從歐冶爐的“前世今生 ”
看中國寶武低碳發展
——八鋼低碳冶煉實驗基地見聞（上）
4月的烏魯木齊，大地春回。八鋼廠區東南面，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，孜孜不倦的探尋與追索。
早在2005年，當時的寶鋼承擔起了我國探索非高爐煉鐵技術的重大使命，從奧鋼聯引入熔融還原技術，建成了設計年產能150萬噸、當時全世界最大COREX爐，并于2008年5月順利實現“三達”。任何敢為天下先的探索，都要付出巨大的代價。由于國內外原燃料結構的差異，COREX爐的運行和經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、高性價比的非高爐煉鐵技術之路。
01、顛覆“飲食結構”求生存
從今天來看，非高爐煉鐵技術其實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爐輾轉幾千公里，在八鋼安家落戶。“老外都玩不轉的新玩意，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號人。在此之前，八鋼也組織了100多人到羅涇COREX爐跟班學習。李濤就在羅涇待了一年多，參與了設備搬遷的全過程。
在集團公司的全力支撐下，項目團隊充分發揮艱苦奮斗、敢闖敢試的精神，對COREX爐的原燃料結構進行了顛覆式的創新。八鋼副總經理袁萬能打了個比方，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，礦要吃高品質球團。到了八鋼以后，我們對原燃料結構進行了專項攻關，現在成了“有啥吃啥”，比如煤吃的就是新疆當地最平常的動力煤，球團也吃得少了。與此同時，歐冶爐還實現了高爐工藝返焦、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”，“飲食結構”發生了天翻地覆的變化。2018年至今，COREX爐運行穩定，產量屢創新高，并已連續三年實現盈利。
02、脫胎換骨的“忒修斯之船”
“忒修斯之船”是一個古老的哲學悖論，以此來形容今天的歐冶爐，也許并不合適。但有一點是確定的，時至今日，已經很難說現在的“歐冶爐”還是當年的“COREX爐”。自開爐以來，八鋼歐冶爐共申報專利400余項，已獲得授權專利142項，其中發明專利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。
幾年來，歐冶爐不僅開創了高比例使用動力煤和燒結礦的原燃料結構，還自主創新了“兩爐三段式”的煤氣高效利用核心技術，開發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。在裝備創新上，研發了新型高溫布料器、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安全操作等技術為一體的獨特操作技術。
在歐冶爐管控中心，煉鐵廠技術專家陳若平剛剛接待完一位慕名而來的業內專家。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理念，創新了三段式的高效冶煉技術，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，每半年就要清爐一次，得花上10來天時間，現在因為爐料燃燒充分，清爐的時間周期已大大延長。
“這樣的創新幾乎沒有停過。這些年，歐冶爐先后實施了數十個改造項目，從冶煉工藝到原燃料結構，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。”出于專業技術人員的嚴謹，陳若平沒有正面回答這樣的問題，但他講述的這些事實，卻已經作出了完整的解答。
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，連續三年實現盈利……解決了生存問題。但集團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能環保、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，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勢，通過煤氣循環利用技術，不僅進一步提高了歐冶爐的生產穩定性，更重要的是，有效減少了歐冶爐生產的實際碳需求。2019年該系統投用后，八鋼專門請來權威第三方進行了減碳認證，其結果表明，該技術有效降低了系統的碳排放量0.1噸/噸鐵，按年產120萬噸鐵水能力，每年可實現降低碳排放12萬噸。
為了突破煤氣循環量的“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，全世界都沒有工業化的實踐先例。歐冶爐開創性地引入了化工行業的二氧化碳分離技術，將回用煤氣中的二氧化碳含量從30%降低到了1%以內，極大地提升了煤氣回用的效能。該項目實施后，歐冶爐在原先基礎上，每年又實現減碳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用的項目已經浮出水面，比如，制取甲醇燃料、石油行業去油應用等，都已經進入可研階段。
鋼鐵的未來，將從這里出發
——八鋼低碳冶煉實驗基地見聞（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？階段性工藝目標實現的情況如何？”3月的一天，下午4點半，剛剛飛抵烏魯木齊的中國寶武低碳冶金創新中心的專家們，行李都沒有放下，就直奔八鋼管控中心，在低碳冶金推進會上連珠炮似地發問，問題的焦點基本集中在全球首座“富氫碳循環高爐”上。八鋼副總經理、低碳冶金創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“拷問”的氣氛中進行。
今年8月，中國寶武首次低碳冶金創新大會將在八鋼舉行。10月，全球低碳冶金創新聯盟將在上海寶山成立。作為發起人和東道主，中國寶武這個全球首家低碳冶金創新實驗基地的“富氫碳循環高爐”，到底能拿出什么樣的成績單，讓人關注和期待。留給項目團隊的時間不多了，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發展立下汗馬功勞的功勛高爐，其優異的全煙煤噴煤比指標一度全國領先。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遺存保留下來，誰也沒想到，2020年，隨著中國寶武綠色低碳發展步伐的加速，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新實驗基地。通過技術升級改造，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，還可以減少30%的二氧化碳排放。
遠遠望去，“富氫碳循環高爐”并不起眼，即便是內行，除了新建的布料系統還能看出點端倪外，很難從外觀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。廠門口，爐長田寶山剛剛送走一批外地來的考察團隊，跟隨他走進中控室，筆者眼前一亮：占據著大半個墻面的顯示屏，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。“在低碳這件事上，中國寶武是不惜代價的”，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。
“富氫碳循環高爐”的低碳冶煉試驗分三個階段。一階段工業試驗去年7月啟動后，高爐鼓風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月底已經動工，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，打通煤氣循環工藝流程，今年6月實現鼓風氧含量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，將利用還原煤氣加熱循環技術，實現全氧冶煉。
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新的工業化研究，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。”
02、突破傳統冶煉“百年瓶頸”
“現代的高爐發展了兩百多年，其熱效率很高、產能規模大，是個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煤氣帶走。副產煤氣目前只能低質量地燃燒發電使用，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。”
在八鋼現場支撐的低碳冶煉創新中心專家、中央研究院博士許海法的一番介紹，給筆者這個外行補了一堂低碳冶金原理課。原來，“富氫碳循環試驗高爐”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？
傳統高爐鼓風主要成分為氮氣，要實現高效、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，傳統高爐的鼓風含氧量一般都在30%以內。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！”八鋼制造部首席李濤介紹說，鼓風含氧量的不斷提升，會造成爐內溫度變化等一系列問題，導致“懸料”“崩料”等現象，爐況極難控制。去年開爐后，“富氫碳循環高爐”就曾經出現過爐缸凍結的情況。俗話說，不撞南墻不回頭，但“富氫碳循環高爐”的低碳試驗，卻是撞了南墻也不回頭。“這些我們都有心理準備。從國家到行業到企業，低碳是一個大方向，總得有人去試去闖。”幾乎隔周就要往返于上海和新疆的許海法坦言，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，信心也越來越足了。
03、低碳鋼鐵的引領者
今年全國“兩會”，碳達峰、碳中和首次寫入政府工作報告。習近平總書記在“兩會”上強調，要加大重點行業、重要領域綠色化改造力度，發展清潔生產，加快實現綠色低碳發展。今年1月，中國寶武發布了碳減排路線圖——2023年力爭實現碳達峰，2025年具備減碳30%的工藝技術能力，2035年力爭實現減碳30%，2050年力爭實現碳中和。
“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%的工藝技術能力，很大程度上就是指“富氫碳循環高爐”實現真正意義上的全氧和富氫冶煉。對于建設低碳冶金創新實驗基地和“富氫碳循環高爐”的意義，袁萬能理解深刻，“鋼鐵是我國僅次于電力行業的碳排放大戶。按照碳達峰和碳中和的目標，傳統高爐的低碳化勢在必行，事關鋼鐵行業的生存。這絕不僅僅是一種姿態，我們就是要真正趟出一條路來，為今后高爐的低碳化發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。碳達峰和碳中和是中國踐行“人類命運共同體”理念的生動實踐，也是我國技術升級和產業結構調整的必然之路。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，在這么大規模高爐上的實踐尚屬首次，沒有任何經驗可以參照。但這是一次沒有退路的挑戰，是一次不能失敗的大考。過去，中國鋼鐵業在技術上是跟隨者。當年的寶鋼就明確提出“引進、消化、吸收、創新”的理念。今日之寶武，已立志要成為全球鋼鐵業的引領者，在已經實現規模引領的基礎上，更為關鍵的就是“技術引領”，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新實驗基地，正是中國寶武作為一個引領者、先行者、示范者的胸懷、視野和格局。
最近，“富氫碳循環高爐”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鍵”后，這座430立方米高爐一下子成了全行業的焦點。盡管試驗取得了階段性的成果，但要實現全氧和富氫的低碳冶煉，前路必然坎坷波折。更多顛覆性的技術理念和全新的應用場景以及未知的挑戰，都在等待闖關者們的突破。
鋼鐵的未來，將從這里出發。
