1 研究背景
在过去几十年中，欧盟15国的高炉通过改善系统技术，已经大幅度降低了单位铁水的碳消耗。根据目前的技术条件，在铁矿石冶炼生产过程中进一步降低二氧化碳排放的技术已经接近极限，最好的欧洲钢铁厂已达到技术上的极限，只有真正的技术突破才能将CO2排放量进一步减少30%~70%。为突破这个瓶颈，就需要用一项全新的技术理念取代传统高炉炼铁工艺。因此，2002 年欧洲钢铁工业决定启动长期研究开发项目，寻求能显著降低钢铁生产过程中CO2排放量的突破性技术。基于此背景，2003年初成立了欧洲钢铁技术论坛（ESTEP），并得到欧盟委员会的支持。2004年由欧洲钢铁协会（EUROFER）成员、欧盟委员会、欧盟成员国代表组成的欧洲钢铁技术论坛指导委员会决定实施超低碳钢铁技术项目（ULCOS）。
2 ULCOS项目概况
该项目得到15个欧盟国家和48家欧盟企业及相关机构的支持，共同参与合作研究和开发突破性技术，以大幅减少钢铁生产过程中CO2的排放。参与者包括所有主要的欧盟钢铁公司，技术、工程、能源合作伙伴，研究机构和大学，如美国钢铁协会、加拿大钢铁生产商协会、安赛乐米塔尔巴西公司、日本铁钢联盟、韩国浦项、中国宝钢和中国台湾中钢、澳大利亚博思格钢铁公司等。这项合作由安赛乐米塔尔公司牵头主导协调，欧盟委员会资助。
该项目的目标是使目前最先进生产工艺的吨钢CO2排放减少50%。该项目主要研究钢铁生产工序（从炼铁开始）的相关环保技术。ULCOS的研究包括了从基础性工艺的评估到可行性的研究实验，最终实现商业化运作。它要从所有可能减排二氧化碳的潜在技术中进行分析，以成本和技术可行性为基础进行选择，选择出最有前景的技术，并对其工业化示范水平进行评估，最后实现大规模工业化应用。
ULCOS是目前世界钢铁工业最具雄心的探寻解决全球气候变暖危机方案的研究项目。涉及的专业从钢铁到生物质生产，再到地质CO2封存，包括与气候变化相关的过程科学、工程技术、能源经济学、前沿研究。
该项目的预算是6年5900万欧元，这意味着每年大概60人年工作量要消耗在这项目上，并且涉及人员是这个数目的两倍。项目成员支付总预算的56%，欧洲委员会通过欧盟第六框架计划和RFCS（煤钢研究基金）资助剩余的44%（欧盟第六框架计划和RFCS的建立以促进欧洲工业研究和技术发展为目标）。
这个项目分三个阶段实施：第一阶段是从2004年到2009年。这一阶段的主要任务是分别测试以煤炭、天然气、电以及生物质能为基础的钢铁生产路线，是否有潜力满足钢铁业未来减排二氧化碳的需求；第二阶段是从2010年到2015年，这一阶段则是在第一阶段测试成果的基础上，在现有工厂进行两个工业化的试验，至少运行一年，检验工艺中可能出现的问题，便于进行修正，以及估算投资和运营费用；第三阶段的主要任务是在2015年以后，在对第二阶段工业化试验成果进行经济和技术分析的基础上，建设第一条工业生产线，这个阶段有别于一般意义上的研发，它将成为真正的工业实践，而且在该阶段，这个项目在财政上会受到欧盟的大力支持。
3 第一阶段的研究成果
ULCOS项目开始于2004年。项目计划的第一阶段主要是评估从原材料到钢材的现有和新兴的工艺路线。项目组已研究出评估的统一方法，该方法是建立在一种稳定的、全球都可接受的方法的基础上，计算CO2排放量并进行技术性、经济效益和社会效益的评价。应用上述方法对现有的高炉炼铁工艺进行了评估，这给其他不同工艺的评估提供了基准。
经过多轮选择，从80种钢铁工艺中选择了4种突破性的工艺进行进一步研究。这些技术有望将CO2排放量降低一半以上。这4项技术分别是：
.高炉煤气循环利用技术
.Isarna，新熔融还原工艺
.先进的直接还原工艺
.电解铁矿石技术
ULCOS项目进行的研究在鉴别这些新技术降低CO2排放的潜力方面取得了重大进展。
3.1高炉煤气循环利用技术
以矿石为原料的高炉长流程炼钢工艺的吨钢二氧化碳排放量明显高于电炉短流程炼钢工艺，因此降低碳排放的主要关注点就落在了高炉炼铁方面。
现阶段，ULCOS项目研究的重点课题是高炉炉顶煤气循环技术——新型无氮气高炉技术（TGR-BF）。
高炉煤气循环的基本原理是把高炉煤气分成 CO2富集煤气和CO富集煤气。CO富集煤气循环回到高炉内作还原剂使用，可减少高炉炼铁所需的焦炭量（即降低焦比）。CO2富集煤气则经过一次、二次除尘净化和压缩后，送入CO2管网或存储器。考虑到从煤气中分离出不需要的N2，可避免N2在循环过程中的富集，同时有利于煤气中CO2的捕集，设想往高炉内吹氧替代预热空气。
如果同CO2捕集与封存技术相结合，那么高炉炉顶煤气循环技术有望使钢铁联合企业的CO2排放减少50%。
针对传统高炉，新突破技术需要从以下几方面进行研究：（1）焦炭燃烧的利用率（不存在预燃烧和后燃烧）；（2）冶炼过程中减少焦炭的需求量；（3）大幅减少天然气的使用量；（4）脱碳氢的预还原和电解；（5）木炭和可持续生物质能的利用。
新高炉将采用炉顶煤气循环利用技术。在采用该技术的过程中，为防止高温下由于直接还原的发展导致碳消耗量增加的现象，铁矿石的还原全部由上部交换装置的煤气来完成（温度低于900℃）。为了使铁矿石充分还原，将从炉体下部喷进还原气体。脱碳后大量的一氧化碳和氢气聚积在炉顶，在加热到900℃后，喷进高炉炉体下部。循环的煤气量必须是一定的，风口用冷态的氧气和循环煤气代替空气，促进燃烧。高炉所需的热量可以通过煤的燃烧提供，也可以通过等离子加热器来加热。如果使用等离子，就不再需要额外的氧气或者煤了。传统高炉与新高炉的对比如图1所示。
为测试新高炉技术在瑞典冶金研究所（MEFOS）的模拟试验高炉附近建立气体分离设备。在模拟试验高炉上，安装相应设备来实现100%的O2喷吹与CO的循环喷吹。2007年圆满完成改造高炉与煤气分离设备结合的测试。2009年还用模拟高炉进行了深入测试。
高炉炉顶煤气循环利用技术（TGR-BF）在安赛乐米塔尔Eisenhüttenstadt钢厂产能为70万t/a的高炉上试用，主要研究炉顶煤气循环工艺及闭环操作的可行性。原来，该高炉的二氧化碳排放量为1.3tCO2/t铁。采用新技术后，二氧化碳排放量将下降28%，减至940kgCO2/t 铁。该技术第二阶段的中试将在安赛乐米塔尔公司Florange钢厂的大高炉上进行。一旦用于第一阶段中试总计1.25亿欧元的资金到位，将在德国 Eisenhüttenstadt钢厂安装试验设备，包括在法国Florange钢厂的第二阶段试验，整个项目投资高达5.0亿～5.5亿欧元。预计后续资金将来自欧洲有关国家的政府、欧洲投资银行和ULCOS项目财团。
不过，新高炉技术的深入研究不仅需要时间、资金，同样也存在风险。目前，TGR-BF面临以下技术难题：（1）氧气风口的设计；（2）循环煤气（还原气体）的预热；（3）不同喷吹速率下，气体温度和流量的控制；（4）整个工艺的控制。同样，TGR-BF也面临着一些冶炼技术上的挑战，包括：（1）在氧气风口优化煤粉喷吹；（2）炉缸煤气的有效分布；（3）在高炉软熔带和内部煤气循环的效果；（4）对铁水质量和生产效率的影响。
3.2 Isarna新熔融还原工艺
Isarna是由ULCOS项目开发的一种新型熔融还原工艺。这个名字起源于古老的凯尔特语，意为“强硬的金属”。该工艺直接用精矿粉和煤冶炼，去除了烧结和焦化工序。精矿粉在熔融旋涡熔炼炉中预热并熔化，最终在液态炉渣与金属熔池中同喷吹的煤和O2发生反应。整个工艺过程的热量都是直接获取利用，避免了原料与煤气在中间处理过程中的能量损失。
熔融旋涡熔炼技术最初由康力斯公司（ULCOS会员）提出，多年来一直进行开发研究。20世纪90年代经过一系列大规模中试厂的试验，成功验证了这一技术的可操作性。
与传统高炉炼铁工艺相比，Isarna工艺可大大减少煤的消耗，相应地减少CO2的产生量。Isarna工艺几乎实现了所有煤气的利用，因为该工艺属全氧工艺，炉顶煤气中没有氮气，因此，该工艺炉顶煤气在进行CO2储存前只需经过简单处理即可。
ULCOS联盟与力拓集团共同宣布，通力协作进行Isarna项目计划。力拓集团的参与方式是通过授权HIsmelt直接冶炼技术试图将Isarna工艺与HIsmelt技术一体化，将Isarna的熔融旋涡熔炼炉和HIsmelt熔融炉相结合，喷吹纯氧，并联合应用反应炉中煤预热和部分高温分解技术。旨在开发出一种新的炼铁工艺，该项目将被重新命名为“HIsarna”，以反映两种理念的融合。
HIsmelt冶炼技术是从20世纪80年代开始研发的。第一家采用HIsmelt技术的工厂是澳大利亚Kwinana厂。HIsmelt冶炼炉使用煤和富氧空气，并结合流化床预热铁矿石生产铁水。
与传统的高炉炼铁不同，该技术采用预热煤替代焦炭。煤在一个密闭的双螺旋反应器中预热（不向大气中排放有害气体），转化成热炭后，热装入炼铁熔炼炉。铁矿粉加入到炼铁熔炼炉中，同时用氧枪吹氧使炉内形成旋涡气流。铁矿粉在炼铁熔炼炉中发生还原反应生成铁水。
新开发的工艺过程紧凑且高效。不仅降低CO2排放量，同时使用纯氧也促进了CO2的捕获与储存。此外，该工艺技术还拥有其他特点，如投资成本低、直接利用铁矿粉以及较便宜的非冶金煤等。
将在德国V?lklingen的Saarstahl（ULCOS会员）建造一个年产65000t铁水的HISarna试验厂，预计2010年下半年开始投产，并计划进行为期3年的试验测试。适当的时候扩大工业生产规模，并向全球推广。
力拓集团公司非常看好这一技术的发展前景。力拓需要开发技术，以解决全球气候变化问题。而该项目是HIsmelt技术的合理延伸，目的就是实现大量CO2减排。这将赋予HIsarna工艺技术巨大的商业潜力。
3.3先进的直接还原工艺