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從歐冶爐的“前世今生”看中國寶武低碳發展

2021-06-08 11:21:00

  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、當時世界最大的COREX爐,并于2008年5月順利實現“三達”(達產、達標、達效)。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。根據企業決策,2011年,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。
  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?!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爐跟班學習。李濤就在羅涇待了一年多,參與了設備搬遷的全過程。
  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、低碳冶金創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,礦要吃高品質球團。到了八鋼以后,他們對原燃料結構進行了專項攻關,現在成了“有啥吃啥”。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3年實現盈利。
  從COREX爐到歐冶爐
  時至今日,已經很難說現在的“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,或許就能說明這一點。
  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,他們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,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?!痹陉惾羝窖劾?,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,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,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?!背鲇趯I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,已經做出了完整的解答。
  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,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勢,通過煤氣循環利用技術,進一步提高了歐冶爐的生產穩定性,并有效減少了歐冶爐生產的實際碳需求。2019年該系統投用后,經權威第三方減碳認證,結果表明,其有效降低系統碳排放量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?!拔覀兊拈L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?!奔夹g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,比如制取甲醇燃料等,都已經進入可研階段。
  功勛高爐獲綠色新生
  “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立方米高爐功成身退。八鋼想把它規劃為工業遺存保留下來,誰也沒想到,隨著中國寶武綠色低碳發展步伐的加速,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新實驗基地,要通過技術升級改造,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。
  據爐長田寶山介紹,這座高爐僅一階段試驗項目就投入了1.5億元?!案粴涮佳h高爐”的低碳冶煉試驗分3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,今年內實現鼓風氧含量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立方米高爐到2500立方米高爐、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?!?/div>
  突破傳統冶煉“百年瓶頸”
  “現代的高爐發展了200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。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?!敝袊鴮毼涞吞家睙拕撔轮行膶<?、中央研究院博士許海法介紹說。
  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?!案粴涮佳h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。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。從國家到行業到企業,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實,信心也越來越足了?!?/div>
  低碳鋼鐵的引領者
  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?!斑@是中國鋼鐵對全世界的一次莊嚴承諾?!痹f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。
  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。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。
  盡管“富氫碳循環高爐”項目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、全新的應用場景以及未知的挑戰,都在等待闖關者們去突破。鋼鐵的未來,將從這里出發。

來源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網

編輯:滕珊

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