1580 工程科学学报，第43卷，第12期 在应对全球气候变化和能源转型的背景下，作 提高：强化了高炉冶炼，生产率可提高1/3~1倍 为碳排放大户的钢铁行业一直面临着碳减排的巨 氧气高炉除了上述优势外，还有以下一些关键问题 大压力，因此低碳冶金技术的开发应用受到高度重 需要解决，主要集中在以下几个方面：(1)理论燃烧 视.钢铁行业是我国国民经济的支柱性产业，其 温度提高，炉缸煤气量减少，导致炉缸温度过高.(2) C0,排放约占我国排放总量的16%.在长流程钢铁 炉腹煤气量减少导致炉料不足.(3)低焦比冶炼对 生产中，约90%的能耗和CO2排放集中在炼铁工 焦炭质量提出新的要求.(4)如何提高有循环煤气 序（包括烧结、焦化、高炉），因此降低高炉炼铁过 条件下的煤粉燃烬率.（⑤）氧气鼓风与循环煤气喷 程的能源消耗和碳排放是实现钢铁工业低碳发展 吹条件下的回旋区调控.(6)氧气鼓风与循环煤气 的主要途径-为此，欧洲、日本等钢铁产业发达 喷吹条件下的炉内流场、温度场优化.(7)氧气高炉 地区和国家均实施了钢铁低碳发展研究计划，重点 对钢铁企业能源平衡及碳排放的影响. 开发低碳炼铁技术，其中ULCOS(Ultra low CO2 下面将从氧气高炉发展历程、流程解析、炉内 steelmaking)计划中的炉顶煤气循环-氧气高炉 反应变化、回旋区多相燃烧、炼铁系统碳素流变化 (TGR-OBF)炼铁技术受到了业界的普遍关注PIU 以及系统节能减排等儿个方面，对氧气高炉的发展 TGR-OBF是用氧气鼓风代替传统的预热空气鼓 历程以及北京科技大学在相关领域的研究工作进展 风，并将炉顶煤气脱除CO2后返回利用的高炉炼铁 进行总结，以期对今后的低碳炼铁研究提供参考. 工艺.在TGR-OBF中，由于炉顶煤气的循环利用 1 氧气高炉发展历程 使C0的分压提高，煤气还原势增强，强化了含铁炉 料的还原，直接还原度降低，使炼铁生产效率提高， 1.1氧气高炉工艺的提出与典型特征 燃料消耗降低，碳排放减少.该工艺具有以下特点2-刀 20世纪70年代，氧气高炉由德国Wenzel等 (1)发展间接还原，降低直接还原：脱除CO2后的炉 首先提出，理论分析与实验研究发现，氧气高炉存 顶煤气具有较高浓度的还原性组分(C0和H2),可 在两方面的问题：(1)由于采用纯氧鼓风，炉内煤 以提高炉内还原势，发展间接还原，降低燃料比.(2) 气量减少，造成炉身炉料加热不足，称之为“上 喷煤量增大，焦比降低：由于采用氧气鼓风，可以加 凉”；(2)由于理论燃烧温度提高、煤气量减少及 速煤粉燃烧，有利于提高喷煤量，降低焦比.(3) 直接还原度降低，导致炉缸温度过高，称之为 CO2分离成本降低：由于采用氧气鼓风，炉顶煤气 “下热”.随后国内外学者先后提出了全氧高炉 中含氮量大幅度降低，CO2浓度提高，CO2分离成 (FOBF)流程、氧-煤-助溶剂(OCF)流程、Fink流 本降低.(4)污染物排放减少：TGR-OBF工艺对焦 程、NKK流程等多种氧气高炉工艺流程，本文按 炭需求量降低，减少了焦化工序产生的H2S、SO2、 提出时间及工艺特点对氧气高炉工艺进行分类汇 NOx、HCN等对环境的污染.（⑤）煤气热值上升：炉顶 总（如表1）.表中所列出的典型氧气高炉流程主要 煤气中的C0和H2含量提高，其热值达到7000kJm3 区别在于采用不同的技术措施来解决氧气高炉存 以上，比传统高炉煤气热值大幅度提高.(6)生产率 在的“上凉”和“下热”等问题 表1不同氧气高炉流程工艺特点 Table 1 Process characteristics of various oxygen blast furnace processes Time Process name Blowing position Spray-blown objects Process features 1978 Finkli9] Hearth,bosh Oxygen,pulverized coal (1)Top gas removes CO,without preheating; top gas (2)Low fuel ratio and 1/2 increase in productivity Hearth:oxygen,pulverized 1985 FOBFPO Hearth,furnace shaft (1)Top gas removes COz,and preheating to 1200 K,Supplement heat; coal,top gas Furnace shaft:recycling gas (2)Part of the top gas does not remove CO2 and is used as carrier gas. Hearth:oxygen,pulverized (1)Preheating circulating gas is injected into the middle of the furnace shaft 1987 NKKI3I Hearth,furnace shaft coal,top gas to supplement the fumace shaft heat; Furnace shaft:recycling gas (2)Considerable coal injection and high productivity 1987 TulaF四 Hearth (1)Top gas removes CO2,and preheating Oxygen,top gas (2)Coke ratio decreases,and the output increases by 20%-30%. 1992 BOBF2四 (1)No circulating gas; Hearth Coal powder,oxygen (2)The oxygen content of the blast fluctuates between 40%and 90%. (1)No COz removal and no heating, 1994 OCFP3I Hearth Oxygen,pulverized coal,top gas,solvents (2)Inject a large amount of pulverized coal and an appropriate amount of flux在应对全球气候变化和能源转型的背景下，作 为碳排放大户的钢铁行业一直面临着碳减排的巨 大压力，因此低碳冶金技术的开发应用受到高度重 视. 钢铁行业是我国国民经济的支柱性产业，其 CO2 排放约占我国排放总量的 16%. 在长流程钢铁 生产中，约 90% 的能耗和 CO2 排放集中在炼铁工 序（包括烧结、焦化、高炉），因此降低高炉炼铁过 程的能源消耗和碳排放是实现钢铁工业低碳发展 的主要途径[1−8] . 为此，欧洲、日本等钢铁产业发达 地区和国家均实施了钢铁低碳发展研究计划，重点 开发低碳炼铁技术 ，其中 ULCOS  (Ultra  low  CO2 steelmaking) 计划中的炉顶煤气循环 −氧气高炉 （TGR−OBF）炼铁技术受到了业界的普遍关注[9−11] . TGR−OBF 是用氧气鼓风代替传统的预热空气鼓 风，并将炉顶煤气脱除 CO2 后返回利用的高炉炼铁 工艺. 在 TGR−OBF 中，由于炉顶煤气的循环利用 使 CO 的分压提高，煤气还原势增强，强化了含铁炉 料的还原，直接还原度降低，使炼铁生产效率提高， 燃料消耗降低，碳排放减少. 该工艺具有以下特点[12−17] ： (1) 发展间接还原，降低直接还原：脱除 CO2 后的炉 顶煤气具有较高浓度的还原性组分（CO 和 H2），可 以提高炉内还原势，发展间接还原，降低燃料比. (2) 喷煤量增大，焦比降低：由于采用氧气鼓风，可以加 速煤粉燃烧，有利于提高喷煤量，降低焦比. (3) CO2 分离成本降低：由于采用氧气鼓风，炉顶煤气 中含氮量大幅度降低，CO2 浓度提高，CO2 分离成 本降低. (4) 污染物排放减少：TGR−OBF 工艺对焦 炭需求量降低，减少了焦化工序产生的 H2S、SO2、 NOx、HCN 等对环境的污染. (5) 煤气热值上升：炉顶 煤气中的 CO 和 H2 含量提高，其热值达到 7000 kJ·m−3 以上，比传统高炉煤气热值大幅度提高. (6) 生产率 提高：强化了高炉冶炼，生产率可提高 1/3～1 倍. 氧气高炉除了上述优势外，还有以下一些关键问题 需要解决，主要集中在以下几个方面：(1) 理论燃烧 温度提高，炉缸煤气量减少，导致炉缸温度过高. (2) 炉腹煤气量减少导致炉料不足. (3) 低焦比冶炼对 焦炭质量提出新的要求. (4) 如何提高有循环煤气 条件下的煤粉燃烬率. (5) 氧气鼓风与循环煤气喷 吹条件下的回旋区调控. (6) 氧气鼓风与循环煤气 喷吹条件下的炉内流场、温度场优化. (7) 氧气高炉 对钢铁企业能源平衡及碳排放的影响. 下面将从氧气高炉发展历程、流程解析、炉内 反应变化、回旋区多相燃烧、炼铁系统碳素流变化 以及系统节能减排等几个方面，对氧气高炉的发展 历程以及北京科技大学在相关领域的研究工作进展 进行总结，以期对今后的低碳炼铁研究提供参考. 1    氧气高炉发展历程 1.1    氧气高炉工艺的提出与典型特征 20 世纪 70 年代，氧气高炉由德国 Wenzel 等[18] 首先提出，理论分析与实验研究发现，氧气高炉存 在两方面的问题：(1) 由于采用纯氧鼓风，炉内煤 气量减少，造成炉身炉料加热不足，称之为“上 凉”；(2) 由于理论燃烧温度提高、煤气量减少及 直接还原度降低 ，导致炉缸温度过高 ，称之为 “下热”. 随后国内外学者先后提出了全氧高炉 （FOBF）流程、氧−煤−助溶剂（OCF）流程、Fink 流 程、NKK 流程等多种氧气高炉工艺流程，本文按 提出时间及工艺特点对氧气高炉工艺进行分类汇 总（如表 1）. 表中所列出的典型氧气高炉流程主要 区别在于采用不同的技术措施来解决氧气高炉存 在的“上凉”和“下热”等问题. 表 1 不同氧气高炉流程工艺特点 Table 1   Process characteristics of various oxygen blast furnace processes Time Process name Blowing position Spray-blown objects Process features 1978 Fink[19] Hearth, bosh Oxygen, pulverized coal, top gas (1) Top gas removes CO2 without preheating; (2) Low fuel ratio and 1/2 increase in productivity. 1985 FOBF[20] Hearth, furnace shaft Hearth: oxygen, pulverized coal, top gas Furnace shaft: recycling gas (1) Top gas removes CO2 , and preheating to 1200 K, Supplement heat; (2) Part of the top gas does not remove CO2 and is used as carrier gas. 1987 NKK[13] Hearth, furnace shaft Hearth: oxygen, pulverized coal, top gas Furnace shaft: recycling gas (1) Preheating circulating gas is injected into the middle of the furnace shaft to supplement the furnace shaft heat; (2) Considerable coal injection and high productivity. 1987 Tula[21] Hearth Oxygen, top gas (1) Top gas removes CO2 , and preheating; (2) Coke ratio decreases, and the output increases by 20%–30%. 1992 BOBF[22] Hearth Coal powder, oxygen (1) No circulating gas; (2) The oxygen content of the blast fluctuates between 40% and 90%. 1994 OCF[23] Hearth Oxygen, pulverized coal, top gas, solvents (1) No CO2 removal and no heating; (2) Inject a large amount of pulverized coal and an appropriate amount of flux. · 1580 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期