当前，钢铁工业发展的主题是高效、低碳和绿色，而炼铁工序是钢铁工业能源消耗和碳排放最多的工序。为有效应对温室效应和实现社会的可持续发展，减少高炉炼铁过程的CO₂排放成为人们研究的热点。

在全球努力减少温室气体排放的大背景下，国内外正积极开发减少CO₂排放的技术，主要集中于研究高炉使用新型炉料、高炉喷吹含氢物质和高炉炉顶煤气的循环利用等方面。

使用含碳复合炉料

热压含碳球团。高炉上部炉料的还原性对提高炉身效率和促进间接还原具有决定性作用，因此高炉应尽可能使用高还原性炉料，以降低高炉燃料比和焦比，从而达到减少CO₂排放的目的，实现高炉低碳化操作。

较早开发的含碳球团是冷固结含碳球团，主要应用于直接还原和熔融还原中。冷固结含碳球团较小的高温强度限制了它在高炉的大量使用。另外，大量黏结剂的加入会增加高炉渣量，提高高炉燃料比，而且对高炉冶炼非常不利。近年来，在冷固结含碳球团的基础上，热压含碳球团被成功开发。热压含碳球团是利用煤的黏结性，将煤粉和含铁粉料黏结成块，避免了黏结剂的使用。利用煤的黏结性不但改善了含碳球团的物理性能，而且使球团中煤、矿颗粒接触更加充分，改善了含碳球团的高温冶金性能。

根据实验室相关研究，热压含碳球团具有较高的抗压强度，明显优于冷固结球团，而且具有良好的还原性、低的还原粉化率、较低的还原膨胀率、优良的熔滴性能，配加热压含碳球团对高炉综合炉料的透气性有一定的改善作用。

多流体高数数学模拟表明，使用热压含碳球团后，高炉炉身温度水平明显下降。与现行常规操作基数相比，使用30%热压含碳球团时，热空区温度下降约200℃。研究结果显示，随着热压含碳球团使用量增加，生铁产量上升而渣量下降，当使用30%的热压含碳球团时，生铁产量上升4.9%，渣量下降10.4%。更高的生铁产量是随矿焦比增大，更多的含铁原料可以加入高炉造成的。在使用热压含碳球团的情况下，中脉石含量较低，而且焦比降低。更少的脉石进入炉内，从而减少了渣量。随着热压含碳球团加入量的增加，热压含碳球团中带入的碳成比例地增加。虽然煤粉的喷吹量被保持不变，但随着生铁产量的增加，喷煤比有了轻微的降低，高炉焦比明显地降低，总还原剂比也呈一定的下降趋势。

高反应性焦炭。高炉铁氧化物直接还原反应的进行取决于碳的气化反应，即取决于焦炭的反应性。使用高反应性的焦炭可使碳气化反应在较低温度下提前进行，进而降低热空区的温度水平。为大幅削减高炉生产中的二氧化碳排放量，节省能源，以及使用劣质普通煤和低品位矿石增强应对资源危机的能力，改善高炉内铁矿石还原反应效率，高反应性焦炭被认为是一种新的高炉原料。相关研究表明，若使用高强度高反应性焦炭可使热空区温度降低约200℃，还原剂比将降低约60kg/t，炼铁工序CO₂减排超10%。

高反应性焦炭是煤和铁矿石事先粉碎、混合、成型后，用连续式干馏炉加热，将其中的铁矿石还原成金属铁、煤结焦的复合球块料，以此大幅提高弱黏结煤和低品位铁矿石的使用比例。相比较而言，JFE开发的碳铁复合炉料技术具有较大的优越性，可使用低级煤作原料，使用独立的竖炉生产，生产和产量可灵活控制，产品的反应性相对更高，强度比普通焦炭约高一倍，具有较好的应用前景。但将碳铁复合炉料实际应用于高炉炼铁生产，须解决复合炉料的结构和成分优化、复合炉料的碳化和还原、高炉布料和操作制度优化等关键问题。

国内研究了综合炉料中混入高反应性铁焦对高炉初成渣形成过程的影响。结果表明，铁焦的加入使试样开始的压缩温度都有所下降;铁焦的加入一般使软化结束温度提高，使滴落温度下降，导致软熔区间大幅度收窄，表明向铁矿石中混入铁焦能够显著改善高炉料柱的透气性。

喷吹焦炉煤气

高炉喷吹含氢物质强化氢还原已成为当今研究的热点。高炉喷吹含氢物质主要包括废弃塑料、天然气、焦炉煤气等。

废塑料是由碳氢聚合物和一些添加剂组成，在结构、组成上和煤、重油相似，具有很好的燃烧性能和燃烧热值，含氢量是普通还原剂的3倍，可以作为高炉炼铁的还原剂和发热剂，适合作为高炉的喷吹燃料。但国内对塑料分类回收的效果不理想，导致各种不同类型的塑料混杂，而且塑料的加工造粒、含PVC废塑料的脱氯处理等有待进一步完善，因此很难在高炉上大量使用。

天然气的主要成分是CH₄。由于天然气资源有限，价格昂贵，且产地分布相对比较集中，目前只有北美和俄罗斯、乌克兰的部分高炉喷吹天然气。

焦炉煤气是荒煤气经过回收化学产品和净化(脱煤焦油、脱硫、洗氨、脱苯、脱萘等)后形成的产品。焦炉煤气由于含有大量的氢(约占60%)，喷吹进入高炉后，可降低焦炭的使用量，从而减少CO₂的排放。日本COURSE50项目提出高炉喷吹改质焦炉煤气技术，采用BIS装置模拟了炉身喷吹改质焦炉煤气后炉内的反应和炉料还原行为。喷吹改质焦炉煤气后，炉内间接还原度增加，炉身效率提高。因此，高炉喷吹改质焦炉煤气可降低高炉的碳耗。

鞍钢鲅鱼圈高炉实行了喷吹焦炉煤气，该工艺简单、施工方便、技术安全可靠，能够充分发挥焦炉煤气中H2的价值，有很高的经济效益和节能减排功效。预计年经济效益约为1亿元，年减少CO₂排放量约为65万吨。研究人员利用多流体高炉数学模型研究高炉喷吹焦炉煤气，结果显示，喷吹含氢物质后，炉内氢氛围得到了强化，铁氧化物的氢还原在整个间接还原中所占的比例明显升高，特别是Fe₃O₄和FeO的还原过程更加明显。随着焦炉煤气喷吹量的增加，高炉产量增加，还原剂消耗量减少。高炉喷吹焦炉煤气后，生铁产量增加，焦比、煤比和全部还原剂的消耗量均出现了不同程度的下降。

炉顶煤气循环利用

高炉炉顶煤气循环利用是将炉顶煤气除尘净化和脱除CO₂后，将其中的还原成分(CO和H₂)通过风口或者炉身适当位置喷入高炉，从而重新回到炉内参与铁氧化物的还原，加强C和H元素的利用。该工艺被认为是改善高炉性能、降低能耗和减少CO2排放量的有效措施之一。各国结合自身能源结构和生产实际，提出或者应用了多种不同的高炉炉顶煤气循环工艺，包括HRG、JFE、OHNO、FINK、LU等工艺。

俄罗斯采用的HRG法技术明显改善了高炉的性能，而且未对传统的高炉体系作出大的变革。日本的JFE工艺将还原气喷吹、全氧高炉、塑料喷吹、使用热压含碳球团和低温炼铁等多项新技术结合，彻底改变了高炉常规操作方式，是对高炉体系的革新，最终形成“紧凑型高炉”。

目前的研究热点为欧洲ULCOS项目的炉顶煤气循环再生工艺。该工艺的技术要点包括：循环利用含有CO和H₂成分的炉顶还原煤气，用低温纯氧代替热风从炉缸风口吹入，低还原剂消耗操作，炉顶煤气中CO₂的回收再利用。2007年该工艺在瑞典LKAB厂试验高炉上共采用4种方案进行了中试。在试验高炉进行的ULCOS-BF试验证明，新开发出的炉顶煤气循环利用工艺操作安全性好、效率高、稳定性强。炉顶煤气循环利用技术结合CCS(CO₂捕集和封存)技术，使CO2减排50%~60%应该是切实可行的。因此，该工艺被认为是改善高炉性能、降低能耗以及减少CO2排放的有效措施之一。

未来重点仍是炉料和工序

从我国高炉炼铁生产实际出发，以高炉炼铁工序的超高效率和低CO₂排放为目标，研发新一代低碳高炉炼铁技术，掌握关键技术和核心理论，强化高炉对原燃料的适应性，提高炼铁资源和能源利用率，实现高炉炼铁生产的高效、低耗和绿色，促进高炉炼铁和社会环保产业的结合。这对实现钢铁产业节能减排和可持续发展、满足国民经济和社会发展的重大需求具有重要意义。

今后，我国低碳高炉炼铁领域的研发可围绕以下主要方面进行：开发经济高效的含碳复合新型炼铁炉料;优化炼铁工序，喷吹改质或不改质焦炉煤气，同时开发适合我国高炉的炉顶煤气循环操作。我国应在吸收国外新技术研究进展和加强消化吸收的同时，联合多方力量大力开展基础研究和工程技术开发，争取在不长的时间内取得一定的技术突破。作为项目开展的第一步，可结合数字化高炉和钢铁系统能量利用评价模型对上述高炉炼铁低碳化操作进行深入解析，这将显著降低新技术开发的经济风险，加快项目研发进度。