我国钢铁工业能耗约占全国工业总能耗的16%，同时排放出大量CO2等气体污染物，而炼铁系统能耗占钢铁生产的70%，因此，钢铁工业节能减排的关键在炼铁系统。由于受热力学平衡和炉身上部热量限制，高炉煤气CO利用率仅为50%，煤气中CO带走化学能约占吨铁总能耗的35%。为进一步提高能源效率，需采用全氧鼓风代替热空气鼓风，提高喷煤量，并使煤气中CO循环利用，既以降低碳耗减少CO2排放为目标的全氧高炉炼铁技术。
在“111”引智计划的支持下，北京科技大学在全氧高炉炼铁技术开发与创新方向开展了卓有成效的研究并取得重要成果。
1. 掌握全氧条件下的高炉热状态综合调控与碳热还原强化方法
高炉热状态综合调控与碳热还原反应强化是保证炼铁过程稳定顺行与高效低耗的关键措施，也是全氧高炉炼铁能否顺利实施的重要保证。通过建立高炉炼铁过程数学模型，研究炉内温度场、浓度场、物相分布等特征，揭示炉内能质分布规律。深入研究全氧鼓风、炉顶煤气循环及高煤比喷吹等条件对冶炼过程的影响，掌握矿料物相结构与熔体物性演变规律，通过矿石还原、焦炭溶损、煤粉燃烧以及气固流动与换热等过程的耦合模型，解析气、固、液、粉多相运动、热质传递、还原、气化反应等过程的耦合特征，掌握了高炉热状态综合调控与碳热还原反应强化方法（图1），并应用于炼铁生产实践。
实现全系统能耗最低是实现钢铁生产高效低耗的最终目标。从能源品位对口、梯级利用角度对炼铁系统物质流、能量流与碳素循环关系进行系统研究，阐明煤气CO2分离和碳素能源循环对系统能耗的影响（图2），获得了能源梯级转化控制方法，阐明了全氧高炉工艺的低碳高效综合效应，为炼铁节能减排提供理论依据。构建全氧高炉炼铁技术原型与工艺系统，完成20m3、120m3工业实验装置的工程设计及关键部件开发，并进行了1000m3级全氧高炉工艺方案设计。可使吨铁焦比降低140kg，煤比提高55kg，燃料比降低85kg，炼铁CO2直接排放降低26%，达到产业化示范水平。
3. 完成高效氧煤燃烧器开发应用实现回旋区燃烧带调控
要实现大幅度增加喷煤量实现以煤代焦降低焦比，煤粉高效燃烧是关键。通过对煤粉气化与燃烧行为解析，揭示多因素对煤粉燃烧的影响规律，掌握燃烧强化方法。针对全氧鼓风、大喷煤和喷吹循环煤气等特点，研究氧煤燃烧器结构对燃烧效率的影响，确定关键参数与喷吹工艺的匹配关系，为燃烧器的设计与工程应用提供关键数据。在强化煤粉燃烧的同时掌握风口回旋区内煤粉及煤气的流动和燃烧状态，以获得初始煤气流分布和传输特性，应用于指导高炉回旋区燃烧带调控（图3）。
综上所述，在“111”引智计划支持下，北京科技大学在高炉低碳炼铁领域取得重大进展，研究工作处于国际领先水平，在国内外学术界和产业界产生重大影响。在炉顶煤气循环氧气鼓风高炉及富氢高炉冶炼等方向，承担国家/省部级及企业重大项目6项，构建完成全氧高炉炼铁技术原型并达到工程示范水平，与宝武集团共同倡导推进组建面向我国钢铁行业的“低碳炼铁共性技术创新联盟”。目前氧气高炉技术产业化取得重要进展，由北京科技大学与宝武集团中央研究院共同开发核心技术，建设容积达430立方米的世界上首座工业规模氧气高炉，该工程的实施是世界高炉低碳炼铁取得重大技术进步的重要标志，将使我国炼铁节能减排技术处于国际领先水平。
