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低碳冶煉先行者!探秘中國寶武八鋼低碳冶煉實(shí)驗(yàn)基地

2021-04-19 09:53:00

  從歐冶爐的“前世今生 ”
  看中國寶武低碳發(fā)展
  ——八鋼低碳冶煉實(shí)驗(yàn)基地見聞(上)
 
  4月的烏魯木齊,大地春回。八鋼廠區(qū)東南面,歐冶爐巍然聳立于藍(lán)天之下,透著一份大氣。
  這座歐冶爐的“前世今生”,生動地刻畫了中國寶武在低碳冶煉上,孜孜不倦的探尋與追索。
  早在2005年,當(dāng)時的寶鋼承擔(dān)起了我國探索非高爐煉鐵技術(shù)的重大使命,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)時全世界最大COREX爐,并于2008年5月順利實(shí)現(xiàn)“三達(dá)”。任何敢為天下先的探索,都要付出巨大的代價。由于國內(nèi)外原燃料結(jié)構(gòu)的差異,COREX爐的運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性受到了前所未有的挑戰(zhàn)。2011年,公司作出決策,將COREX爐搬遷至新疆八鋼,希望利用當(dāng)?shù)氐馁Y源,走出一條適合國情、高性價比的非高爐煉鐵技術(shù)之路。
  01、顛覆“飲食結(jié)構(gòu)”求生存
  從今天來看,非高爐煉鐵技術(shù)其實(shí)就是低碳冶煉的一種探索。熔融還原工藝流程短、污染少,碳排放自然可以減量。COREX爐搬遷的初衷,就是要找到一條適合國內(nèi)原燃料結(jié)構(gòu)的低碳冶煉之路。但是,它首先要解決的還是生存問題。
  2012年,在很多八鋼人心里是一個不同尋常的年份。正是這一年,COREX爐輾轉(zhuǎn)幾千公里,在八鋼安家落戶?!袄贤舛纪娌晦D(zhuǎn)的新玩意,到八鋼能好使不?”“八鋼效益本來就不咋地,這不是雪上加霜么?”消息傳來,一時間干部員工議論紛紛,不少人都把COREX爐看成了一個“燙手山芋”。制造管理部首席李濤回憶說,那時候,八鋼的接待酒店“好西部”連平常不開放的輔樓都住滿了人,寶鋼股份的支撐團(tuán)隊(duì)來了好幾百號人。在此之前,八鋼也組織了100多人到羅涇COREX爐跟班學(xué)習(xí)。李濤就在羅涇待了一年多,參與了設(shè)備搬遷的全過程。
  在集團(tuán)公司的全力支撐下,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)充分發(fā)揮艱苦奮斗、敢闖敢試的精神,對COREX爐的原燃料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了顛覆式的創(chuàng)新。八鋼副總經(jīng)理袁萬能打了個比方,原來的COREX爐食不厭精、膾不厭細(xì),“想啥吃啥”——煤要吃最好的塊煤,礦要吃高品質(zhì)球團(tuán)。到了八鋼以后,我們對原燃料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了專項(xiàng)攻關(guān),現(xiàn)在成了“有啥吃啥”,比如煤吃的就是新疆當(dāng)?shù)刈钇匠5膭恿γ海驁F(tuán)也吃得少了。與此同時,歐冶爐還實(shí)現(xiàn)了高爐工藝返焦、返礦資源的全利用。原來派不上用處的高爐煤末、焦末等,都得到了充分利用,實(shí)現(xiàn)了資源耦合。
  從2018年到2020年,COREX爐的噸鐵成本直線下降。與八鋼2500高爐相比,2018年之前,COREX爐的噸鐵成本遠(yuǎn)高于2500高爐;2018年基本持平;到去年,噸鐵成本比2500高爐要低100多元。這個天天“山珍海味”的“富家子”,變身成了“粗茶淡飯”的“糙漢子”,“飲食結(jié)構(gòu)”發(fā)生了天翻地覆的變化。2018年至今,COREX爐運(yùn)行穩(wěn)定,產(chǎn)量屢創(chuàng)新高,并已連續(xù)三年實(shí)現(xiàn)盈利。
  02、脫胎換骨的“忒修斯之船”
  “忒修斯之船”是一個古老的哲學(xué)悖論,以此來形容今天的歐冶爐,也許并不合適。但有一點(diǎn)是確定的,時至今日,已經(jīng)很難說現(xiàn)在的“歐冶爐”還是當(dāng)年的“COREX爐”。自開爐以來,八鋼歐冶爐共申報專利400余項(xiàng),已獲得授權(quán)專利142項(xiàng),其中發(fā)明專利42項(xiàng)。歐冶爐粗獷的腸胃,也是建立在其核心工藝大量的顛覆性創(chuàng)新上。2018年,脫胎換骨的COREX爐更名為歐冶爐,或許能說明這一點(diǎn)。
  幾年來,歐冶爐不僅開創(chuàng)了高比例使用動力煤和燒結(jié)礦的原燃料結(jié)構(gòu),還自主創(chuàng)新了“兩爐三段式”的煤氣高效利用核心技術(shù),開發(fā)了氣化爐拱頂干煤粉氣化(DCGT)風(fēng)口噴吹煤氣(TGIC)和豎爐CGD等系列新技術(shù)。在裝備創(chuàng)新上,研發(fā)了新型高溫布料器、礦煤垂直膠帶機(jī)、粉塵線波補(bǔ)償器和風(fēng)口氧煤燒嘴等歐冶爐專用設(shè)備。在操作層面,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)。
  在歐冶爐管控中心,煉鐵廠技術(shù)專家陳若平剛剛接待完一位慕名而來的業(yè)內(nèi)專家。他笑著介紹說,這兩年到歐冶爐參觀考察的同行太多了,他們最感興趣的,莫過于我們在歐冶爐上的這些工藝創(chuàng)新。在陳若平眼里,歐冶爐最根本的變化,在于突破了原有兩段式冶煉的技術(shù)理念,創(chuàng)新了三段式的高效冶煉技術(shù),不僅減少了含碳燃料的使用量,爐料燃燒還原更加充分,冶煉效率明顯提升,而且,原來由于爐料粘結(jié),每半年就要清爐一次,得花上10來天時間,現(xiàn)在因?yàn)闋t料燃燒充分,清爐的時間周期已大大延長。
  “這樣的創(chuàng)新幾乎沒有停過。這些年,歐冶爐先后實(shí)施了數(shù)十個改造項(xiàng)目,從冶煉工藝到原燃料結(jié)構(gòu),從專用裝備到操作體系,我們改了個遍。它還是不是原來的COREX爐,我還真不好說?!背鲇趯I(yè)技術(shù)人員的嚴(yán)謹(jǐn),陳若平?jīng)]有正面回答這樣的問題,但他講述的這些事實(shí),卻已經(jīng)作出了完整的解答。
  03、低碳冶煉“急先鋒”
  命運(yùn)多舛的歐冶爐終于脫胎換骨,噸鐵成本大幅下降,連續(xù)三年實(shí)現(xiàn)盈利……解決了生存問題。但集團(tuán)公司和八鋼顯然并沒有止步于此。COREX爐在誕生之時就有著節(jié)能環(huán)保、綠色減排的初衷,輾轉(zhuǎn)十?dāng)?shù)年、縱橫幾千里,這樣的初衷如今又打上了鮮明的時代印記。2018年,歐冶爐被確定為集團(tuán)公司低碳冶煉試驗(yàn)基地項(xiàng)目之一,全名是——?dú)W冶爐全氧熔融還原試驗(yàn)中心。毫無疑問,它是中國寶武低碳冶煉探索的“急先鋒”。
  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上的重大成果。從2018年到2020年,歐冶爐的探索實(shí)踐一年一個臺階。2018年,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,更重要的是,有效減少了歐冶爐生產(chǎn)的實(shí)際碳需求。2019年該系統(tǒng)投用后,八鋼專門請來權(quán)威第三方進(jìn)行了減碳認(rèn)證,其結(jié)果表明,該技術(shù)有效降低了系統(tǒng)的碳排放量0.1噸/噸鐵,按年產(chǎn)120萬噸鐵水能力,每年可實(shí)現(xiàn)降低碳排放12萬噸。
  為了突破煤氣循環(huán)量的“瓶頸”,2019年,歐冶爐又實(shí)施了“煤氣制取和二氧化碳分離”項(xiàng)目。鋼鐵冶煉中分離二氧化碳,全世界都沒有工業(yè)化的實(shí)踐先例。歐冶爐開創(chuàng)性地引入了化工行業(yè)的二氧化碳分離技術(shù),將回用煤氣中的二氧化碳含量從30%降低到了1%以內(nèi),極大地提升了煤氣回用的效能。該項(xiàng)目實(shí)施后,歐冶爐在原先基礎(chǔ)上,每年又實(shí)現(xiàn)減碳9萬余噸。2020年,八鋼實(shí)施了“脫碳煤氣綜合利用項(xiàng)目”,進(jìn)一步提升脫碳煤氣的使用效率?!拔覀兊拈L遠(yuǎn)目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)全部頂煤氣的回用,前提是這些分離出來的二氧化碳得有個好去處”,技術(shù)專家陳若平介紹說。而就在3月初八鋼進(jìn)行的一次低碳冶煉推進(jìn)會上,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)去油應(yīng)用等,都已經(jīng)進(jìn)入可研階段。
 
  鋼鐵的未來,將從這里出發(fā)
  ——八鋼低碳冶煉實(shí)驗(yàn)基地見聞(下)
 
  “低碳冶煉的突破性體現(xiàn)在哪些方面?哪些工藝是全球首創(chuàng)?階段性工藝目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的情況如何?”3月的一天,下午4點(diǎn)半,剛剛飛抵烏魯木齊的中國寶武低碳冶金創(chuàng)新中心的專家們,行李都沒有放下,就直奔八鋼管控中心,在低碳冶金推進(jìn)會上連珠炮似地發(fā)問,問題的焦點(diǎn)基本集中在全球首座“富氫碳循環(huán)高爐”上。八鋼副總經(jīng)理、低碳冶金創(chuàng)新中心副主任袁萬能坐不住了,他拿起話筒,一一為專家們答疑解惑。會議始終在一種緊張熱烈,甚至有一點(diǎn)“拷問”的氣氛中進(jìn)行。
  今年8月,中國寶武首次低碳冶金創(chuàng)新大會將在八鋼舉行。10月,全球低碳冶金創(chuàng)新聯(lián)盟將在上海寶山成立。作為發(fā)起人和東道主,中國寶武這個全球首家低碳冶金創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地的“富氫碳循環(huán)高爐”,到底能拿出什么樣的成績單,讓人關(guān)注和期待。留給項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的時間不多了,也就難怪大家都有一種緊迫感。
  01、功勛高爐的綠色新生
  “富氫碳循環(huán)高爐”的前身,是八鋼430立方米高爐。這是一座為新疆鋼鐵工業(yè)發(fā)展立下汗馬功勞的功勛高爐,其優(yōu)異的全煙煤噴煤比指標(biāo)一度全國領(lǐng)先。中國寶武重組八鋼后,新建了兩座2500立方米高爐。2014年,430高爐功成身退。八鋼想把它規(guī)劃為工業(yè)遺存保留下來,誰也沒想到,2020年,隨著中國寶武綠色低碳發(fā)展步伐的加速,這座高爐有了一個全新的使命和定位——全球首家低碳冶金創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地。通過技術(shù)升級改造,打造具備全氧冶煉、富氫、爐頂煤氣脫二氧化碳煤氣自循環(huán)噴吹等功能的低碳化高爐。整個項(xiàng)目試驗(yàn)成功后,不僅能大幅度提高冶煉利用系數(shù),還可以減少30%的二氧化碳排放。
  遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去,“富氫碳循環(huán)高爐”并不起眼,即便是內(nèi)行,除了新建的布料系統(tǒng)還能看出點(diǎn)端倪外,很難從外觀上辨識出它和傳統(tǒng)小高爐的不同,氣勢上更難與八鋼2500立方米高爐比肩。廠門口,爐長田寶山剛剛送走一批外地來的考察團(tuán)隊(duì),跟隨他走進(jìn)中控室,筆者眼前一亮:占據(jù)著大半個墻面的顯示屏,清一色計(jì)算機(jī)操作的中控臺,完全是中國寶武智慧制造的標(biāo)準(zhǔn)配置?!霸诘吞歼@件事上,中國寶武是不惜代價的”,據(jù)田寶山介紹,這座高爐僅一階段試驗(yàn)項(xiàng)目就投入了1.5億元。
  “富氫碳循環(huán)高爐”的低碳冶煉試驗(yàn)分三個階段。一階段工業(yè)試驗(yàn)去年7月啟動后,高爐鼓風(fēng)含氧量成功突破了傳統(tǒng)高爐的極限,目前穩(wěn)定在35%。二階段試驗(yàn)工程今年2月底已經(jīng)動工,正在緊鑼密鼓建設(shè)中。工程將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,今年6月實(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。三階段試驗(yàn)工程明年開始建設(shè),將利用還原煤氣加熱循環(huán)技術(shù),實(shí)現(xiàn)全氧冶煉。
  從430高爐到2500高爐、歐冶爐,再到這座“富氫碳循環(huán)高爐”,田寶山和高爐打了大半輩子交道,啃過的硬骨頭不少,但在他心里,氧氣高爐低碳冶金和氫冶金創(chuàng)新的工業(yè)化研究,完全顛覆了他過去的認(rèn)知——“我們所做的一切,都是前無古人的探索。難度之大,超乎想象?!?/div>
  02、突破傳統(tǒng)冶煉“百年瓶頸”
  “現(xiàn)代的高爐發(fā)展了兩百多年,其熱效率很高、產(chǎn)能規(guī)模大,是個相當(dāng)了不起的反應(yīng)器。但現(xiàn)有高爐中碳的能量不能被完全利用,還有相當(dāng)一部分被副產(chǎn)煤氣帶走。副產(chǎn)煤氣目前只能低質(zhì)量地燃燒發(fā)電使用,以至于高爐燃煤消耗高、碳排放量大。將來高爐冶煉減碳有可行的兩條路徑,一是通過提升高爐內(nèi)碳的能量利用效率,做到極致化,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?!?/div>
  在八鋼現(xiàn)場支撐的低碳冶煉創(chuàng)新中心專家、中央研究院博士許海法的一番介紹,給筆者這個外行補(bǔ)了一堂低碳冶金原理課。原來,“富氫碳循環(huán)試驗(yàn)高爐”的減碳路徑,就是通過回用高爐脫碳煤氣,減少原燃料消耗,從而減少碳排放。同時,通過使用含氫量較高的燃料,如焦?fàn)t煤氣、天然氣等,用氫能替代一部分碳源作為還原劑。那么,這又難在哪里呢?
  傳統(tǒng)高爐鼓風(fēng)主要成分為氮?dú)猓獙?shí)現(xiàn)高效、低碳的目的,需要最大化地提高鼓風(fēng)富氧水平來減少氮?dú)獾睦鄯e,受工藝和裝備所限,傳統(tǒng)高爐的鼓風(fēng)含氧量一般都在30%以內(nèi)。這是一個很多年來沒人能夠突破的瓶頸。按照專家們的話來說,這是“冶金原理”的極限?!案粴涮佳h(huán)試驗(yàn)高爐”的一階段試驗(yàn),卻成功地做到了35%,史無前例。
  “這就是一個不斷嘗試、不斷試錯的過程!”八鋼制造部首席李濤介紹說,鼓風(fēng)含氧量的不斷提升,會造成爐內(nèi)溫度變化等一系列問題,導(dǎo)致“懸料”“崩料”等現(xiàn)象,爐況極難控制。去年開爐后,“富氫碳循環(huán)高爐”就曾經(jīng)出現(xiàn)過爐缸凍結(jié)的情況。俗話說,不撞南墻不回頭,但“富氫碳循環(huán)高爐”的低碳試驗(yàn),卻是撞了南墻也不回頭?!斑@些我們都有心理準(zhǔn)備。從國家到行業(yè)到企業(yè),低碳是一個大方向,總得有人去試去闖?!睅缀醺糁芫鸵涤谏虾:托陆脑S海法坦言,項(xiàng)目立項(xiàng)之初,自己和同事們也很忐忑,擔(dān)心失敗。但一步步走到今天,很多不可能都變成了現(xiàn)實(shí),信心也越來越足了。
  03、低碳鋼鐵的引領(lǐng)者
  今年全國“兩會”,碳達(dá)峰、碳中和首次寫入政府工作報告。習(xí)近平總書記在“兩會”上強(qiáng)調(diào),要加大重點(diǎn)行業(yè)、重要領(lǐng)域綠色化改造力度,發(fā)展清潔生產(chǎn),加快實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展。今年1月,中國寶武發(fā)布了碳減排路線圖——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年力爭實(shí)現(xiàn)減碳30%,2050年力爭實(shí)現(xiàn)碳中和。
  “這是中國鋼鐵對全世界的一次莊嚴(yán)承諾”,袁萬能說。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。對于建設(shè)低碳冶金創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地和“富氫碳循環(huán)高爐”的意義,袁萬能理解深刻,“鋼鐵是我國僅次于電力行業(yè)的碳排放大戶。按照碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo),傳統(tǒng)高爐的低碳化勢在必行,事關(guān)鋼鐵行業(yè)的生存。這絕不僅僅是一種姿態(tài),我們就是要真正趟出一條路來,為今后高爐的低碳化發(fā)展提供一條完整可行的工藝路徑和解決方案,這就是我們的使命。”
  如果被競爭對手打敗,尚有可能東山再起。但如果被這個時代打敗,那就只有隕落消亡。碳達(dá)峰和碳中和是中國踐行“人類命運(yùn)共同體”理念的生動實(shí)踐,也是我國技術(shù)升級和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的必然之路。低碳,正是這個時代對鋼鐵的必然要求。從全世界來看,全氧冶煉和富氫冶煉,在這么大規(guī)模高爐上的實(shí)踐尚屬首次,沒有任何經(jīng)驗(yàn)可以參照。但這是一次沒有退路的挑戰(zhàn),是一次不能失敗的大考。過去,中國鋼鐵業(yè)在技術(shù)上是跟隨者。當(dāng)年的寶鋼就明確提出“引進(jìn)、消化、吸收、創(chuàng)新”的理念。今日之寶武,已立志要成為全球鋼鐵業(yè)的引領(lǐng)者,在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)模引領(lǐng)的基礎(chǔ)上,更為關(guān)鍵的就是“技術(shù)引領(lǐng)”,這也是從“老大”變“強(qiáng)大”的必由之路。傾全集團(tuán)之力,建設(shè)全球首家低碳冶金創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地,正是中國寶武作為一個引領(lǐng)者、先行者、示范者的胸懷、視野和格局。
  最近,“富氫碳循環(huán)高爐”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)壓力陡增。自從央視播出新聞“中國寶武按下減碳快進(jìn)鍵”后,這座430立方米高爐一下子成了全行業(yè)的焦點(diǎn)。盡管試驗(yàn)取得了階段性的成果,但要實(shí)現(xiàn)全氧和富氫的低碳冶煉,前路必然坎坷波折。更多顛覆性的技術(shù)理念和全新的應(yīng)用場景以及未知的挑戰(zhàn),都在等待闖關(guān)者們的突破。
  鋼鐵的未來,將從這里出發(fā)。

來源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網(wǎng)

編輯:楊珊山

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