为了拉动钢铁行业发展，推动钢铁行业节能减排，实现钢铁行业的产业升级和效益升级，必须对现有的高炉炼铁工艺加以改进。氧气高炉炼铁工艺是一种在技术上、经济上及环境上更加符合时代发展需要的炼铁技术，是当前最有可能实现规模化应用的一项炼铁新工艺。
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类在1709年开始使用焦炭炼铁并建成了第一个近代高炉；19世纪中叶，高炉炼铁实现了一次重大技术进步：高炉内喷吹的空气由冷风变为热风，大幅提高了高炉生产率；之后到19世纪末20世纪初，煤气内燃机式和蒸汽涡轮式鼓风机应用于高炉，鼓风机能力大幅提高，高炉炼铁得到迅速发展。
除高炉炼铁之外，世界各国研究发展了很多新的炼铁法，例如直接还原和熔融还原等非高炉炼铁工艺，但由于高炉炼铁技术经济指标良好、工艺简单，生产量大，劳动生产率较高，这种方法生产的铁仍占世界铁总产量的95%以上；但与此同时，高炉炼铁能耗已接近该工艺的理论最低值。
随着世界各国对二氧化碳及其他污染物排放的限制越来越严格，钢铁行业与“节能”“环保”这两个词的联系也越来越紧密，迫切地需要突破高炉炼铁工艺的最低能耗极限。在2015年第6届“中国钢铁节能减排论坛”上，相关专家表示，“十三五”期间钢铁行业将成为环境治理重点领域, 节能标准的约束力将得到进一步强化。根据部署，“十三五”期间钢铁工业排放标准将大幅收紧，烧结机头颗粒物、炼铁颗粒烧结机头二氧化硫等主要排放标准将分别降低60%、92%和90%。工信部新修订的《钢铁行业规范条件》提升了环保标准，例如，将烧结球团焙烧设备二氧化硫排放浓度由原小于等于600毫克/立方米提高到小于等于200毫克/立方米（特殊保护措施地区为180毫克/立方米），氮氧化物排放浓度由原小于等于500毫克/立方米提高到小于等于300毫克/立方米。在全球变暖等日益严重的环境问题之外，又多了一项更为严峻的任务——减少二氧化碳等温室气体的排放，而高炉炼铁是能耗大户，同时也是高排放二氧化碳的产业。在2009年哥本哈根气候大会上，我国作出了到2020年单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%~45%的承诺。
环保约束力加码，企业成本上升，对当前产能过剩、钢价下跌的钢铁行业而言，压力不言而喻。这意味着，实现高炉炼铁的进一步节碳减排已迫在眉睫。
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炉炼铁成本主要集中于其所用的冶金焦，冶金焦需要炼焦煤经过焦化过程生产，而焦化过程污染排放严重，随着高炉生产率大幅度提高，冶金焦需求激增，高炉炼铁过程产生的环境污染问题日益严重，为此世界各国不断改进高炉炼铁工艺。19世纪上半叶产生了向高炉炉缸喷吹燃料来代替部分焦炭的想法，到20世纪50年代喷吹燃料才开始步入工业规模，各国依据本国实际各自开展高炉喷吹的研究，例如苏联、美国天然气资源丰富，以喷吹天然气为主；那些从中东廉价进口石油的国家（如日本、德国、法国等）则在石油危机前大量喷吹重油；我国一开始就以喷吹煤粉为主，现在很多国家也已经从喷吹重油转为喷吹煤粉以适应国际原油价格的变化；一些高炉也喷吹过冶金工厂自产的焦炉煤气、煤焦油等燃料。20世纪下半叶，由于各项技术的开发和普及，世界范围内的高炉炼铁工艺获得了飞速发展。
现代高炉为横断面为圆形的逆向反应竖炉，用钢板作炉壳，壳内砌耐火砖内衬，高炉本体自上而下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸5部分。高炉生产时从炉顶装入含铁矿石、焦炭、熔剂（石灰石）等炉料，炉料在高炉内向下运动，同时从位于炉缸上部沿炉缸圆周分布的风口吹入经预热的空气和辅助燃料（煤粉、重油、天然气等）。在高温下，焦炭和辅助燃料与空气中的氧燃烧生成含一氧化碳和氢气的高温还原性煤气，煤气向上运动，还原除去铁矿石中的氧和加热炉料，铁矿石还原得到铁水，其余未还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，高温熔体由炉缸下部的排渣铁口放出，获得铁水，产生的煤气从炉顶排出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。高炉冶炼的主要产品是生铁，还有副产高炉渣和高炉煤气。
目前我国重点企业高炉平均水平已长期稳定在焦比360 千克/吨铁水，煤比150 千克/吨铁水，先进钢铁企业（如宝钢）的煤比可达200 千克/吨铁水以上。但是对于中国众多钢铁企业来说，高炉的生产效率、能量利用等已基本达到极致，仅依靠操作手段的改进难以实现高炉炼铁较大幅度的减焦增煤和节能减排。传统高炉炼铁以焦炭作为主要能源，主要存在如下几方面的问题：（1）随着主焦煤资源的日趋匮乏，焦炭价格迅速攀升，给炼铁成本带来了巨大压力；（2）焦化是钢铁生产流程的重要的污染源，产生大量的污染物排放；（3）在高炉炼铁过程中，大量宝贵的焦炭资源被转换为低热值的高炉煤气。
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了拉动钢铁行业发展，推动钢铁行业节能减排，实现钢铁行业的产业升级和效益升级，必须对现有的高炉炼铁工艺加以改进。氧气高炉炼铁工艺就是一种在技术上、经济上及环境上更加符合时代发展需要的技术。
氧气高炉炼铁工艺是用氧气鼓风取代传统的预热空气鼓风操作，并将高炉炉顶煤气脱除二氧化碳后返回高炉利用的炼铁工艺。氧气高炉炼铁工艺同传统高炉一样，由炉顶装入含铁矿石、较少焦炭、熔剂（石灰石）等炉料，在风口鼓入常温氧气和大量喷吹煤粉；所不同的是，其在炉身下部加设一排风口，并且炉缸风口和炉身风口同时喷入预热到900摄氏度脱除二氧化碳的炉顶循环煤气，它既可大量产生高质量生铁，又外供高热值煤气。
氧气高炉概念于1970年被提出，在那之后的20世纪80年代，世界范围内对氧气高炉进行过大量的工艺流程基础研究，先后提出了W-K Lu流程、氧气煤粉熔剂复合喷吹（OCF）流程、Fink流程、氧气高炉流程（FOBF）流程、NKK流程等十余种氧气高炉炼铁工艺流程。其中，北京科技大学秦民生教授于20世纪80年代初提出的FOBF流程得到了国际上的广泛认可。自2011年开始，北京科技大学在国家重点基础研究发展计划（973计划）项目子课题“全氧条件下高炉高温热化学反应与能质传递协同原理”、国家自然科学基金重点项目“全氧高炉炼铁关键技术基础”和“十二五”国家科技支撑计划项目子课题“炉顶煤气循环氧气鼓风高炉炼铁技术”的支持下，对氧气高炉炉内状态和关键技术进行了大量基础研究，并取得了重大成果，工业试验方案已基本完成了初步设计，“十三五”期间计划进行工业试验。
氧气高炉炼铁工艺具有以下特点：
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发展间接还原，降低直接还原，降低燃料比。部分高炉炉顶煤气经过脱除二氧化碳后，将剩余较高浓度的还原性气体（一氧化碳和氢气）返回高炉内循环利用，从而提高炉内还原势，发展高炉间接还原，降低直接还原，降低燃料比。
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增加喷煤量，降低焦比。采用氧气鼓风，一方面可以加速煤粉的燃烧，在保持高置换比的前提下，使喷煤量提高到200 千克/吨铁水以上；另一方面，可以使得高炉煤气中几乎不含氮气，不存在由氮气带走的物理热，提高了燃料的热效率，且还原气体的浓度较高，铁矿石的间接还原度大幅度提高，直接还原度大幅度降低，能够有效减少焦炭消耗。提高喷煤量，可以使焦比大幅降低，达到250 千克/吨铁水以下。
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氧气鼓风，降低二氧化碳分离成本。由于氧气高炉炼铁工艺采用氧气鼓风，高炉炉顶煤气中几乎不含氮，且二氧化碳气体浓度较高，因此能够大幅度降低二氧化碳分离成本，有利于减排技术的实现。
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副产高热值煤气。高炉炉顶煤气主要由一氧化碳、氢气、二氧化碳和水组成，其热值比传统高炉高1倍以上（大于7000 千焦/立方米），品质得到大幅度提高。
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减少焦化过程污染物排放。采用炉顶煤气循环—氧气鼓风高炉炼铁技术，焦比可以降低到250 千克/吨铁水以下，较传统高炉大幅度降低。由于焦化是高污染高能耗工序，焦炭工序冶炼能耗为142千克标准煤/吨，炼焦生产过程产生大量硫化氢、二氧化硫、氮氧化物、氰化氢等污染物，因此，能够减少焦化过程中的污染物排放。
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生产率提高30%以上。采用氧气鼓风，冶炼单位生铁的煤气量较传统高炉大幅度减少，强化了高炉冶炼，生产率可提高30%以上。
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氧气高炉领域，俄罗斯、日本、欧盟也都开展了相关研究和工业试验。日本NKK公司1986年在一座炉容为3.9 立方米的试验性高炉上进行了一个半月的连续生产。该试验性高炉设置两个排风口，一个在炉缸上部，喷吹煤粉和常温氧气；另一个设在炉身上部，喷入经燃烧后兑入常温氮气的炉顶煤气，该试验证实了氧气高炉流程的可行性，并可在保证高炉稳定顺行的前提下，实现高效、低燃料比、低硅操作。该试验高炉的生产效率由普通热风操作的9.9 吨铁水/天增加到20.0 吨铁水/天，生产效率提升1倍，同时燃料比由668 千克/吨铁水降到647 千克/吨铁水。尽管燃料比降低不明显，但是却大量使用了煤粉，节约了焦炭，对当前焦煤资源严重短缺的现状有重要意义。
1985—1990年间，俄罗斯在1033 立方米的高炉上进行了氧气鼓风操作工艺的工业实验。该工艺是在风口鼓入常温氧气的同时鼓入脱除二氧化碳的炉顶循环预热煤气，以提高焦炭的化学能利用率，从而降低焦比，实现高炉的节能。理论计算结果表明该工艺可实现焦比达到280～300 千克/吨铁水，生产效率提高25%～30%。该工艺在6年间的12次工业试验中，生产铁水25万吨，最低焦比367 千克/吨铁水（无喷煤），实现了氧耗251 立方米/吨铁水、生产效率1700 吨铁水/天、硅含量2.2%的参数。尽管该实验艺克服了一系列工艺及技术难题，实现了低燃料比生产，然而由于该工艺没有喷煤操作，虽然焦比有明显下降，但是仍然处于较高的水平（367 千克/吨铁水），而在当前焦煤严重短缺及炼焦过程产生污染物带来的环境问题等形势下，这限制了该工艺的进一步推广应用。
2004年，欧洲15国制订并实施了“超低二氧化碳排放的钢铁生产技术”（ULCOS）计划，旨在通过突破性的技术发展，使钢铁工业的二氧化碳减排达到50%以上，其中炉顶煤气循环—氧气高炉炼铁技术（TGR-BF）是其重点开发的核心技术之一，该工艺采用氧气鼓风取代传统的预热空气鼓风操作，并将高炉炉顶煤气经脱除二氧化碳后返回高炉利用。2007年，该技术在瑞典卢基矿业公司的8.9 立方米试验性高炉进行了实验，当喷煤170 千克/吨铁水时，焦比由传统高炉流程的400～405 千克/吨铁水降至260～265 千克/吨铁水，碳耗降低24%；炉顶煤气循环率达到90%以上，一氧化碳循环率约88%；结合碳捕获和封存（CCS）技术，二氧化碳排放量减少76%。该试验的成功，不仅进一步证明了氧气高炉的可行性，还证明了通过氧气高炉操作可实现炼铁工艺的大幅节碳减排。同时该试验第一次将二氧化碳分离技术与氧气高炉进行了结合，实现了高炉正常化，连续生产，从而为CCS技术与氧气高炉技术的匹配与结合提供了经验。
如今，氧气高炉炼铁工艺的可行性及其在节碳减排方面的突出优势已经在理论上和试验性高炉上得到证实：氧气高炉炼铁技术的开发可望实现炼铁系统二氧化碳减排10%~25%；如若未来二氧化碳封存或资源化利用技术得以实现，炼铁系统二氧化碳减排可达50%左右。此外，氧气高炉炼铁技术的应用可使高炉炼铁煤/焦比提高1倍左右，从而大幅度降低对焦炭的依赖度和炼焦污染，有效促进国内煤炭资源的合理分配与利用。由于节能、以煤代焦且生产效率得到提高，高炉炼铁的直接经济效益有望得到大幅度提升。可以说，氧气高炉炼铁技术是当前最有可能实现规模化应用的一项炼铁新工艺。
致谢：感谢973计划项目子课题“全氧条件下高炉高温热化学反应与能质传递协同原理”（课题编号：2012CB720401）、国家自然科学基金重点项目“全氧高炉炼铁关键技术基础”（项目编号：51134008）和“十二五”国家科技支撑计划项目子课题“炉顶煤气循环氧气鼓风高炉炼铁技术”（课题编号：2011BAC01B02）对本研究的支持。
张欣欣：
北京科技大学机械工程学院教授、博士生导师，973计划项目首席科学家，北京科技大学校长。
薛庆国：
北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室教授、博士生导师，北京科技大学副校长。主要从事炼铁技术、冶金资源综合利用等方面研究工作。承担国家科技支撑、863计划、973计划、国家自然科学基金等科研项目和多项校企合作课题。
王静松：
北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室教授，博士生导师。主要从事全氧高炉炼铁、转底炉直接还原处理钢铁厂尘泥以及复合矿综合利用基础研究与工艺技术开发以及冶金过程节能减排等领域的研究。
姜泽毅：
北京科技大学能源与环境工程学院，教授、博士生导师。研究领域包括工业热过程数值模拟、钢铁流程优化与系统节能以及能源微藻培养与性质检测等。
董择上：
北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室博士研究生。
“钢铁冶金新技术国家重点实验室”以国家重大需求为导向，以钢铁冶金工业为对象，以能源高效梯级转化、冶金资源高效利用、高端钢铁材料高效生产等关乎我国钢铁工业可持续发展的基础理论研究和关键工艺技术开发为目标，根据国际钢铁冶金工程学科的发展趋势，定位于高温过程反应机理与动力学、能量高效转换与链接、铁矿资源高效利用和钢的纯净化及夹杂物控制四个研究方向。
实验室承担了一批包括国家“973”计划、“863”计划、科技支撑计划、国家自然科学基金重点、教育部创新团队和引智计划在内的重大科研任务。荣获省部级以上奖励57项，发表SCI论文 500余篇，获国内外授权专利130余项。实验室拥有一支学术水平高、教学和科研经验丰富的固定科研人才队伍。主任由国家杰出青年科学基金获得者郭占成教授担任，学术委员会主任由中国工程院干勇院士担任。实验室现有固定及兼职科研人员72人，以及400多名博士后、博士研究生和硕士研究生在实验室从事相关研究工作。同时实验室还聘请国内外知名专家、学者作为客座人员，合作进行课题申报、人才培养，并参与实验室的研究工作。实验室拥有先进的仪器和设备，具备较完善的高温冶金反应过程测试、产品性能测试与组织结构分析、钢铁冶金工艺计算模拟的仪器设备与装置系统，并建立了一系列质量和安全管理体系保障实验的准确性和安全性。
“钢铁冶金新技术国家重点实验室”本着“联合、流动、开放、竞争”的运行机制，注重与国内外学术界、产业界开展高水平的学术交流和合作。通过积极举办和参加国内外学术会议，邀请国内外优秀学者到实验室讲学，选派青年教师赴国外高水平大学和研究机构学习和合作研究，设立实验室开放基金以及大型仪器设备的对外测试服务等多种途径，为实验室的发展注入了新生力量，增强了实验室在本领域的国际学术影响力。
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