低碳冶煉先行者！探秘中國寶武八鋼低碳冶煉實(shí)驗基地

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)驗基地見(jiàn)聞（上）

　　4月的烏魯木齊，大地春回。八鋼廠(chǎng)區東南面，歐冶爐巍然聳立于藍天之下，透著(zhù)一份大氣。

　　這座歐冶爐的“前世今生”，生動(dòng)地刻畫(huà)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，當時(shí)的寶鋼承擔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)，建成了設計年產(chǎn)能150萬(wàn)噸、當時(shí)全世界最大COREX爐，并于2008年5月順利實(shí)現“三達”。任何敢為天下先的探索，都要付出巨大的代價(jià)。由于國內外原燃料結構的差異，COREX爐的運行和經(jīng)濟性受到了前所未有的挑戰。2011年，公司作出決策，將COREX爐搬遷至新疆八鋼，希望利用當地的資源，走出一條適合國情、高性?xún)r(jià)比的非高爐煉鐵技術(shù)之路。

　　01、顛覆“飲食結構”求生存

　　從今天來(lái)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原燃料結構的低碳冶煉之路。但是，它首先要解決的還是生存問(wèn)題。

　　2012年，在很多八鋼人心里是一個(gè)不同尋常的年份。正是這一年，COREX爐輾轉幾千公里，在八鋼安家落戶(hù)?！袄贤舛纪娌晦D的新玩意，到八鋼能好使不？”“八鋼效益本來(lái)就不咋地，這不是雪上加霜么？”消息傳來(lái)，一時(shí)間干部員工議論紛紛，不少人都把COREX爐看成了一個(gè)“燙手山芋”。制造管理部首席李濤回憶說(shuō)，那時(shí)候，八鋼的接待酒店“好西部”連平常不開(kāi)放的輔樓都住滿(mǎn)了人，寶鋼股份的支撐團隊來(lái)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。李濤就在羅涇待了一年多，參與了設備搬遷的全過(guò)程。

　　在集團公司的全力支撐下，項目團隊充分發(fā)揮艱苦奮斗、敢闖敢試的精神，對COREX爐的原燃料結構進(jìn)行了顛覆式的創(chuàng )新。八鋼副總經(jīng)理袁萬(wàn)能打了個(gè)比方，原來(lái)的COREX爐食不厭精、膾不厭細，“想啥吃啥”——煤要吃最好的塊煤，礦要吃高品質(zhì)球團。到了八鋼以后，我們對原燃料結構進(jìn)行了專(zhuān)項攻關(guān)，現在成了“有啥吃啥”，比如煤吃的就是新疆當地最平常的動(dòng)力煤，球團也吃得少了。與此同時(shí)，歐冶爐還實(shí)現了高爐工藝返焦、返礦資源的全利用。原來(lái)派不上用處的高爐煤末、焦末等，都得到了充分利用，實(shí)現了資源耦合。

　　從2018年到2020年，COREX爐的噸鐵成本直線(xiàn)下降。與八鋼2500高爐相比，2018年之前，COREX爐的噸鐵成本遠高于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(gè)天天“山珍海味”的“富家子”，變身成了“粗茶淡飯”的“糙漢子”，“飲食結構”發(fā)生了天翻地覆的變化。2018年至今，COREX爐運行穩定，產(chǎn)量屢創(chuàng )新高，并已連續三年實(shí)現盈利。

　　02、脫胎換骨的“忒修斯之船”

　　“忒修斯之船”是一個(gè)古老的哲學(xué)悖論，以此來(lái)形容今天的歐冶爐，也許并不合適。但有一點(diǎn)是確定的，時(shí)至今日，已經(jīng)很難說(shuō)現在的“歐冶爐”還是當年的“COREX爐”。自開(kāi)爐以來(lái)，八鋼歐冶爐共申報專(zhuān)利400余項，已獲得授權專(zhuān)利142項，其中發(fā)明專(zhuān)利42項。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(shuō)明這一點(diǎn)。

　　幾年來(lái)，歐冶爐不僅開(kāi)創(chuàng )了高比例使用動(dòng)力煤和燒結礦的原燃料結構，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(kāi)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、粉塵線(xiàn)波補償器和風(fēng)口氧煤燒嘴等歐冶爐專(zhuān)用設備。在操作層面，建立了一整套集低成本烘開(kāi)爐、固定豎爐爐頂壓力和休風(fēng)安全操作等技術(shù)為一體的獨特操作技術(shù)。

　　在歐冶爐管控中心，煉鐵廠(chǎng)技術(shù)專(zhuān)家陳若平剛剛接待完一位慕名而來(lái)的業(yè)內專(zhuān)家。他笑著(zhù)介紹說(shuō)，這兩年到歐冶爐參觀(guān)考察的同行太多了，他們最感興趣的，莫過(guò)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(lái)由于爐料粘結，每半年就要清爐一次，得花上10來(lái)天時(shí)間，現在因為爐料燃燒充分，清爐的時(shí)間周期已大大延長(cháng)。

　　“這樣的創(chuàng )新幾乎沒(méi)有停過(guò)。這些年，歐冶爐先后實(shí)施了數十個(gè)改造項目，從冶煉工藝到原燃料結構，從專(zhuān)用裝備到操作體系，我們改了個(gè)遍。它還是不是原來(lái)的COREX爐，我還真不好說(shuō)?！背鲇趯?zhuān)業(yè)技術(shù)人員的嚴謹，陳若平?jīng)]有正面回答這樣的問(wèn)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”

　　命運多舛的歐冶爐終于脫胎換骨，噸鐵成本大幅下降，連續三年實(shí)現盈利……解決了生存問(wèn)題。但集團公司和八鋼顯然并沒(méi)有止步于此。COREX爐在誕生之時(shí)就有著(zhù)節能環(huán)保、綠色減排的初衷，輾轉十數年、縱橫幾千里，這樣的初衷如今又打上了鮮明的時(shí)代印記。2018年，歐冶爐被確定為集團公司低碳冶煉試驗基地項目之一，全名是——歐冶爐全氧熔融還原試驗中心。毫無(wú)疑問(wèn)，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(gè)臺階。2018年，歐冶爐實(shí)施“頂煤氣回配項目”，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(guò)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年該系統投用后，八鋼專(zhuān)門(mén)請來(lái)權威第三方進(jìn)行了減碳認證，其結果表明，該技術(shù)有效降低了系統的碳排放量0.1噸/噸鐵，按年產(chǎn)120萬(wàn)噸鐵水能力，每年可實(shí)現降低碳排放12萬(wàn)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”項目。鋼鐵冶煉中分離二氧化碳，全世界都沒(méi)有工業(yè)化的實(shí)踐先例。歐冶爐開(kāi)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?xún)?，極大地提升了煤氣回用的效能。該項目實(shí)施后，歐冶爐在原先基礎上，每年又實(shí)現減碳9萬(wàn)余噸。2020年，八鋼實(shí)施了“脫碳煤氣綜合利用項目”，進(jìn)一步提升脫碳煤氣的使用效率?！拔覀兊拈L(cháng)遠目標是要實(shí)現全部頂煤氣的回用，前提是這些分離出來(lái)的二氧化碳得有個(gè)好去處”，技術(shù)專(zhuān)家陳若平介紹說(shuō)。而就在3月初八鋼進(jìn)行的一次低碳冶煉推進(jìn)會(huì )上，一批二氧化碳深度應用的項目已經(jīng)浮出水面，比如，制取甲醇燃料、石油行業(yè)去油應用等，都已經(jīng)進(jìn)入可研階段。

　　鋼鐵的未來(lái)，將從這里出發(fā)

　　——八鋼低碳冶煉實(shí)驗基地見(jiàn)聞（下）

　　“低碳冶煉的突破性體現在哪些方面？哪些工藝是全球首創(chuàng )？階段性工藝目標實(shí)現的情況如何？”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(zhuān)家們，行李都沒(méi)有放下，就直奔八鋼管控中心，在低碳冶金推進(jìn)會(huì )上連珠炮似地發(fā)問(wèn)，問(wèn)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(wàn)能坐不住了，他拿起話(huà)筒，一一為專(zhuān)家們答疑解惑。會(huì )議始終在一種緊張熱烈，甚至有一點(diǎn)“拷問(wèn)”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(huì )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(gè)全球首家低碳冶金創(chuàng )新實(shí)驗基地的“富氫碳循環(huán)高爐”，到底能拿出什么樣的成績(jì)單，讓人關(guān)注和期待。留給項目團隊的時(shí)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。八鋼想把它規劃為工業(yè)遺存保留下來(lái)，誰(shuí)也沒(méi)想到，2020年，隨著(zhù)中國寶武綠色低碳發(fā)展步伐的加速，這座高爐有了一個(gè)全新的使命和定位——全球首家低碳冶金創(chuàng )新實(shí)驗基地。通過(guò)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(gè)項目試驗成功后，不僅能大幅度提高冶煉利用系數，還可以減少30%的二氧化碳排放。

　　遠遠望去，“富氫碳循環(huán)高爐”并不起眼，即便是內行，除了新建的布料系統還能看出點(diǎn)端倪外，很難從外觀(guān)上辨識出它和傳統小高爐的不同，氣勢上更難與八鋼2500立方米高爐比肩。廠(chǎng)門(mén)口，爐長(cháng)田寶山剛剛送走一批外地來(lái)的考察團隊，跟隨他走進(jìn)中控室，筆者眼前一亮：占據著(zhù)大半個(gè)墻面的顯示屏，清一色計算機操作的中控臺，完全是中國寶武智慧制造的標準配置?！霸诘吞歼@件事上，中國寶武是不惜代價(jià)的”，據田寶山介紹，這座高爐僅一階段試驗項目就投入了1.5億元。

　　“富氫碳循環(huán)高爐”的低碳冶煉試驗分三個(gè)階段。一階段工業(yè)試驗去年7月啟動(dòng)后，高爐鼓風(fēng)含氧量成功突破了傳統高爐的極限，目前穩定在35%。二階段試驗工程今年2月底已經(jīng)動(dòng)工，正在緊鑼密鼓建設中。工程將引入歐冶爐脫除二氧化碳的還原煤氣和富氫焦爐煤氣，打通煤氣循環(huán)工藝流程，今年6月實(shí)現鼓風(fēng)氧含量50%的超高富氧冶煉和氫冶金冶煉探索。三階段試驗工程明年開(kāi)始建設，將利用還原煤氣加熱循環(huán)技術(shù)，實(shí)現全氧冶煉。

　　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(guò)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(guò)去的認知——“我們所做的一切，都是前無(wú)古人的探索。難度之大，超乎想象?！?/div>

　　02、突破傳統冶煉“百年瓶頸”

　　“現代的高爐發(fā)展了兩百多年，其熱效率很高、產(chǎn)能規模大，是個(gè)相當了不起的反應器。但現有高爐中碳的能量不能被完全利用，還有相當一部分被副產(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(lái)高爐冶煉減碳有可行的兩條路徑，一是通過(guò)提升高爐內碳的能量利用效率，做到極致化，來(lái)減少固體燃料碳的輸入；二是在冶煉過(guò)程中，使用清潔無(wú)碳的新能源來(lái)替代碳，如富氫冶煉?！?/div>

　　在八鋼現場(chǎng)支撐的低碳冶煉創(chuàng )新中心專(zhuān)家、中央研究院博士許海法的一番介紹，給筆者這個(gè)外行補了一堂低碳冶金原理課。原來(lái)，“富氫碳循環(huán)試驗高爐”的減碳路徑，就是通過(guò)回用高爐脫碳煤氣，減少原燃料消耗，從而減少碳排放。同時(shí)，通過(guò)使用含氫量較高的燃料，如焦爐煤氣、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？

　　傳統高爐鼓風(fēng)主要成分為氮氣，要實(shí)現高效、低碳的目的，需要最大化地提高鼓風(fēng)富氧水平來(lái)減少氮氣的累積，受工藝和裝備所限，傳統高爐的鼓風(fēng)含氧量一般都在30%以?xún)?。這是一個(gè)很多年來(lái)沒(méi)人能夠突破的瓶頸。按照專(zhuān)家們的話(huà)來(lái)說(shuō)，這是“冶金原理”的極限?！案粴涮佳h(huán)試驗高爐”的一階段試驗，卻成功地做到了35%，史無(wú)前例。

　　“這就是一個(gè)不斷嘗試、不斷試錯的過(guò)程！”八鋼制造部首席李濤介紹說(shuō)，鼓風(fēng)含氧量的不斷提升，會(huì )造成爐內溫度變化等一系列問(wèn)題，導致“懸料”“崩料”等現象，爐況極難控制。去年開(kāi)爐后，“富氫碳循環(huán)高爐”就曾經(jīng)出現過(guò)爐缸凍結的情況。俗話(huà)說(shuō)，不撞南墻不回頭，但“富氫碳循環(huán)高爐”的低碳試驗，卻是撞了南墻也不回頭?！斑@些我們都有心理準備。從國家到行業(yè)到企業(yè)，低碳是一個(gè)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，項目立項之初，自己和同事們也很忐忑，擔心失敗。但一步步走到今天，很多不可能都變成了現實(shí)，信心也越來(lái)越足了。

　　03、低碳鋼鐵的引領(lǐng)者

　　今年全國“兩會(huì )”，碳達峰、碳中和首次寫(xiě)入政府工作報告。習近平總書(shū)記在“兩會(huì )”上強調，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)現綠色低碳發(fā)展。今年1月，中國寶武發(fā)布了碳減排路線(xiàn)圖——2023年力爭實(shí)現碳達峰，2025年具備減碳30%的工藝技術(shù)能力，2035年力爭實(shí)現減碳30%，2050年力爭實(shí)現碳中和。

　　“這是中國鋼鐵對全世界的一次莊嚴承諾”，袁萬(wàn)能說(shuō)。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)現真正意義上的全氧和富氫冶煉。對于建設低碳冶金創(chuàng )新實(shí)驗基地和“富氫碳循環(huán)高爐”的意義，袁萬(wàn)能理解深刻，“鋼鐵是我國僅次于電力行業(yè)的碳排放大戶(hù)。按照碳達峰和碳中和的目標，傳統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(lái)，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?！?/div>

　　如果被競爭對手打敗，尚有可能東山再起。但如果被這個(gè)時(shí)代打敗，那就只有隕落消亡。碳達峰和碳中和是中國踐行“人類(lèi)命運共同體”理念的生動(dòng)實(shí)踐，也是我國技術(shù)升級和產(chǎn)業(yè)結構調整的必然之路。低碳，正是這個(gè)時(shí)代對鋼鐵的必然要求。從全世界來(lái)看，全氧冶煉和富氫冶煉，在這么大規模高爐上的實(shí)踐尚屬首次，沒(méi)有任何經(jīng)驗可以參照。但這是一次沒(méi)有退路的挑戰，是一次不能失敗的大考。過(guò)去，中國鋼鐵業(yè)在技術(shù)上是跟隨者。當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)現規模引領(lǐng)的基礎上，更為關(guān)鍵的就是“技術(shù)引領(lǐng)”，這也是從“老大”變“強大”的必由之路。傾全集團之力，建設全球首家低碳冶金創(chuàng )新實(shí)驗基地，正是中國寶武作為一個(gè)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”項目團隊壓力陡增。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)。盡管試驗取得了階段性的成果，但要實(shí)現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)理念和全新的應用場(chǎng)景以及未知的挑戰，都在等待闖關(guān)者們的突破。

　　鋼鐵的未來(lái)，將從這里出發(fā)。

來(lái)源：中國冶金報-中國鋼鐵新聞網(wǎng)

編輯：楊珊山

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