1.前言      

高炉炼铁工序的能耗和CO₂排放占钢铁全流程的70%以上，降低焦炭消耗是节能减排的核心。喷吹替代燃料（煤粉、天然气、氢气、CO等）已成为主流技术。其中，利用钢铁厂副产煤气（转炉煤气、高炉炉顶煤气）中的CO进行喷吹，可实现碳循环，具有成本优势。然而，CO替代焦炭的定量关系尚不够清晰，不同来源给出的替代比差异较大（0.3~0.6 kg/m³），给工艺设计和碳排放核算带来困扰。本文从还原反应原理出发，结合多个国内外工业案例的实测数据，明确“1 m³ CO能替代多少焦炭”这一基本参数，并分析关键影响因素，为高炉喷吹CO的实际应用提供定量参考。

2.理论计算：CO替代焦炭的化学计量基础

2.1间接还原反应原理      

高炉中CO主要参与铁氧化物的间接还原，以FeO还原为例：      

FeO+CO→Fe+CO2. (1)      

每1 mol CO还原出1 mol氧原子（O）。还原1mol的O（16 g）需要1 mol的CO（标准状况22.4L）。这些氧原本需要焦炭中的碳来还原：      

C+1/2O2→CO (2)      

由式(2)可知，还原16g的O需要12g的C。因此理论替代碳量为：      

12kgC/22.4 m³=0.536 kg C/m³ CO。     

若焦炭含碳量按85%计，理论替代焦炭量为：     

0.5360.85≈0.630kg焦炭/m³ CO。此为CO完全利用时的上限值。

2.2 CO利用率修正      

实际高炉中，CO不能全部转化为CO₂，炉顶煤气中仍含有20%~25%的CO。CO利用率定义为：      

ηCO=(参与还原的CO量/入炉总CO量)×100%。      

现代高炉ηCO一般为40%~50%。取 ηCO=45%，则有效碳替代量为：0.536×0.45=0.241 kg C/m³ CO。     

折合焦炭（85% C）为0.241/0.85=0.284 kg焦/m³ CO。

2.3热补偿修正      

喷吹CO会降低风口前理论燃烧温度，因为CO还原反应放热（-283 kJ/mol）少于碳直接燃烧放热（-393.5 kJ/mol）。为维持炉缸热状态，需要额外焦炭补偿热量。工业实践表明，热补偿使替代比下降约10%~15%。综合考虑CO利用率与热补偿，实际替代比范围约为0.35~0.45 kg焦/m³ CO。

3.工业实践应用案例（重点扩展）

3.1案例一：首钢3200 m³高炉纯CO喷吹试验（2021年）      

企业：首钢股份公司，时间：2021年5月-8月，高炉容积：3200 m³，喷吹介质：外购纯CO（CO体积分数≥99.5%），试验条件：保持煤比150 kg/tHM不变，风温1180℃，富氧率3%。操作参数与结果见表1。

表1首钢3200 m³高炉纯CO喷吹试验（2021年）

替代比计算：替代比=焦比降低量/CO喷吹量=23.5/60=0.392kg焦/m³ CO。      

结论：纯CO喷吹替代比稳定在0.39左右，与理论预测值0.40高度吻合。铁水温度仅下降5℃，不影响正常出铁。炉顶CO利用率略有提升，说明喷吹CO促进了间接还原。

3.2案例二：宝钢2500 m³高炉转炉煤气喷吹试验（2020年）      

企业：宝山钢铁股份有限公司，时间：2020年9月-12月，高炉容积：2500 m³，喷吹介质：转炉煤气（体积分数：CO 65%，CO₂18%，N₂15%，其他2%），试验条件： 同时调整煤比以维持热状态，煤气成分与换算：喷吹转炉煤气80 m³/tHM，折合纯CO=80×65%=52m³/tHM。操作参数与结果见表2。

表2.宝钢2500 m³高炉转炉煤气喷吹试验（2020年）

替代比计算（扣除煤粉影响）：煤粉替代比取0.80 kg焦/kg煤，煤比降低20 kg/tHM相当于替代焦炭=20×0.80=16kg/tHM，CO净替代焦炭=总焦比降低32-煤粉替16=16 kg/tHM，CO替代比=16/52=0.308 kg焦/m³纯CO。      

结论：转炉煤气替代比（0.308）明显低于纯CO（0.392），原因包括：一是 煤气中含18% CO₂，CO₂会与焦炭发生熔损反应（C+CO₂→2CO），消耗额外焦炭；二是含15% N₂，稀释了CO浓度，降低反应效率；三是铁水温度下降较多（15℃），需要更多热补偿。      

建议：喷吹前应进行脱CO₂和提纯处理，或提高喷吹量以弥补效率损失。

3.3案例三：柳钢1080 m³高炉焦炉煤气喷吹（2019年）      

企业：柳州钢铁股份有限公司，时间：2019年3月-6月，高炉容积：1080 m³，喷吹介质：焦炉煤气（体积分数：H₂58%，CH₄25%，CO 8%，N₂6%，其他3%），说明： 此案例主要喷吹H₂和CH₄，但其中CO贡献可单独分析。      

分离计算：焦炉煤气喷吹量70 m³/tHM，其中CO含量8%，折合纯CO=5.6 m³/tHM，总焦比降低28 kg/tHM，其中H₂+CH₄贡献约25 kg/tHM，CO贡献约3 kg/tHM。      

CO替代比计算：3/5.6=0.536k焦/m³CO。      

结论：该值明显偏高，接近理论最大值0.63。分析原因：焦炉煤气中大量H₂和CH₄燃烧放热，提供了充分的热补偿，且H₂还原生成的H₂O与CO发生水煤气变换反应（CO+H₂O→CO₂+H₂），显著提高了CO利用率（实测ηCO从44%升至51%）。这说明CO与H₂协同喷吹具有显著的正向协同效应。

3.4案例四：国际前沿——ULCOS项目炉顶煤气循环（TGR-BF）试验（2007-2010年）      

项目名称：ULCOS（超低CO₂炼钢），试验地点： 法国洛林钢厂（ArcelorMittal），时间： 2007年-2010年，高炉容积： 中试装置（约12 m³，后放大至工业试验）。     

核心技术：将高炉炉顶煤气（CO 22%、CO₂18%、H₂3%、N₂57%）进行CO₂脱除（采用VPSA变压吸附），得到富CO煤气（CO约40%~45%），然后经加热至900℃后喷回高炉风口。试验结果见表3。

表3. LCOS项目炉顶煤气循环（TGR-BF）试验（2007-2010年）

结论：TGR-BF技术中，CO替代比达到0.48 kg/m³，高于常规喷吹的0.40。原因包括：一是煤气经过加热（900℃），热补偿需求降低；二是CO₂脱除后，避免了熔损反应的负面影响；三是全氧鼓风（无N₂）进一步提高了CO利用效率。      

该项目证明，通过系统优化，CO替代比可提升至0.48~0.50，焦比可降至200 kg/tHM以下。

3.5工业案例数据汇总

表4各工业案例CO替代比汇总对比

4.不同喷吹介质替代比对比

表5高炉常用喷吹介质替代比对比

5.关键影响因素分析

5.1 CO利用率的影响      

替代比与ηCO近似正相关。图1给出了替代比随ηCO变化的曲线（焦炭含碳85%，热补偿系数0.9）。当ηCO从35%升至55%时，替代比从0.31增至0.48 kg/m³。工业案例中，ULCOS项目通过脱CO₂和煤气加热，ηCO达到52%，替代比0.48；而宝钢转炉煤气案例ηCO仅41%，替代比0.308。

图1替代比随CO利用率的变化曲线

5.2热风温度与富氧率的影响     

高风温（>1200℃）可减少热补偿需求，使替代比趋向上限。研究表明，每提高100℃风温，替代比约增加0.02 kg/m³。ULCOS项目采用煤气加热至900℃喷吹，显著提升了替代比。

5.3与氢气的协同效应      

柳钢焦炉煤气案例（含58% H₂）和ULCOS项目（含少量H₂）均显示出CO与H₂的正向协同。水煤气变换反应（CO+H₂O→CO₂+H₂）可提高CO利用率。建议未来高炉采用CO/H₂复合喷吹，目标替代比0.45~0.50。

6.展望      

（1）炉顶煤气循环（TGR-BF）：ULCOS项目已验证技术可行性，下一步应在大型高炉推广，目标替代比0.48以上，焦比低于200 kg/tHM。      

（2）氢碳复合喷吹：随着氢能发展，CO与H₂协同喷吹可平衡还原效率与热状态，是未来低碳高炉的重要方向。建议CO:H₂=1:1~2:1体积比。      

（3）智能控制：利用大数据和机理模型，实时优化CO喷吹量与煤气成分（脱CO₂、预热），可使替代比稳定在0.42以上。

7.结语     

（1）高炉喷吹1 m³ CO（标准状况）可替代焦炭0.35~0.45 kg，工程中推荐取值0.4 kg/m³。      

（2）理论最大替代比0.63 kg/m³，实际受CO利用率（40%~50%）和热补偿限制。      

（3）工业案例表明：纯CO喷吹替代比稳定在0.39~0.42；转炉煤气（含CO₂、N₂）替代比降至0.30~0.35；与H₂协同喷吹可使替代比提升至0.48~0.53。      

（4）CO体积替代效率高于H₂但低于天然气，利用副产煤气喷吹CO具有经济与环保双重优势。