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

      1、日本高爐節能技術的發展

      最近幾年，高爐的內部容積已經逐漸增大，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，爐內容積超過了5000m3。巨型高爐提供了優秀的生產效率，然而需要高強、高質量的爐料去抑制半徑方向的不均勻性和保證安全穩定的運行。隨著焦化和燒結的增強，在碳化和燒結過程需要更多結塊能量。此外，隨著高質量的自然資源的消耗，近幾年鐵礦石和煤的質量已經惡化，將來為現在的巨型高爐提供所必須的高質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。它在20世紀80年代由JEF鋼鐵公司(前NKK)提出的。與傳統高爐相比，由于氧氣高爐在無氮環境下運行，使提高一倍的生產率成為可能。此外，與傳統高爐相比，氧氣高爐的CO2排放已經明顯降低。文章研究了以最新提出的氧氣高爐為基礎的煉鐵工藝的優良配置，旨在實現完整煉鋼工序能源消耗的最小化。

      2、氧氣高爐能源節約的概念

      2.1　氧氣高爐特點

      首先，氧氣高爐將純氧氣代替熱風注入，氧氣高爐能以更高生產率運行。在氧氣高爐中，由于在無氮環境下運行，還原性氣體如CO和H2的濃度增加且廢氣氣體下降。一般來說，熔渣流動和礦石的還原速率限制了高爐生產率。因為熔渣流動和礦石還原速率的限制被解除了，使氧氣高爐的生產率可達到傳統高爐的兩倍。第二，大量的粉狀煤注入到鼓風口，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，氧氣高爐能夠產生比傳統高爐具有更高熱值的高爐氣。傳統高爐和氧氣高爐中的高爐氣的熱值分別為3.0 MJ/Nm3和6.4 MJ/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資源。

      同時，氧氣高爐也有自身內在的限制。由于爐腹氣體體積下降，在還原豎井區域的固體材料的加熱潛力比傳統高爐低，并且需要在軸上面注入預熱氣體去補償還原豎井區域的熱供應不足。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　氧氣高爐節能的基本概念

      與先前的氧氣高爐相比較，為了加強能源節約，節能氧氣高爐已經有如下改善：

      (1)聚焦于高生產率特征的氧氣高爐，在保持相同生鐵生產率同時減小了內部空間。例如，假設氧氣高爐生產率高一倍，這就意味著高爐的內部空間能夠減小一半。

      (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能。然而，先期氧氣高爐中的能量需求是19.91 GJ/thm，這個明顯要比傳統高爐的17.28 GJ/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。從經濟學的觀點來看，先前氧氣高爐有利于抑制焦比和增加高爐煤氣產量，然而在節能上有消極影響。

      為了在煉鐵過程中達到節能的效果，必須調整氧氣高爐運行和充分利用氧氣高爐的特性來促進節能。以能源節約型氧氣高爐為基礎的煉鋼過程中，材料強度極限降低的節約能源占比為10%。焦煤、粉煤、天然氣和其他原料的能量輸入分別為10.91 GJ/thm、7.52 GJ/thm、2.29 GJ/thm和0.46 GJ/thm，總共的能量輸入為21.18 GJ/thm，這比先期的氧氣高爐低7.2%，比傳統高爐低4.2%。在能量節約型氧氣高爐中，通過注入天然氣去控制回旋區的火焰溫度。天然氣的注入便于焦炭的高替代率。能源節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約能源的效果，例如焦煉爐、燒結機和電廠，焦煉爐中焦爐煤氣消耗、燒結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，因為它直接關系到鋼鐵廠的碳排放。在節能型氧氣高爐中，碳輸入降低同時供應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能效果，從而能夠進一步降低碳輸入。盡管最優的運行條件依賴于節能和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都有幫助。