全榮

現有高爐工藝的低碳化已接近還原平衡的理論極限和熱平衡的極限，今后不可能大幅度減少CO₂ 排放量。因此，從長遠考慮，需要開發可徹底減少CO₂ 排放量的突破性技術，為此，全球開展了產官學一體化的研發。大型項目一般由產業界與官學合作，接受政府的支持進行開發。大幅度削減以高爐為主的CO₂ 排放量的研究可以大致分為:①還原平衡控制降低還原劑比；②以CO₂分離、捕集和儲存(CCS)技術為前提的高爐本體的高功能化；③新工藝的開發。

1 還原平衡控制的低碳化

還原平衡控制如圖1 所示的模式，認為通過提高碳材的反應性，碳素溶解反應開始溫度低溫化，還原平衡點W 點從B 點移向C 點，可以降低還原劑比。日本大分廠1 號、2 號高爐使用高反應性小塊焦降低了還原劑比，室蘭廠2 號高爐通過灰分中CaO 的催化劑作用，使用提高反應性的高Ca 焦炭，確認還原劑比降低約10kg/t。另一方面，日本從1999 年開始，用五年的時間進行了以高爐能源減半、環境負荷最小化為目標的研究。通過研究明確了將礦石和煤混合粉碎，可以使還原和氣化的偶聯反應高速、低溫化。此外，通過使用內裝碳材的熱壓成型塊，明確了可以將還原平衡反應降低150-200℃。之后，從2007-2010 年，在日本鋼鐵協會研究會“礦石、碳材接近配置的高爐還原平衡控制”項目中，系統地研究了碳材、礦石的距離(從厘米級到納米級)與煤氣化反應和還原反應改善效果的關系。

基于這些基礎知識，作為新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)的委托研究項目，2006 年日本開始革新性煉鐵工藝的前期研究，2008 年提出了面向高爐低碳化、強化資源應對力的革新性塊狀物的研究，并構建了其制造原理。通過碳材和氧化鐵接近配置、金屬鐵/氧化鐵的催化作用，期待提高碳材的煤氣化反應速度。研究了將碳材分散在礦石中的含碳塊礦、將金屬鐵分散在碳材中的鐵焦(Carbon Iron Composite，CIC)的制造方法，以及其熱平衡帶溫度降低和還原劑比降低的效果。

2009 年到2012 年，為了開發革新性塊狀物中試規模的制造技術和高爐操作技術，NEDO 和經濟產業省資助的“強化資源應對力的革新性煉鐵工藝技術開發”項目，作為JFE 鋼鐵、新日鐵住金、神戶制鋼和日本主要大學的共同研究項目開始實施。以氧化鐵、金屬鐵和碳材的復合塊鐵焦為對象，用30 噸/天中試設備，進行了制造技術開發、革新結合劑的開發、高爐操作技術的開發。在大型高爐進行了鐵焦的使用試驗，確認了降低還原劑比的效果。

關于將碳材分散在氧化鐵中的含碳塊礦，Kasai 等人在加古川廠3 號高爐實施了短期的熱壓成型塊的使用試驗。此外，Yokoyama 等人生產了21000t 含碳塊礦RCA(Reactive CokeAgglomerate)，在大分廠2 號高爐進行了應用試驗。確認RCA 中的碳1kg/t，可以減少0.36kg-C/t的碳消耗量，熱平衡帶溫度降低83℃，目前仍在繼續使用。

關于采用還原平衡控制的降低還原劑比，熱壓成型塊、含碳塊礦、鐵焦都完成了高爐使用評價、課題提出的試驗。制造設備費、操作成本等經濟性評估、對鋼鐵廠內能源平衡的影響等進入面向實用化的研究階段。

2 強化高爐內煤氣還原的低碳化

作為強化高爐內煤氣還原功能的方法有爐頂煤氣循環法。高爐爐頂煤氣脫除二氧化碳后，再次噴入高爐的爐頂煤氣循環，強化煤氣還原，通過降低吸熱反應的直接還原率，可以進一步降低還原劑比。圖2 是爐頂煤氣循環的各種低碳高爐的示意圖。

2.1 向爐身噴吹還原氣體

從20 世紀70 年代開始進行從爐身噴吹還原氣體、降低高爐還原劑比的嘗試。在新日鐵住金廣炯廠3 號高爐(內容積1691m³)實施了將重油部分氧化而制造的還原氣體，噴入高爐爐身的FTG法，確認由重油30kg/t 制造還原氣體，從爐身噴入，有置換率為0.9-1.0 的降低還原劑比的效果。

此外，有報告指出，向爐身噴入的氣體擴散比較小，通過混合擴散，以約15。的角度邊擴散、邊上升。提出了用高爐爐頂選擇性回收的爐頂煤氣中的CO₂ 將焦爐煤氣中的CH₄ 改質，將高溫還原氣體噴入到爐身的NKG 法。

2.2COURSE50 項目

COURSE50 是受日本新能源產業技術綜合開發機構委托的項目，于2008 年啟動。它以強化高爐還原功能實現高爐煉鐵低碳化、進而大幅度減排CO₂ 為目的，日本各鋼鐵公司和大學共同參與了該項目的研究。COURSE50 項目是由改質焦爐煤氣增加H₂ 含量技術、利用氫的強化還原和分離回收CO₂ 技術構成的低碳工藝，目標是到2030 年削減約30%的CO₂ 排放量。COURSE50 項目提出的氫還原高爐反應控制技術由焦爐煤氣水蒸氣改質的增氫、氫促進鐵礦石還原、適應氫還原的高爐用焦炭制造技術構成。開發的第一階段(第一步)從2008 年開始，為期五年。小型試驗高爐的部分鑒定(第二步)從2013 年開始，計劃用五年時間完成。如圖2 所示，從爐身噴吹還原氣體這點看，可以說COURSE50 項目是FTG 法的延伸。

到目前為止，研究結果表明，噴入爐身氣體的滲透區域與噴吹氣體量成正比，氫促進還原效果也可以定量評價。此外，因為氫還原是吸熱反應，所以確保爐身上部的溫度等成為問題。確立CO₂ 儲存技術和經濟合理性是前提條件，預計在2030 年左右1 號機將實用化。

2.3 歐洲的ULCOS 項目

2004-2010 年實施的ULCOS 項目(ULCOS I)由歐洲15 國48 家企業和研究所參加，受歐洲煤鋼研究基金(Research Fund for Coal and Steel)的資助，研究經費7600 萬歐元。ULCOS 目標是將來減少50%以上的CO₂ 排放量，項目從熔融還原到電解煉鐵進行了廣泛的工藝評價，作為開發工藝選擇了ULCOS-NBF(ULCOS-新型高爐)、HIsarna(煤基熔融還原法)、ULCORED(氣基直接還原)、ULCOWIN/ULCOLYSIS(電解煉鐵)。

ULCOS-NBF 以氧氣高爐為基礎，其特點是將爐頂煤氣脫除CO₂、加熱，向爐身和風口噴吹循環煤氣，是緊湊型的高爐。用瑞典的LKAB 試驗高爐(內容積8.2m³)進行了ULCOS-NBF 試驗，根據試驗結果，在Version4 號高爐進行了向爐身和風口噴吹加熱高溫煤氣的試驗，不與CCS 配合時投入碳量減少24%，通過與CCS 配合，推算最多可以減少73%的CO₂ 排放量。但是應該注意的是這些數據沒有考慮向下道工序的能源供給。有報告指出，ULCOSⅡ項目計劃在德國Eisenhuttenstadt 廠3 號高爐進行不配合CCS 的試驗；2016 年，在法國Florange 廠6 號高爐進行與CCS 配合的試驗。實機化從現在開始需要再過15-20 年的長期研發。

研究新一代高爐技術可向下道工序供給能量與減排CO₂ 的關系可知，鐵焦裝入、COG 噴吹、COG+爐頂煤氣循環等方法的CO₂ 排放量均降低，但同時向下道工序的供給能量減少。COG+爐頂煤氣循環的方法最多可以降低30%CO₂ 排放。在氧氣高爐，隨著爐頂煤氣循環量的增加，CO₂排放量降低，如果與分離CO₂ 配合，有望比傳統高爐大幅度降低CO₂ 排放量。哪種情況都是在減排CO₂ 的同時，減少了向下道工序的能量供給，所以，確立經濟上可行的能量補充方法，包括提高發電廠效率等，成為實現下道工序節能的關鍵。

2.4 高爐以外的低碳化技術

作為高爐以外的低碳化技術有上述的ULCOS HIsarna(熔融還原法)，POSCO 的不需要燒結和煉焦等預處理工序的FINEX 工藝。HIsarna 工藝是力拓HIsmelt 技術和艾默伊登廠開發的Isarna 技術的結合，采用CCF(Cycloneconverter furnace)粉礦還原、熔融，用SRV(Smelting reduction vessel)進行熔融還原的工藝。通過使用純氧，與CCS 配合，達到大幅度減少CO₂ 排放量。2011 年在塔塔鋼鐵荷蘭艾默伊登廠中試設備(8t/h)進行了試驗。經過數次技術改進和試驗廠自身改進后，進入第二階段測試。新測試的目標是在更長時段內實現穩定的煉鐵生產。

FINEX 工藝于1992 年開始研發，1996 年建設15 噸/天試驗設備，1999 年建設150 噸/天中試設備，經過2003 年60 萬噸/年示范設備試驗后，2007 年150 萬噸/年的1 號機投產。FINEX 工藝是將氣化熔融爐發生的煤氣導入4 段流化床，進行礦石還原。特點是還原的礦石熱成型，供給氣化熔融爐。流化床的排氣脫除二氧化碳后，再循環使用，減少了煤炭使用量，相對于現行高爐可以減少4%的CO₂ 排放量。此外，有報告指出，使用純氧脫除流化床排氣中的二氧化碳，所以，煤氣中的CO₂ 濃度升高，與CCS 配合，有望大幅度減排CO₂。雖然提出了許多低碳煉鐵工藝，但要達到實用化仍存在以下問題。

1)生產設備和生產成本的最優化:新生產設備的投資構筑經濟性可行的商業模式。

2)能源基礎設施:高爐低碳化意味著向鋼鐵廠內的煤氣供給量下降。構筑確保鋼鐵廠能源供給的能源基礎設施，實現下道工序和發電廠的節能。

3)按比例擴大:面向工業機規模，必須克服中間規模設備的工藝驗證等問題。

3 展望

由于計算機等時代尖端技術的引入，設備正在向大型化和自動化方向發展，各國都在積極投資節能技術和環境友好技術，研發具有競爭力的最尖端技術。

高爐低碳化技術是一個長期的課題，必須根據能源動向、資源動向進行研發。東日本大地震導致的核電站事故使日本國內外的能源價格體系發生變化，由于以美國為主的擴大開采頁巖氣，預計煉鐵的能源價格體系將長期處于困難的狀況。此外，中國經濟增長速度的降低和印度增長的不確定導致資源需求緩和。因此，煉鐵領域的能源、資源動向等短期可能發生大的變化。此外，SCOPE21 技術開發和工業化的經驗表明，煉鐵新技術的開發需要10 年以上的時間。因此，煉鐵領域的課題通常不能左右短期性經濟環境，產官學協作切實進行研發很重要，具體總結為以下3點。

1)面向高爐低焦比操作的設備和操作技術。日本的焦爐逐漸老化，到2025 年許多焦爐需要更新。在嚴酷的經濟環境中，為了將設備投資控制在最低水平，必須向焦比的極限200kg/t 挑戰。

2)擴大利用廉價資源的技術。世界的優質鐵礦石、煤炭資源正在枯竭，同時價格高漲。日本鋼鐵業的競爭力在于為降低鐵水成本利用相對廉價的資源，應該繼續擴大廉價原料的利用。

3)煉鐵領域的低碳化和節能。作為防止全球氣候變暖的措施，抑制減排CO₂ 的京都議定書生效以后，各國采取的行動不透明，但對長期性的節能、煉鐵領域低碳化的需求今后也不會變化。必須進行新煉鐵方法的研發，以及研發中的新原料的實用化等，向低碳化努力。   

此外，技術開發的基礎在于人才，但與技術開發活躍的20 世紀70 代相比，日本煉鐵領域的研究人員數量減少了60%，現場的技術人員數量減少更多。所以，不僅要攻克焦比200kg/t 的挑戰性課題，而且，還要切實進行氧氣高爐等長期性課題的研發，積極與產官學合作研發、并注重人才培養。