在全球努力减少温室气体排放以及欧盟加紧实施CO2排放贸易的大背景下，欧洲高炉工艺也开始重新考虑减少CO2排放的可能性。由德国蒂森克虏伯公司开发的高炉平衡模型为减少CO2排放提供了方法。该模型在高炉中加入预还原炉料，如热压铁块(HBI)，对降低还原剂消耗和高炉过程的CO2排放都起到有利的作用。为了评估减少还原剂消耗和CO2排放的潜力，有关研究应用平衡模型对两种新高炉工艺进行了评价。这两种新流程是无氮高炉和等离子加热高炉，其共同特点是都配有从炉顶煤气中脱除CO2的装置，这两种新工艺虽然降低了还原剂消耗量，但都须消耗更多的电能，特别是等离子加热高炉工艺。
从目前情况来看，除非非高炉工艺有突破性进展，否则高炉-转炉流程的主导地位还将保持几十年。
当前，从欧盟生态措施、政治措施和碳排放贸易规则来看，减少CO2的排放愈发重要，这就对于高炉这种传统的碳基铁矿石还原法给予了极大的关注。传统高炉工艺的改进，以及炉顶煤气循环的创新高炉工艺，都是从高炉过程碳平衡以及联合钢厂整体能源平衡的角度考虑的。
高炉冶炼是用还原剂将铁矿石中的铁氧化物还原成金属铁的过程。还原剂主要是碳和碳氢化合物，在与铁矿石中的铁氧化物(Fe2O3、Fe3O4、FeO)反应时，生成CO2和水蒸气，同时还存在CO和H2。这些气体在通过高炉时，其成分受压力和温度的影响，彼此处于近似平衡的状态。
降低还原剂消耗碳减排作用有限
高炉还原剂的消耗是影响铁水成本的主要因素，和以前一样，高炉操作的主要任务仍是尽量减少还原剂的消耗量。德国高炉的还原剂消耗约为493kg/t，这是国际先进水平，其他一些国家还原剂消耗量大，在一定程度上与炉料质量有直接关系。
不考虑喷吹用辅助还原剂的种类和化学成分，高炉总的还原剂消耗量是一定的，粗略估计，燃料消耗量与排放的CO2总量相一致。
回顾过去60年来德国高炉还原剂消耗量的变化，高炉操作者在降低还原剂消耗量方面已取得明显成效。但是，从最近几年的趋势可以看出，未来继续减少的潜力有限。换句话说，更进一步降低燃料消耗，甚至达到“巨大突破”可能性较小。德国和西欧周边国家的高炉工艺已经发展为最佳可用技术，但它能否进一步降低还原剂消耗，从而减少CO2的排放量，还值得讨论。
“理想”高炉工艺的碳减排潜力
高炉作为最佳可用技术(BAT)，将其最佳操作条件作为以下评估的基准，其中各项单耗数据是根据高炉操作和成本最优模型，采用过程平衡计算方法得出的。
高炉最佳操作的工艺模型为：焦炭的需求量设为300kg/t，粉煤作为辅助还原剂喷入，喷吹量为174kg/t。只考虑碳平衡条件，炉顶煤气和炼钢过程产生的转炉煤气经充分利用后，整个过程产生的CO2排放量达到1489kg/t。扣除高炉鼓风加热所必需的能量后，以炉顶煤气形式送往厂内各用户的相关能量约为3.2GJ/t。从这一理想化基本理论情况出发，可以评估传统高炉流程的碳排放潜力。
在操作过程中，仍须遵循铁氧化物通过中间产物FeO(浮氏体)被还原为金属铁这一热力学规律。为使FeO(浮氏体)还原为金属铁，还原气必须保证较低的氧分压和高的CO浓度。整个还原过程在800℃~1000℃下进行，在浮氏体还原阶段，当还原气体和铁氧化物反应达到平衡的温度时，还原气的成分将向CO含量降低、CO2含量升高的方向变化。在浮氏体还原条件下，这一转变将自动促进炉顶煤气的利用，使还原剂消耗量降低。
在900℃下，最优操作点与理论的浮氏体还原反应平衡点有一定的势差，因为各平衡状态间的势差是所有化学和物理过程进行的前提。在平行反应温度下，浮氏体还原的理想状态直接取决于平衡曲线，为达到这一“理想”状态，浮氏体还原反应温度应该下降50℃达到可用势差，才能使反应顺利进行。
从理论结果可以看出，在焦炭消耗量不变的情况下，喷入的煤粉量可以减少到150kg/t。整个流程的碳输入因此减少，CO2的排放量可以从传统操作情况下的1489kg/t降低到1415kg/t。采用该理想方案，进入联合钢厂能源网络的相关能源总量将降为2.4GJ/t。
须强调的是，在上述“理想”状态下，工艺基本无法运行，它缺少必要的势差。然而从计算结果中可以看出，单从碳平衡的角度，高炉的“理想”状态只比目前实际操作条件下所能达到的结果好5%，换句话说，高炉工艺在此方面的能力已经达到95%，已经是较高的水平。
除了前述方法，高炉工艺在降低还原剂消耗和CO2排放方面的改进，还可以从以下几种途径考虑:第一，使用预还原炉料或金属化炉料。但是，除非这种炉料在生产过程中排出的CO2很少，否则这种方法效果也不大。第二，使用可再生能源如木炭或菜籽油。但应考虑这些植物在生长阶段所消耗的CO2量。第三，向高炉风口喷吹钢厂的副产品，如焦炉煤气。但同时，只有应用“低CO2能源”来补充焦炉煤气的缺口，才对降低CO2排放有更实际的意义。
高炉使用热压铁块减少还原剂消耗
最简单的减少还原剂消耗和CO2排放的方法之一，是向高炉加入预还原炉料。保持喷煤比不变，加入100kg/t的热压铁块(HBI)可使BAT高炉的焦比从300kg/t降到273kg/t。以炉顶煤气形式输送给钢厂其他用户的能源相应减少，但从全球看，生产预还原炉料所消耗的还原剂也必须予以考虑。
使用热压铁块有以下几种可能性:第一，从国外厂家购买热压铁块，以降低碳基还原剂的消耗。第二，用联合钢厂内部现有的还原气，如焦炉煤气生产HBI。除了从外部厂商购买HBI进行输入、输出调节外，必须使用其他能源来补充生产HBI所需要的煤气，如天然气或电力。除了成熟高效的高炉工艺外，特别是20世纪70年代一些非高炉炼铁工艺被开发出来，并且在生产中得到大规模应用。
高炉CO2减排创新工艺的探讨
为了切实减少生产铁水所排放的CO2，德国蒂森克虏伯公司研究了新的工艺方法———无氮高炉和等离子加热高炉。
无氮高炉。无氮高炉的特点是：从风口喷入的是常温氧气而不是热风。大部分炉顶煤气通过二氧化碳洗涤器脱除CO2，脱碳后的煤气，一部分以常温送入风口，剩余部分被加热到900℃，然后通过第2排风口喷入高炉炉身下部。从这一新工艺的计算结果可以得出，喷煤比与前述的BAT高炉相同，焦炭的需求量减少到204kg/t，而CO2排放量，包括洗涤器脱除的那部分在内，总共只有1177kg/t。
新工艺与目前的实际操作相比，焦比很低。假设到炉身下部含铁炉料的预还原度达到95%，采用这种工艺，贝-波反应所需的焦炭量将减少到约15kg/t，说明约190kg/t的焦炭加入到高炉下部，并保证了炉内的正常透气和顺行。须进一步分析的一个重要问题是，实际向钢厂内部能源管网输出的能量下降到仅0.7GJ/t，这一改变还须继续讨论。须注意的是，洗涤器内脱除了总共833kg/t的CO2，这也需要耗能。另外，需要约210kWh/t的额外电能来加热喷入炉身的煤气。
等离子加热高炉。等离子加热高炉工艺无须鼓入热风、氧气或辅助还原剂。部分炉顶煤气不经过任何处理通入等离子炉，加热到3400℃。炉顶煤气中的CO2与焦炭中的碳发生吸热反应转变为CO，使风口前理论燃烧温度降为2150℃。另一部分炉顶煤气和前述的无氮高炉一样，进入洗涤器脱除CO2，然后加热到900℃，通过第2排风口喷入高炉炉身下部。对这一新工艺的计算结果表明，无须喷吹辅助还原剂，焦炭消耗量约为235kg/t。将洗涤器脱除的那部分CO2包括在内，总的CO2排放量为758kg/t。在同样95%的预还原度(即间接还原度)下，这种工艺的直接还原明显减少，直接还原的减少带来焦炭消耗的减少，在不影响透气性和顺行的情况下，达到了理论计算的焦炭消耗量。但是，可以输出到钢厂能源管网的过剩能源量变化较大，仅为0.3GJ/t。等离子加热高炉由洗涤器脱除的CO2量约为491kg/t，这需要1560kWh/t的额外电能，其中等离子烧嘴消耗的电能约1420kWh/t。由此可见，等离子加热高炉是一种耗电量较高的工艺。
无氮高炉和等离子加热高炉这两种革新流程，给炼铁工艺带来了实质性的改变，但从某种程度上还没有进行工业试验和实际生产应用。特别是风口前反应动力学、炉身下部热煤气喷入点上方煤气向炉料的传热，以及喷吹热煤气对煤气流分布的影响，还有待实际应用后再具体研究。铁矿石进入炉身下部以前，其预还原度至少应达到90%，但对含铁炉料的质量要求还不十分清楚。另一个问题是，由于焦比远低于目前水平，尽管直接还原消耗的焦炭量很少，但对焦炭质量有何要求，还需要回答。
CO2排放量的综合评估。比较上述两种新高炉工艺和传统高炉工艺的总能源需求时，应考虑以下改变来进行综合评估：第一，脱除CO2的过程以及输送、最终存储所脱除的CO2，都要增加额外能耗;第二，通入炉缸风口和炉身下部风口的还原气，必须加压和加热，特别是等离子烧嘴的加热需要消耗大量电能;第三，无氮高炉需要大量纯氧;第四，钢铁联合企业的闭环能源平衡被打乱，考虑到输出能源的减少，而该能源又十分重要，必须增加外部能源进行补充。此外，传统高炉工艺中原有的鼓风加压和鼓风加热过程被去掉了。因此，为了真实、全面地评估CO2排放情况，分析数据应反映出能源消耗方式的变化，以及与之相应的CO2排放量。只有全面的评估才能对各种不同工艺方法进行正确的比较。
总结
德国蒂森克虏伯公司在目前的高炉炼铁生产工艺的基础上进行对比分析，研究了通过改变高炉工艺条件控制CO2排放量的新工艺。但是，新的高炉工艺存在比较大的风险，有关其在冶金工艺和设备工程方面的问题，还有很多工作要做。而新工艺成功的关键在于“低CO2”电能或其他“低CO2”能源的有效利用，特别对于像等离子加热高炉这样高耗电的工艺。因此，CO2排放量的减少，只有在“低CO2发电”或出现其他形式的“低CO2能源”时，才能成功实现。无论现在还是将来，仅靠铁矿石还原过程不可能使CO2减排得到质的提升。这就预示着CO2脱除、封存或选择性利用技术具有应用潜力。
