綠色八鋼的科技引擎

2022-01-04 10:23:00

《中國冶金報》高質(zhì)量發(fā)展的寶武實踐報道組：陳玉千陳琢劉加軍呂兵呂林賈林海

　　2030年前碳達峰，2060年前碳中和，這是中國對世界的承諾；

　　2023年力爭實現(xiàn)碳達峰，2025年具備減碳30%的工藝技術能力，2035年力爭減碳30%，2050年力爭實現(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——歐冶爐在八鋼的成功應用為綠色低碳找到了一條技術路徑。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苯饒蟆酚浾弑硎?，“我們將立足新疆能源實際，積極謀劃和推動碳達峰、碳中和工作，推動綠色低碳發(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)，實現(xiàn)碳減排30%以上，目前已取得50%富氧、降碳15%的成就?！卑虽摕掕F廠廠長助理陳佰軍告訴《中國冶金報》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，同時產(chǎn)生大量煤氣，再將歐冶爐產(chǎn)生的煤氣進行提純，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，也是中國鋼鐵實現(xiàn)“雙碳”目標的底氣。

　　顛覆：從COREX爐到歐冶爐

　　早在2005年，當時的寶鋼就承擔起了我國探索非高爐煉鐵技術的使命，從奧鋼聯(lián)引入熔融還原技術，建成了設計年產(chǎn)能150萬噸、當時世界最大的COREX爐，并于2008年5月順利達產(chǎn)。但是，COREX爐對原料和燃料的苛刻要求，使其運行經(jīng)濟性大受影響，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，而且須使用價格較高的高強度球團，原料適應性非常差，經(jīng)濟性因此大受影響。”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?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之路。

　　2012年，COREX爐輾轉幾千公里來到新疆，在八鋼安家落戶?！袄贤舛纪娌晦D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。因為它在本質(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競爭力的新工藝?！眳潜蛑赋?。

圖為歐冶爐遠景。（劉加軍攝）

　　用一個小小的“馕坑”爐模擬歐冶爐開爐操作就是八鋼人創(chuàng)新觀念和強大創(chuàng)新能力的一個生動案例。

　　2015年6月，在即將開爐的時候，歐冶爐首任爐長田寶山卻一連幾天從歐冶爐建設現(xiàn)場“神秘失蹤了”。

　　當然，他哪兒也沒去，而是躲在自己的“秘密試驗基地”——一個已經(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。他用報廢的小套模擬風口，用焊接的氧氣管道和氧氣瓶模擬穩(wěn)壓站。他一次次用打火機點燃油布，塞進“風口”，一次次“送氧”，點燃焦炭，熔化礦石和熔劑……

　　最終，在八鋼誕生了一個全新的歐冶爐開爐模式，與COREX3000時代的開爐費用相比實現(xiàn)了極大幅度的降低。

圖為歐冶爐自動取樣檢測裝置。（姚海山攝）

　　“落戶八鋼后，COREX爐已經(jīng)先后實施了數(shù)十個改造項目。”陳佰軍說，“自開爐以來，八鋼歐冶爐共申報專利600余項，獲得授權專利142項，其中發(fā)明專利42項，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、風口氧煤燒嘴等歐冶爐專用設備。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安全操作等技術為一體的獨特操作技術。

　　“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力煤，從只‘吃’好球團到現(xiàn)在45%球團、55%燒結礦的原料結構，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，是歐冶爐在低碳冶煉探索方面的重大成果。歐冶爐實施頂煤氣回配項目，充分利用歐冶爐分段爐型在爐溫控制上的先天優(yōu)勢，通過煤氣循環(huán)利用技術，不僅進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)的實際碳需求。2019年，該系統(tǒng)投運后，八鋼專門請來權威第三方進行了減碳認證。結果表明，該技術有效降低了系統(tǒng)碳排放量0.1噸/噸鐵，按年產(chǎn)120萬噸鐵水能力計算，每年可降低碳排放12萬噸。

　　一系列技術創(chuàng)新的推進帶來的是效益的提升和成本競爭力的增強?！敖衲?，歐冶爐噸鐵成本比2500立方米高爐低150元以上，并且運行穩(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?！标惏圮娬f。

　　突破：讓傳統(tǒng)高爐實現(xiàn)涅槃

　　走進八鋼廠區(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。但現(xiàn)有高爐工藝中碳的能量不能被完全利用，有相當一部分能量被副產(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，富氫爐在八鋼應運而生。

　　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)新實驗裝置。八鋼將通過技術創(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和取消熱風爐避免氮氣的輸入，然后對爐頂煤氣進行脫除二氧化碳提純，將純凈的一氧化碳進行電加熱回輸?shù)礁郀t，進行自身碳循環(huán)，從而充分利用碳資源，大幅度降低碳排放；在此基礎上，進一步吹入焦爐煤氣、氫氣等，從而更進一步降低碳資源消耗，實現(xiàn)更進一步減碳?！标惏圮娊榻B。

　　富氫爐的低碳冶煉試驗分3個階段。第一階段于2020年7月啟動后，高爐鼓風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爐煤氣，打通煤氣循環(huán)工藝流程，實現(xiàn)鼓風氧含量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，實現(xiàn)全氧（100%）冶煉。

　　走近富氫爐，這座高爐在《中國冶金報》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做準備，正在進行爐身及其他相關設備改造，將來的還原性氣體將從風口和爐身下部吹入。

圖為富氫碳循環(huán)高爐。（姚海山攝）

　　“第三階段要按照100%全氧進行試驗，整個項目試驗成功后，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?！标惏圮娊榻B，這座高爐僅在第一階段試驗中就投入了1.5億元。

　　當然，試驗過程也克服了重重困難。比如，鼓風含氧量的不斷提升，會造成爐內(nèi)溫度變化等一系列問題，導致出現(xiàn)“懸料”“崩料”等現(xiàn)象，爐況極難控制。試驗過程中，富氫爐就曾經(jīng)出現(xiàn)過爐缸凍結的情況。

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備，也有預案。隨著試驗的深入，我們的信心越來越足，處理問題的方法也越來越多。可以說，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，可謂前景遠大?！?/div>

　　氫氣資源從哪里來？“一是八鋼自產(chǎn)的富氫焦爐煤氣，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%的工藝技術能力，很大程度上就是指富氫碳循環(huán)高爐實現(xiàn)真正意義上的全氧和富氫冶煉。”吳彬強調(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，探索二氧化碳超低排放技術創(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)高爐采用熱風爐生產(chǎn)，高爐煤氣因含有大量氮氣，并不具備脫碳再循環(huán)使用的價值，所以想實現(xiàn)這個工藝并不容易。

　　“但是歐冶爐產(chǎn)生的煤氣不含氮氣，通過脫除二氧化碳，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，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，最終實現(xiàn)減碳。

圖為中國寶武八鋼夜景。（陳治國攝）

　　當然，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。歐冶爐還對傳統(tǒng)高爐的原料實現(xiàn)了耦合：不僅對原料品質(zhì)的要求大大降低，還實現(xiàn)了高爐富余焦丁的全利用；高爐排斥的高鋅礦、低強度球團等，現(xiàn)在已經(jīng)非常適合歐冶爐的“胃口”，從而實現(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，實現(xiàn)了資源耦合。

　　富氫爐與焦化等其他行業(yè)耦合，進一步降低碳排放?！案粴錉t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，同時還可以通過使用含氫量較高的燃料，如焦爐煤氣、天然氣等實現(xiàn)減碳。此外，未來還將用氫氣替代一部分碳源作為還原劑，因為新疆不缺光熱資源，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？“我們的長遠目標是要實現(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好去處。”一位技術人員介紹說。據(jù)悉，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)油井壓油應用，代替氮氣作安保氣體，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構優(yōu)化、燃料結構優(yōu)化、金屬化率提升等工藝技術創(chuàng)新的基礎上，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效益和經(jīng)濟效益，為實現(xiàn)鋼鐵廠融入城市，與城市互融互補、共生共榮奠定了堅實基礎。

　　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)，引領全球綠色低碳冶金技術進步，為攻克世界綠色低碳冶金技術工藝難題提供了“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-中國鋼鐵新聞網(wǎng)

編輯：張雨恬

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