随负荷自顶部装入高炉作块料，或富碳厂内细粉、生物质经风口喷吹入高炉。

高炉热风炉烟气循环

热风炉新开发技术“烟气循环”（FGR）。将炉从空气-燃料燃烧转为氧气-燃料燃烧，提高烟气CO₂含量。废气回流炉燃烧器调节火焰温度。常规空气-燃料炉操作与强化氧燃料烟气循环操作示意对比见图2。

图2 常规空气-燃料炉操作与强化氧燃料烟气循环操作示意对比

炉FGR操作基恒定质量流或恒定体积流燃烧产物。恒定质量流确保对流换热不变，热烟气回流降低炉燃烧能耗。恒定体积流选项因烟气循环燃烧产物密度增加而生。此模式热回收可结合增加燃烧器燃气率，转化为更高热风温度、潜在降低高炉焦炭消耗。

碳捕集潜力看：烟气CO₂含量较常规炉加热实践基本翻倍。质量项烟气含0.8 t CO₂/t铁水（HM），超当前比排放1/3以上。所需氧气生产消耗空分厂动力边际抵消碳捕集收益，净减排潜力降~6%。

炉烟气循环消除炉燃烧工艺中空气和焦炉煤气使用。故硫氧化物、氮氧化物生成大幅减少。新开发技术具体目标：① 验证改性烟气40%~50% CO₂含量；② 验证余热回收和炉热效率提升；③ 确认新工况维持或提高送高炉热风温度，避免负面影响高炉运行。