鋼鐵冶煉過程中節(jié)能的重要性已經(jīng)受到了廣泛的認識。在煉鐵過程中，已經(jīng)采用了許多相關(guān)的節(jié)能措施，通過傳統(tǒng)方法實現(xiàn)進一步節(jié)能幾乎是沒法實現(xiàn)的。氧氣高爐在能源使用的靈活性方面和CO2排放方面具有優(yōu)勢，是一種很有前景的工藝方法。

　　1、日本高爐節(jié)能技術(shù)的發(fā)展

　　最近幾年，高爐的內(nèi)部容積已經(jīng)逐漸增大，因此需要更大的負載能力。例如，在日本正在運行的一半高爐是巨型高爐，爐內(nèi)容積超過了5000m3。巨型高爐提供了優(yōu)秀的生產(chǎn)效率，然而需要高強、高質(zhì)量的爐料去抑制半徑方向的不均勻性和保證安全穩(wěn)定的運行。

　　隨著焦化和燒結(jié)的增強，在碳化和燒結(jié)過程需要更多結(jié)塊能量。此外，隨著高質(zhì)量的自然資源的消耗，近幾年鐵礦石和煤的質(zhì)量已經(jīng)惡化，將來為現(xiàn)在的巨型高爐提供所必須的高質(zhì)量的負載材料變得很困難。

　　氧氣高爐工藝使用純氧氣代替熱鼓風(fēng)。它在20世紀80年代由JEF鋼鐵公司(前NKK)提出的。與傳統(tǒng)高爐相比，由于氧氣高爐在無氮環(huán)境下運行，使提高一倍的生產(chǎn)率成為可能。

　　此外，與傳統(tǒng)高爐相比，氧氣高爐的CO2排放已經(jīng)明顯降低。文章研究了以最新提出的氧氣高爐為基礎(chǔ)的煉鐵工藝的優(yōu)良配置，旨在實現(xiàn)完整煉鋼工序能源消耗的最小化。

　　2、氧氣高爐能源節(jié)約的概念

　　2.1氧氣高爐特點

　　首先，氧氣高爐將純氧氣代替熱風(fēng)注入，氧氣高爐能以更高生產(chǎn)率運行。在氧氣高爐中，由于在無氮環(huán)境下運行，還原性氣體如CO和H2的濃度增加且廢氣氣體下降。

　　第一，熔渣流動和礦石的還原速率限制了高爐生產(chǎn)率。因為熔渣流動和礦石還原速率的限制被解除了，使氧氣高爐的生產(chǎn)率可達到傳統(tǒng)高爐的兩倍。

　　第二，大量的粉狀煤注入到鼓風(fēng)口，注入的同時焦比下降。由于純氧的燃燒，氧氣高爐的燃燒效率更高，因此氧氣高爐能夠在更高的粉煤率和更低的焦比下運作。

　　第三，氧氣高爐能夠產(chǎn)生比傳統(tǒng)高爐具有更高熱值的高爐氣。傳統(tǒng)高爐和氧氣高爐中的高爐氣的熱值分別為3.0MJ/Nm3和6.4MJ/Nm3。高熱值的高爐氣在其它工藝中能得到有效的利用，例如動力裝置和作為某種化學(xué)資源。

　　同時，氧氣高爐也有自身內(nèi)在的限制。由于爐腹氣體體積下降，在還原豎井區(qū)域的固體材料的加熱潛力比傳統(tǒng)高爐低，并且需要在軸上面注入預(yù)熱氣體去補償還原豎井區(qū)域的熱供應(yīng)不足。

　　在氧氣高爐中，例如粉化煤等的注入有助于控制回旋區(qū)的火焰溫度，但粉化煤注入率最終受到煤燃燒效率的限制。為了控制火焰溫度需要額外注入一些爐頂煤氣，爐頂冷氣的注入比例對降低焦比沒有貢獻，更確切的說它能增加煉鐵過程中還原劑和能量的消耗。

　　2.2氧氣高爐節(jié)能的基本概念

　　與先前的氧氣高爐相比較，為了加強能源節(jié)約，節(jié)能氧氣高爐已經(jīng)有如下改善：

　　(1)聚焦于高生產(chǎn)率特征的氧氣高爐，在保持相同生鐵生產(chǎn)率同時減小了內(nèi)部空間。

　　(2)直接還原率的降低，輪廓尺寸的降低能有效降低上部爐體的負荷，弱化半徑方向上的不均勻性，這就意味著負載材料要求的高強度能夠降低。

　　(3)在小尺寸的氧氣高爐中，通過降低高爐直徑尺寸來減少天然氣的輸送，從而改善了還原效率，高生產(chǎn)率下高爐的熱損失也能夠減小。

　　3、煉鐵過程的能量消耗和能量流動

　　先期的氧氣高爐在高爐中大量注入粉煤，焦煤的輸入能量明顯降低，可見盡可能的用粉煤代替焦煤有利于節(jié)能。然而，先期氧氣高爐中的能量需求是 19.91GJ/thm，這個明顯要比傳統(tǒng)高爐的17.28GJ/thm大。這主要是由于冷氧氣和大量粉煤的注入，盡管焦比下降了，但是氧氣的消耗量升高了。尤其產(chǎn)生氧氣的能量消耗對能量輸入增加有很大的影響。

　　此外，在高爐中通過鼓風(fēng)口注入高爐煤氣去控制火焰溫度的方法對能量消耗有消極影響。從經(jīng)濟學(xué)的觀點來看，先前氧氣高爐有利于抑制焦比和增加高爐煤氣產(chǎn)量，然而在節(jié)能上有消極影響。

　　為了在煉鐵過程中達到節(jié)能的效果，必須調(diào)整氧氣高爐運行和充分利用氧氣高爐的特性來促進節(jié)能。以能源節(jié)約型氧氣高爐為基礎(chǔ)的煉鋼過程中，材料強度極限降低的節(jié)約能源占比為10%。焦煤、粉煤、天然氣和其他原料的能量輸入分別為10.91GJ/thm、7.52GJ/thm、2.29GJ/thm和 0.46GJ/thm，總共的能量輸入為21.18GJ/thm，這比先期的氧氣高爐低7.2%，比傳統(tǒng)高爐低4.2%。在能量節(jié)約型氧氣高爐中，通過注入天然氣去控制回旋區(qū)的火焰溫度。

　　天然氣的注入便于焦炭的高替代率。能源節(jié)約型氧氣高爐中的能量流入是18.55GJ/thm，這比先期的氧氣高爐低。此外，可以在其它的工序中獲得進一步節(jié)約能源的效果，例如焦煉爐、燒結(jié)機和電廠，焦煉爐中焦爐煤氣消耗、燒結(jié)機中焦粉的消耗和電廠的焦爐煤氣的消耗降低了10%。

　　除了節(jié)能以外，還要把注意力放在碳輸入上，并作為一個重要的評估指標，因為它直接關(guān)系到鋼鐵廠的碳排放。在節(jié)能型氧氣高爐中，碳輸入降低同時供應(yīng)到下游工序的能量增加，因為來源于粉煤的CO氣體被來源于富含氫的天然氣的H2代替，而碳消耗被抑制。

　　通過降低高爐輪廓尺寸能夠減輕負載強度而獲得節(jié)能效果，從而能夠進一步降低碳輸入。盡管最優(yōu)的運行條件依賴于節(jié)能和CO2減排的情況(歸因于氧氣高爐的特點)，但是注入高熱值的富含氫的氣體(例如天然氣)對降低碳輸入和確保下游工序能量供應(yīng)都有幫助。