《中國冶金報(bào)》高質(zhì)量發(fā)展的寶武實(shí)踐報(bào)道組：陳玉千 陳琢 劉加軍 呂兵 呂林 賈林海
2030年前碳達(dá)峰，2060年前碳中和，這是中國對世界的承諾；
2023年力爭實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2025年具備減碳30%的工藝技術(shù)能力，2035年力爭減碳30%，2050年力爭實(shí)現(xiàn)碳中和，這是中國寶武對世界的承諾。
圖為朝陽里的中國寶武八鋼廠區(qū)。（姚海山攝）
“作為唯一穩(wěn)定連續(xù)的工業(yè)化級別的非高爐煉鐵工藝——?dú)W冶爐在八鋼的成功應(yīng)用為綠色低碳找到了一條技術(shù)路徑。這是一件前無古人的事情，中國寶武黨委書記、董事長陳德榮說‘這是我們在世界冶金史上留下的咱們中國人的印記’?！?021年10月14日，中國寶武八鋼黨委書記、董事長吳彬?qū)Α吨袊苯饒?bào)》記者表示，“我們將立足新疆能源實(shí)際，積極謀劃和推動(dòng)碳達(dá)峰、碳中和工作，推動(dòng)綠色低碳發(fā)展?！?/div>
“八鋼富氫碳循環(huán)高爐（以下簡稱富氫爐），通過全氧、富氫和煤氣自循環(huán)，實(shí)現(xiàn)碳減排30%以上，目前已取得50%富氧、降碳15%的成就。”八鋼煉鐵廠廠長助理陳佰軍告訴《中國冶金報(bào)》記者。
歐冶爐以煤為主要燃料和還原劑直接熔融還原生產(chǎn)鐵水，同時(shí)產(chǎn)生大量煤氣，再將歐冶爐產(chǎn)生的煤氣進(jìn)行提純，提純后的煤氣（高純度一氧化碳）除歐冶爐自循環(huán)使用外，其余用于富氫爐及其他傳統(tǒng)高爐冶煉使用；而提純后產(chǎn)生的二氧化碳用于化工和石油行業(yè)，以及作為安全氣體使用，最終實(shí)現(xiàn)碳的趨零排放。
毫無疑問，這是中國寶武低碳冶金的底氣，也是中國鋼鐵實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的底氣。
顛覆：從COREX爐到歐冶爐
早在2005年，當(dāng)時(shí)的寶鋼就承擔(dān)起了我國探索非高爐煉鐵技術(shù)的使命，從奧鋼聯(lián)引入熔融還原技術(shù)，建成了設(shè)計(jì)年產(chǎn)能150萬噸、當(dāng)時(shí)世界最大的COREX爐，并于2008年5月順利達(dá)產(chǎn)。但是，COREX爐對原料和燃料的苛刻要求，使其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性大受影響，開著就虧損，不開可惜，出路在何方？
“COREX爐是一種使用塊礦或球團(tuán)礦作為原料、使用非焦煤作為還原劑和燃料的熔融還原煉鐵工藝。但是只能用山西某煤礦生產(chǎn)的一種塊煤，而且須使用價(jià)格較高的高強(qiáng)度球團(tuán)，原料適應(yīng)性非常差，經(jīng)濟(jì)性因此大受影響。”陳佰軍介紹。
最終，寶鋼于2011年做出決策，將COREX爐搬遷至八鋼，希望利用當(dāng)?shù)氐馁Y源，走出一條適合國情、高性價(jià)比的非高爐煉鐵技術(shù)之路。
2012年，COREX爐輾轉(zhuǎn)幾千公里來到新疆，在八鋼安家落戶。“老外都玩不轉(zhuǎn)的新玩意，到八鋼能好使不？”“八鋼效益本來就不咋地，這不是雪上加霜嘛！”一時(shí)間，員工議論紛紛。
“有議論是正常的。不過，COREX爐來到八鋼就已不再是原來的COREX爐，而是變成了歐冶爐。因?yàn)樗诒举|(zhì)上已經(jīng)顛覆了原來意義上的COREX爐熔融還原煉鐵工藝，而變成中國自己開發(fā)的一種新的非高爐煉鐵工藝，而且是一種具有極強(qiáng)競爭力的新工藝?！眳潜蛑赋觥?/div>
圖為歐冶爐遠(yuǎn)景。（劉加軍攝）
用一個(gè)小小的“馕坑”爐模擬歐冶爐開爐操作就是八鋼人創(chuàng)新觀念和強(qiáng)大創(chuàng)新能力的一個(gè)生動(dòng)案例。
2015年6月，在即將開爐的時(shí)候，歐冶爐首任爐長田寶山卻一連幾天從歐冶爐建設(shè)現(xiàn)場“神秘失蹤了”。
當(dāng)然，他哪兒也沒去，而是躲在自己的“秘密試驗(yàn)基地”——一個(gè)已經(jīng)被遺棄的廠房旁，那里有他自己搭建起來的模擬歐冶爐的“馕坑”爐。他用報(bào)廢的小套模擬風(fēng)口，用焊接的氧氣管道和氧氣瓶模擬穩(wěn)壓站。他一次次用打火機(jī)點(diǎn)燃油布，塞進(jìn)“風(fēng)口”，一次次“送氧”，點(diǎn)燃焦炭，熔化礦石和熔劑……
最終，在八鋼誕生了一個(gè)全新的歐冶爐開爐模式，與COREX3000時(shí)代的開爐費(fèi)用相比實(shí)現(xiàn)了極大幅度的降低。
圖為歐冶爐自動(dòng)取樣檢測裝置。（姚海山攝）
“落戶八鋼后，COREX爐已經(jīng)先后實(shí)施了數(shù)十個(gè)改造項(xiàng)目?！标惏圮娬f，“自開爐以來，八鋼歐冶爐共申報(bào)專利600余項(xiàng)，獲得授權(quán)專利142項(xiàng)，其中發(fā)明專利42項(xiàng)，已經(jīng)完全顛覆了原來的工藝?！?/div>
正是這一系列的創(chuàng)新，造就了今日的歐冶爐。
在裝備創(chuàng)新上，八鋼研發(fā)了新型高溫布料器、礦煤垂直膠帶機(jī)、風(fēng)口氧煤燒嘴等歐冶爐專用設(shè)備。在操作層面，八鋼建立了一整套集低成本烘、開爐，固定豎爐爐頂壓力和休風(fēng)安全操作等技術(shù)為一體的獨(dú)特操作技術(shù)。
“在原燃料方面，現(xiàn)在的歐冶爐已經(jīng)做到了‘有啥吃啥’，從指定的塊煤到新疆本地的動(dòng)力煤，從只‘吃’好球團(tuán)到現(xiàn)在45%球團(tuán)、55%燒結(jié)礦的原料結(jié)構(gòu)，成本得以大幅降低?！标惏圮娊榻B。
爐頂煤氣回用和二氧化碳捕集分離兩大突破性技術(shù)，是歐冶爐在低碳冶煉探索方面的重大成果。歐冶爐實(shí)施頂煤氣回配項(xiàng)目，充分利用歐冶爐分段爐型在爐溫控制上的先天優(yōu)勢，通過煤氣循環(huán)利用技術(shù)，不僅進(jìn)一步提高了歐冶爐的生產(chǎn)穩(wěn)定性，而且有效減少了歐冶爐生產(chǎn)的實(shí)際碳需求。2019年，該系統(tǒng)投運(yùn)后，八鋼專門請來權(quán)威第三方進(jìn)行了減碳認(rèn)證。結(jié)果表明，該技術(shù)有效降低了系統(tǒng)碳排放量0.1噸/噸鐵，按年產(chǎn)120萬噸鐵水能力計(jì)算，每年可降低碳排放12萬噸。
一系列技術(shù)創(chuàng)新的推進(jìn)帶來的是效益的提升和成本競爭力的增強(qiáng)。“今年，歐冶爐噸鐵成本比2500立方米高爐低150元以上，并且運(yùn)行穩(wěn)定，這為八鋼煉鐵成本位居國內(nèi)全行業(yè)第二奠定了基礎(chǔ)?！标惏圮娬f。
突破：讓傳統(tǒng)高爐實(shí)現(xiàn)涅槃
走進(jìn)八鋼廠區(qū)東南區(qū)域，富氫爐在綠樹紅花掩映下巍然屹立。
“高爐出現(xiàn)已近2000年，近代高爐也有200多年的歷史，其熱效率高、產(chǎn)能規(guī)模大，生命力頑強(qiáng)。但現(xiàn)有高爐工藝中碳的能量不能被完全利用，有相當(dāng)一部分能量被副產(chǎn)煤氣帶走。副產(chǎn)煤氣目前只能低質(zhì)量地被燃燒發(fā)電或加熱使用，以至于高爐燃煤消耗高、碳排放量大。這在低碳的時(shí)代背景下，高爐的生存壓力倍增?！标惏圮娊榻B。
如何讓高爐更加低碳，從而實(shí)現(xiàn)涅槃新生、煥發(fā)生命力？“將來高爐冶煉減碳有兩條可行的路徑：一是通過提升高爐內(nèi)碳的能量利用效率，做到極致化利用，來減少固體燃料碳的輸入；二是在冶煉過程中，使用清潔無碳的新能源來替代碳，如富氫冶煉等?！标惏圮娬f。
就這樣，富氫爐在八鋼應(yīng)運(yùn)而生。
據(jù)悉，富氫爐的前身是八鋼430立方米高爐。2020年，這座高爐被八鋼改建成為全球首座低碳冶金創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置。八鋼將通過技術(shù)創(chuàng)新，讓這座高爐成為一座具備全氧冶煉、富氫、爐頂煤氣脫二氧化碳后煤氣自循環(huán)噴吹等功能的低碳化高爐。
“富氫爐的原理首先是通過全氧鼓風(fēng)和取消熱風(fēng)爐避免氮?dú)獾妮斎?，然后對爐頂煤氣進(jìn)行脫除二氧化碳提純，將純凈的一氧化碳進(jìn)行電加熱回輸?shù)礁郀t，進(jìn)行自身碳循環(huán)，從而充分利用碳資源，大幅度降低碳排放；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步吹入焦?fàn)t煤氣、氫氣等，從而更進(jìn)一步降低碳資源消耗，實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步減碳。”陳佰軍介紹。
富氫爐的低碳冶煉試驗(yàn)分3個(gè)階段。第一階段于2020年7月啟動(dòng)后，高爐鼓風(fēng)含氧量成功突破了傳統(tǒng)高爐的極限，穩(wěn)定在35%。第二階段引入歐冶爐脫除二氧化碳的還原煤氣和富氫焦?fàn)t煤氣，打通煤氣循環(huán)工藝流程，實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)氧含量50%的超高富氧冶煉和氫冶金冶煉探索。第三階段將利用還原煤氣加熱循環(huán)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全氧（100%）冶煉。
走近富氫爐，這座高爐在《中國冶金報(bào)》記者眼里的“長相”與傳統(tǒng)高爐沒有太大差別。
現(xiàn)場工作人員介紹，目前的富氫爐正在為第三階段試驗(yàn)做準(zhǔn)備，正在進(jìn)行爐身及其他相關(guān)設(shè)備改造，將來的還原性氣體將從風(fēng)口和爐身下部吹入。
圖為富氫碳循環(huán)高爐。（姚海山攝）
“第三階段要按照100%全氧進(jìn)行試驗(yàn)，整個(gè)項(xiàng)目試驗(yàn)成功后，不僅能大幅度提高冶煉利用系數(shù)，還可以至少減少30%的二氧化碳排放。”陳佰軍介紹，這座高爐僅在第一階段試驗(yàn)中就投入了1.5億元。
當(dāng)然，試驗(yàn)過程也克服了重重困難。比如，鼓風(fēng)含氧量的不斷提升，會(huì)造成爐內(nèi)溫度變化等一系列問題，導(dǎo)致出現(xiàn)“懸料”“崩料”等現(xiàn)象，爐況極難控制。試驗(yàn)過程中，富氫爐就曾經(jīng)出現(xiàn)過爐缸凍結(jié)的情況。
圖為富氫碳循環(huán)高爐操作室。（姚海山攝）
“對于困難我們都有心理準(zhǔn)備，也有預(yù)案。隨著試驗(yàn)的深入，我們的信心越來越足，處理問題的方法也越來越多?？梢哉f，我們對成功有百分之百的信心?！标惏圮娊榻B，“別看現(xiàn)在是個(gè)小爐子，將來可以適用于所有高爐，徹底突破傳統(tǒng)高爐碳排放高的瓶頸，可謂前景遠(yuǎn)大?！?/div>
氫氣資源從哪里來？“一是八鋼自產(chǎn)的富氫焦?fàn)t煤氣，二是將來通過光伏資源裂解水來獲取氫氣。新疆地處西北，光熱資源豐富，氫氣獲取成本低且無污染，是真正的‘綠氫’?！标惏圮娊榻B。
“中國寶武2025年要具備減碳30%的工藝技術(shù)能力，很大程度上就是指富氫碳循環(huán)高爐實(shí)現(xiàn)真正意義上的全氧和富氫冶煉?！眳潜驈?qiáng)調(diào)。
耦合：破解趨零排放難題
“八鋼正以富氫碳循環(huán)高爐、歐冶爐為平臺(tái)，探索二氧化碳超低排放技術(shù)創(chuàng)新，破解趨零排放難題?！眳潜蚪榻B。
如何做到趨零排放？多環(huán)節(jié)、多行業(yè)耦合，在其中起到了核心作用。
傳統(tǒng)高爐采用熱風(fēng)爐生產(chǎn)，高爐煤氣因含有大量氮?dú)?，并不具備脫碳再循環(huán)使用的價(jià)值，所以想實(shí)現(xiàn)這個(gè)工藝并不容易。
“但是歐冶爐產(chǎn)生的煤氣不含氮?dú)猓ㄟ^脫除二氧化碳，高純度煤氣（二氧化碳含量從30%降低到1%以內(nèi)）除歐冶爐自身回用部分外，可以全部吹入富氫爐?！标惏圮娊榻B。通過將純凈煤氣回爐和噴入富氫爐，并將二氧化碳加以利用，歐冶爐在原先基礎(chǔ)上每年又可以減碳9萬余噸。
“富氫爐成功接入經(jīng)過脫碳處理的歐冶爐煤氣，這在全球是首次實(shí)現(xiàn)脫碳煤氣循環(huán)利用的。同理，歐冶爐與傳統(tǒng)高爐耦合，將提純煤氣噴入其他高爐實(shí)現(xiàn)碳減排也是完全行得通的?！标惏圮娬f。
他介紹，八鋼現(xiàn)在已經(jīng)立項(xiàng)，把歐冶爐產(chǎn)生的煤氣脫除二氧化碳以后噴到2500立方米高爐代替焦炭和煤，通過煤氣循環(huán)利用降低燃料比，最終實(shí)現(xiàn)減碳。
圖為中國寶武八鋼夜景。（陳治國攝）
當(dāng)然，八鋼將歐冶爐與傳統(tǒng)高爐耦合，打開一條低碳新路，不僅僅表現(xiàn)在煤氣循環(huán)利用這一項(xiàng)。歐冶爐還對傳統(tǒng)高爐的原料實(shí)現(xiàn)了耦合：不僅對原料品質(zhì)的要求大大降低，還實(shí)現(xiàn)了高爐富余焦丁的全利用；高爐排斥的高鋅礦、低強(qiáng)度球團(tuán)等，現(xiàn)在已經(jīng)非常適合歐冶爐的“胃口”，從而實(shí)現(xiàn)了資源最大化利用；原來派不上用場的高爐煤末、焦末等，都在歐冶爐得到了充分利用，實(shí)現(xiàn)了資源耦合。
富氫爐與焦化等其他行業(yè)耦合，進(jìn)一步降低碳排放。“富氫爐不僅可以回用自循環(huán)高爐和歐冶爐產(chǎn)生的脫碳煤氣，減少原燃料消耗，同時(shí)還可以通過使用含氫量較高的燃料，如焦?fàn)t煤氣、天然氣等實(shí)現(xiàn)減碳。此外，未來還將用氫氣替代一部分碳源作為還原劑，因?yàn)樾陆蝗惫鉄豳Y源，其‘綠氫’的生產(chǎn)具有天然成本優(yōu)勢?！标惏圮娬f。
提純后的二氧化碳去哪里？“我們的長遠(yuǎn)目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)全部煤氣的回用，前提是這些分離出來的二氧化碳能有個(gè)好去處?！币晃患夹g(shù)人員介紹說。據(jù)悉，一批二氧化碳深度應(yīng)用的項(xiàng)目已經(jīng)浮出水面，比如，制取甲醇燃料、石油行業(yè)油井壓油應(yīng)用，代替氮?dú)庾靼脖怏w，包括管道吹掃氣、噴煤系統(tǒng)用氣等。
此外，歐冶爐在先后完成了配礦結(jié)構(gòu)優(yōu)化、燃料結(jié)構(gòu)優(yōu)化、金屬化率提升等工藝技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，取得了冶金與煤化工工藝耦合的突破，并在消納城市固廢等方面取得了很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，為實(shí)現(xiàn)鋼鐵廠融入城市，與城市互融互補(bǔ)、共生共榮奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
從歐冶爐、富氫爐，到各種冶煉爐和不同產(chǎn)業(yè)耦合等，八鋼正通過不斷地創(chuàng)新研發(fā)，引領(lǐng)全球綠色低碳冶金技術(shù)進(jìn)步，為攻克世界綠色低碳冶金技術(shù)工藝難題提供了“中國方案”。
“我們就是要真正走出一條路來，為今后高爐的低碳化發(fā)展提供一個(gè)完整可行的工藝路徑和解決方案，這是我們的使命?！眳潜蛑赋?。
低碳、綠色正在成為八鋼最耀眼的一抹亮色。
圖為中國寶武八鋼廠區(qū)一角。（姚海山攝）
來源：中國冶金報(bào)-中國鋼鐵新聞網(wǎng)
編輯：張雨恬
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