《中國冶金報》高質量發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。（姚海山攝）
“作為唯一穩定連續的工業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’。”2021年10月14日，中國寶武八鋼黨委書記、董事長吳彬對《中國冶金報》記者表示，“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，推動綠色低碳發展。”
“八鋼富氫碳循環高爐（以下簡稱富氫爐），通過全氧、富氫和煤氣自循環，實現碳減排30%以上，目前已取得50%富氧、降碳15%的成就。”八鋼煉鐵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鐵水，同時產生大量煤氣，再將歐冶爐產生的煤氣進行提純，提純后的煤氣（高純度一氧化碳）除歐冶爐自循環使用外，其余用于富氫爐及其他傳統高爐冶煉使用；而提純后產生的二氧化碳用于化工和石油行業，以及作為安全氣體使用，最終實現碳的趨零排放。
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“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，從奧鋼聯引入熔融還原技術，建成了設計年產能150萬噸、當時世界最大的COREX爐，并于2008年5月順利達產。但是，COREX爐對原料和燃料的苛刻要求，使其運行經濟性大受影響，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。
2012年，COREX爐輾轉幾千公里來到新疆，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。因為它在本質上已經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。”吳彬指出。
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新觀念和強大創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爐已經先后實施了數十個改造項目。”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，其中發明專利42項，已經完全顛覆了原來的工藝。”
正是這一系列的創新，造就了今日的歐冶爐。
在裝備創新上，八鋼研發了新型高溫布料器、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，現在的歐冶爐已經做到了‘有啥吃啥’，從指定的塊煤到新疆本地的動力煤，從只‘吃’好球團到現在45%球團、55%燒結礦的原料結構，成本得以大幅降低。”陳佰軍介紹。
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，而且有效減少了歐冶爐生產的實際碳需求。2019年，該系統投運后，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碳排放量0.1噸/噸鐵，按年產120萬噸鐵水能力計算，每年可降低碳排放12萬噸。
一系列技術創新的推進帶來的是效益的提升和成本競爭力的增強。“今年，歐冶爐噸鐵成本比2500立方米高爐低150元以上，并且運行穩定，這為八鋼煉鐵成本位居國內全行業第二奠定了基礎。”陳佰軍說。
突破：讓傳統高爐實現涅槃
走進八鋼廠區東南區域，富氫爐在綠樹紅花掩映下巍然屹立。
“高爐出現已近2000年，近代高爐也有200多年的歷史，其熱效率高、產能規模大，生命力頑強。但現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煤氣帶走。副產煤氣目前只能低質量地被燃燒發電或加熱使用，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。”陳佰軍介紹。
如何讓高爐更加低碳，從而實現涅槃新生、煥發生命力？“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。”陳佰軍說。
就這樣，富氫爐在八鋼應運而生。
據悉，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新實驗裝置。八鋼將通過技術創新，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到高爐，進行自身碳循環，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，實現更進一步減碳。”陳佰軍介紹。
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高爐的極限，穩定在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，打通煤氣循環工藝流程，實現鼓風氧含量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技術，實現全氧（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”與傳統高爐沒有太大差別。
現場工作人員介紹，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，還可以至少減少30%的二氧化碳排放。”陳佰軍介紹，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，會造成爐內溫度變化等一系列問題，導致出現“懸料”“崩料”等現象，爐況極難控制。試驗過程中，富氫爐就曾經出現過爐缸凍結的情況。
圖為富氫碳循環高爐操作室。（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。”陳佰軍介紹，“別看現在是個小爐子，將來可以適用于所有高爐，徹底突破傳統高爐碳排放高的瓶頸，可謂前景遠大。”
氫氣資源從哪里來？“一是八鋼自產的富氫焦爐煤氣，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’。”陳佰軍介紹。
“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。”吳彬強調。
耦合：破解趨零排放難題
“八鋼正以富氫碳循環高爐、歐冶爐為平臺，探索二氧化碳超低排放技術創新，破解趨零排放難題。”吳彬介紹。
如何做到趨零排放？多環節、多行業耦合，在其中起到了核心作用。
傳統高爐采用熱風爐生產，高爐煤氣因含有大量氮氣，并不具備脫碳再循環使用的價值，所以想實現這個工藝并不容易。
“但是歐冶爐產生的煤氣不含氮氣，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）除歐冶爐自身回用部分外，可以全部吹入富氫爐。”陳佰軍介紹。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。
“富氫爐成功接入經過脫碳處理的歐冶爐煤氣，這在全球是首次實現脫碳煤氣循環利用的。同理，歐冶爐與傳統高爐耦合，將提純煤氣噴入其他高爐實現碳減排也是完全行得通的。”陳佰軍說。
他介紹，八鋼現在已經立項，把歐冶爐產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，通過煤氣循環利用降低燃料比，最終實現減碳。
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高爐耦合，打開一條低碳新路，不僅僅表現在煤氣循環利用這一項。歐冶爐還對傳統高爐的原料實現了耦合：不僅對原料品質的要求大大降低，還實現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，現在已經非常適合歐冶爐的“胃口”，從而實現了資源最大化利用；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，實現了資源耦合。
富氫爐與焦化等其他行業耦合，進一步降低碳排放。“富氫爐不僅可以回用自循環高爐和歐冶爐產生的脫碳煤氣，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’的生產具有天然成本優勢。”陳佰軍說。
提純后的二氧化碳去哪里？“我們的長遠目標是要實現全部煤氣的回用，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。據悉，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、噴煤系統用氣等。
此外，歐冶爐在先后完成了配礦結構優化、燃料結構優化、金屬化率提升等工藝技術創新的基礎上，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濟效益，為實現鋼鐵廠融入城市，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業耦合等，八鋼正通過不斷地創新研發，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。”吳彬指出。
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一角。（姚海山攝）
