本報記者 王磊
4月的新疆烏魯木齊，大地春回。中國寶武八鋼廠區(qū)東南面，歐冶爐巍然聳立于藍天之下，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求索。
早在2005年，當時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(shè)計年產(chǎn)能150萬噸、當時世界最大的COREX爐，并于2008年5月順利實現(xiàn)“三達”（達產(chǎn)、達標、達效）。由于國內(nèi)外原燃料結(jié)構(gòu)的差異，COREX爐的運行和經(jīng)濟性受到了前所未有的挑戰(zhàn)。根據(jù)企業(yè)決策，2011年，COREX爐搬遷至新疆八鋼，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(shù)之路。
顛覆“飲食結(jié)構(gòu)”求生存
從今天來看，非高爐煉鐵技術(shù)其實就是低碳冶煉的一種探索。熔融還原工藝流程短、污染低，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。“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，寶鋼股份的支撐團隊來了好幾百人。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。
在中國寶武的全力支撐下，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(jié)構(gòu)進行了顛覆式的創(chuàng)新。八鋼副總經(jīng)理、低碳冶金創(chuàng)新中心副主任袁萬能打了個比方，原來的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，他們對原燃料結(jié)構(gòu)進行了專項攻關(guān)，現(xiàn)在成了“有啥吃啥”。與此同時，歐冶爐還實現(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立方米高爐相比，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爐運行穩(wěn)定，產(chǎn)量屢創(chuàng)新高，并已連續(xù)3年實現(xiàn)盈利。
從COREX爐到歐冶爐
時至今日，已經(jīng)很難說現(xiàn)在的“歐冶爐”還是不是當年的“COREX爐”。自開爐以來，八鋼歐冶爐共申報專利400余項，已獲得授權(quán)專利142項，其中發(fā)明專利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，或許就能說明這一點。
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）風口噴吹煤氣（TGIC）和豎爐CGD等系列新技術(shù)。在裝備創(chuàng)新上，他們研發(fā)了新型高溫布料器、礦煤垂直膠帶機、粉塵線波補償器和風口氧煤燒嘴等歐冶爐專用設(shè)備。在操作層面，他們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(shù)為一體的獨特操作技術(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)，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。此外，原來由于爐料黏結(jié)，每半年就要清爐一次，得花上10來天時間，現(xiàn)在因為爐料燃燒充分，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，歐冶爐先后實施了數(shù)十個改造項目，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。”出于專業(yè)技術(shù)人員的嚴謹，陳若平?jīng)]有正面回答這樣的問題，但他講述的這些事實，已經(jīng)做出了完整的解答。
低碳冶煉“急先鋒”
命運多舛的歐冶爐終于脫胎換骨，解決了生存問題，但中國寶武及八鋼并沒有止步于此。2018年，歐冶爐被確定為中國寶武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，歐冶爐的探索實踐一年上一個臺階。2018年，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(shù)，進一步提高了歐冶爐的生產(chǎn)穩(wěn)定性，并有效減少了歐冶爐生產(chǎn)的實際碳需求。2019年該系統(tǒng)投用后，經(jīng)權(quán)威第三方減碳認證，結(jié)果表明，其有效降低系統(tǒng)碳排放量0.1噸/噸鐵，按年產(chǎn)120萬噸鐵水能力，每年可實現(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，全世界都沒有工業(yè)化的實踐先例。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。該項目實施后，歐冶爐在原先基礎(chǔ)上，每年又實現(xiàn)減碳9萬余噸。2020年，八鋼實施了“脫碳煤氣綜合利用項目”，進一步提升脫碳煤氣的使用效率。“我們的長遠目標是要實現(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月初八鋼進行的一次低碳冶煉推進會上，一批二氧化碳深度應(yīng)用的項目已經(jīng)浮出水面，比如制取甲醇燃料等，都已經(jīng)進入可研階段。
功勛高爐獲綠色新生
“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立方米高爐功成身退。八鋼想把它規(guī)劃為工業(yè)遺存保留下來，誰也沒想到，隨著中國寶武綠色低碳發(fā)展步伐的加速，2020年，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)新實驗基地，要通過技術(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。整個項目試驗成功后，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。
據(jù)爐長田寶山介紹，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3個階段。一階段工業(yè)試驗去年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，目前穩(wěn)定在35%。二階段試驗工程今年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爐煤氣，打通煤氣循環(huán)工藝流程，今年內(nèi)實現(xiàn)鼓風氧含量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始建設(shè)，將利用還原煤氣加熱循環(huán)技術(shù)，實現(xiàn)全氧冶煉。
從430立方米高爐到2500立方米高爐、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。”
突破傳統(tǒng)冶煉“百年瓶頸”
“現(xiàn)代的高爐發(fā)展了200多年，其熱效率很高、產(chǎn)能規(guī)模大，是個相當了不起的反應(yīng)器。但現(xiàn)有高爐中碳的能量不能被完全利用，還有相當一部分被副產(chǎn)煤氣帶走。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。”中國寶武低碳冶煉創(chuàng)新中心專家、中央研究院博士許海法介紹說。
傳統(tǒng)高爐鼓風主要成分為氮氣，要實現(xiàn)高效、低碳的目的，需要最大化地提高鼓風富氧水平來減少氮氣的累積，受工藝和裝備所限，傳統(tǒng)高爐的鼓風含氧量一般都在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。“富氫碳循環(huán)試驗高爐”的一階段試驗，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！”李濤介紹說，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(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。許海法坦言，立項之初，他和同事們也很忐忑，擔心失敗，“這些我們都有心理準備。從國家到行業(yè)到企業(yè)，低碳是一個大方向，總得有人去試去闖。但一步步走到今天，很多不可能都變成了現(xiàn)實，信心也越來越足了。”
低碳鋼鐵的引領(lǐng)者
今年1月，中國寶武發(fā)布了碳減排路線圖——2023年力爭實現(xiàn)碳達峰，2025年具備減碳30%的工藝技術(shù)能力，2035年力爭實現(xiàn)減碳30%，2050年力爭實現(xiàn)碳中和。“這是中國鋼鐵對全世界的一次莊嚴承諾。”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”實現(xiàn)真正意義上的全氧和富氫冶煉。
從全世界來看，全氧冶煉和富氫冶煉，在這么大規(guī)模高爐上的實踐尚屬首次，沒有任何經(jīng)驗可以參照。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。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“強大”的必由之路。
盡管“富氫碳循環(huán)高爐”項目試驗取得了階段性的成果，但要實現(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、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?nèi)ネ黄啤ｄ撹F的未來，將從這里出發(fā)。
