从欧冶炉的“前世今生”看中国宝武低碳发展
4月的新疆乌鲁木齐，大地春回。中国宝武八钢厂区东南面，欧冶炉巍然耸立于蓝天之下，透着一份大气。这座欧冶炉的“前世今生”，生动地刻画了中国宝武在低碳冶炼上孜孜不倦的探寻与求索。
早在2005年，当时的宝钢承担起了我国探索非高炉炼铁技术的重大使命，从奥钢联引入熔融还原技术，建成了设计年产能150万吨、当时世界最大的COREX炉，并于2008年5月顺利实现“三达”（达产、达标、达效）。由于国内外原燃料结构的差异，COREX炉的运行和经济性受到了前所未有的挑战。根据企业决策，2011年，COREX炉搬迁至新疆八钢，希望利用当地的资源，走出一条适合国情、高性价比的非高炉炼铁技术之路。
颠覆“饮食结构”求生存
从今天来看，非高炉炼铁技术其实就是低碳冶炼的一种探索。熔融还原工艺流程短、污染低，碳排放自然可以减量。COREX炉搬迁的初衷，就是要找到一条适合国内原燃料结构的低碳冶炼之路。但是，它首先要解决的还是生存问题。
2012年，在很多八钢人心里是一个不同寻常的年份。正是这一年，COREX炉辗转几千公里，在八钢安家落户。“老外都玩不转的新玩意，到八钢能好使不？”“八钢效益本来就不咋地，这不是雪上加霜么？”消息传来，一时间干部员工议论纷纷，不少人都把COREX炉看成了一个“烫手山芋”。制造管理部首席李涛回忆说，那时候，八钢的接待酒店“好西部”连平常不开放的辅楼都住满了人，宝钢股份的支撑团队来了好几百人。在此之前，八钢也组织了100多人到罗泾COREX炉跟班学习。李涛就在罗泾待了一年多，参与了设备搬迁的全过程。
在中国宝武的全力支撑下，项目团队充分发挥艰苦奋斗、敢闯敢试的精神，对COREX炉的原燃料结构进行了颠覆式的创新。八钢副总经理、低碳冶金创新中心副主任袁万能打了个比方，原来的COREX炉食不厌精、脍不厌细，“想啥吃啥”——煤要吃最好的块煤，矿要吃高品质球团。到了八钢以后，他们对原燃料结构进行了专项攻关，现在成了“有啥吃啥”。与此同时，欧冶炉还实现了高炉工艺返焦、返矿资源的全利用。原来派不上用处的高炉煤末、焦末等，都得到了充分利用，实现了资源耦合。
从2018年到2020年，COREX炉的吨铁成本直线下降。与八钢2500立方米高炉相比，2018年之前，COREX炉的吨铁成本远高于2500高炉；2018年基本持平；到去年，吨铁成本比2500高炉要低100多元。这个天天“山珍海味”的“富家子”，变身成了“粗茶淡饭”的“糙汉子”，“饮食结构”发生了天翻地覆的变化。2018年至今，COREX炉运行稳定，产量屡创新高，并已连续3年实现盈利。
从COREX炉到欧冶炉
时至今日，已经很难说现在的“欧冶炉”还是不是当年的“COREX炉”。自开炉以来，八钢欧冶炉共申报专利400余项，已获得授权专利142项，其中发明专利42项。欧冶炉粗犷的肠胃，也是建立在其核心工艺大量的颠覆性创新上。2018年，脱胎换骨的COREX炉更名为欧冶炉，或许就能说明这一点。
几年来，欧冶炉不仅开创了高比例使用动力煤和烧结矿的原燃料结构，还自主创新了“两炉三段式”的煤气高效利用核心技术，开发了气化炉拱顶干煤粉气化（DCGT）风口喷吹煤气（TGIC）和竖炉CGD等系列新技术。在装备创新上，他们研发了新型高温布料器、矿煤垂直胶带机、粉尘线波补偿器和风口氧煤烧嘴等欧冶炉专用设备。在操作层面，他们建立了一整套集低成本烘开炉、固定竖炉炉顶压力和休风安全操作等技术为一体的独特操作技术。
在欧冶炉管控中心，炼铁厂技术专家陈若平刚刚接待完一位慕名而来的业内专家。他笑着介绍说：“这两年到欧冶炉参观考察的同行太多了，他们最感兴趣的，莫过于我们在欧冶炉上的这些工艺创新。”在陈若平眼里，欧冶炉最根本的变化，在于突破了原有两段式冶炼的技术理念，创新了三段式的高效冶炼技术，减少了含碳燃料的使用量，炉料燃烧还原更加充分，冶炼效率明显提升。此外，原来由于炉料黏结，每半年就要清炉一次，得花上10来天时间，现在因为炉料燃烧充分，清炉的时间周期已大大延长。
“这样的创新几乎没有停过。这些年，欧冶炉先后实施了数十个改造项目，从冶炼工艺到原燃料结构，从专用装备到操作体系，我们改了个遍。它还是不是原来的COREX炉，我还真不好说。”出于专业技术人员的严谨，陈若平没有正面回答这样的问题，但他讲述的这些事实，已经做出了完整的解答。
低碳冶炼“急先锋”
命运多舛的欧冶炉终于脱胎换骨，解决了生存问题，但中国宝武及八钢并没有止步于此。2018年，欧冶炉被确定为中国宝武低碳冶炼试验基地项目之一，全名是——欧冶炉全氧熔融还原试验中心。毫无疑问，它是中国宝武低碳冶炼探索的“急先锋”。
炉顶煤气回用和二氧化碳捕集分离两大突破性技术，是欧冶炉在低碳冶炼探索上的重大成果。从2018年到2020年，欧冶炉的探索实践一年上一个台阶。2018年，欧冶炉实施“顶煤气回配项目”，充分利用欧冶炉分段炉型在炉温控制上的先天优势，通过煤气循环利用技术，进一步提高了欧冶炉的生产稳定性，并有效减少了欧冶炉生产的实际碳需求。2019年该系统投用后，经权威第三方减碳认证，结果表明，其有效降低系统碳排放量0.1吨/吨铁，按年产120万吨铁水能力，每年可实现降低碳排放12万吨。
为了突破煤气循环量的“瓶颈”，2019年，欧冶炉又实施了“煤气制取和二氧化碳分离”项目。钢铁冶炼中分离二氧化碳，全世界都没有工业化的实践先例。欧冶炉开创性地引入了化工行业的二氧化碳分离技术，将回用煤气中的二氧化碳含量从30%降低到了1%以内，极大地提升了煤气回用的效能。该项目实施后，欧冶炉在原先基础上，每年又实现减碳9万余吨。2020年，八钢实施了“脱碳煤气综合利用项目”，进一步提升脱碳煤气的使用效率。“我们的长远目标是要实现全部顶煤气的回用，前提是这些分离出来的二氧化碳得有个好去处。”技术专家陈若平介绍说。而就在3月初八钢进行的一次低碳冶炼推进会上，一批二氧化碳深度应用的项目已经浮出水面，比如制取甲醇燃料等，都已经进入可研阶段。
功勋高炉获绿色新生
“富氢碳循环高炉”的前身，是八钢430立方米高炉。这是一座为新疆钢铁工业发展立下汗马功劳的功勋高炉，其优异的全烟煤喷煤比指标一度全国领先。中国宝武重组八钢后，新建了两座2500立方米高炉。2014年，430立方米高炉功成身退。八钢想把它规划为工业遗存保留下来，谁也没想到，随着中国宝武绿色低碳发展步伐的加速，2020年，这座高炉有了一个全新的使命和定位——全球首家低碳冶金创新实验基地，要通过技术升级改造，打造具备全氧冶炼、富氢、炉顶煤气脱二氧化碳煤气自循环喷吹等功能的低碳化高炉。整个项目试验成功后，不仅能大幅度提高冶炼利用系数，还可以减少30%的二氧化碳排放。
据炉长田宝山介绍，这座高炉仅一阶段试验项目就投入了1.5亿元。“富氢碳循环高炉”的低碳冶炼试验分3个阶段。一阶段工业试验去年7月启动后，高炉鼓风含氧量成功突破了传统高炉的极限，目前稳定在35%。二阶段试验工程今年2月底已经动工，正在紧锣密鼓建设中。工程将引入欧冶炉脱除二氧化碳的还原煤气和富氢焦炉煤气，打通煤气循环工艺流程，今年内实现鼓风氧含量50%的超高富氧冶炼和氢冶金冶炼探索。三阶段试验工程明年开始建设，将利用还原煤气加热循环技术，实现全氧冶炼。
从430立方米高炉到2500立方米高炉、欧冶炉，再到这座“富氢碳循环高炉”，田宝山和高炉打了大半辈子交道，啃过的“硬骨头”不少，但在他心里，氧气高炉低碳冶金和氢冶金创新的工业化研究，完全颠覆了他过去的认知——“我们所做的一切，都是前无古人的探索。难度之大，超乎想象。”
突破传统冶炼“百年瓶颈”
“现代的高炉发展了200多年，其热效率很高、产能规模大，是个相当了不起的反应器。但现有高炉中碳的能量不能被完全利用，还有相当一部分被副产煤气带走。将来高炉冶炼减碳有可行的两条路径，一是通过提升高炉内碳的能量利用效率，做到极致化，来减少固体燃料碳的输入；二是在冶炼过程中，使用清洁无碳的新能源来替代碳，如富氢冶炼。”中国宝武低碳冶炼创新中心专家、中央研究院博士许海法介绍说。
传统高炉鼓风主要成分为氮气，要实现高效、低碳的目的，需要最大化地提高鼓风富氧水平来减少氮气的累积，受工艺和装备所限，传统高炉的鼓风含氧量一般都在30%以内。这是一个很多年来没人能够突破的瓶颈。按照专家们的话来说，这是“冶金原理”的极限。“富氢碳循环试验高炉”的一阶段试验，却成功地做到了35%，史无前例。
“这就是一个不断尝试、不断试错的过程！”李涛介绍说，鼓风含氧量的不断提升，会造成炉内温度变化等一系列问题，导致“悬料”“崩料”等现象，炉况极难控制。去年开炉后，“富氢碳循环高炉”就曾经出现过炉缸冻结的情况。许海法坦言，立项之初，他和同事们也很忐忑，担心失败，“这些我们都有心理准备。从国家到行业到企业，低碳是一个大方向，总得有人去试去闯。但一步步走到今天，很多不可能都变成了现实，信心也越来越足了。”
低碳钢铁的引领者
今年1月，中国宝武发布了碳减排路线图——2023年力争实现碳达峰，2025年具备减碳30%的工艺技术能力，2035年力争实现减碳30%，2050年力争实现碳中和。“这是中国钢铁对全世界的一次庄严承诺。”袁万能说。中国宝武2025年要具备减碳30%的工艺技术能力，很大程度上就是指“富氢碳循环高炉”实现真正意义上的全氧和富氢冶炼。
从全世界来看，全氧冶炼和富氢冶炼，在这么大规模高炉上的实践尚属首次，没有任何经验可以参照。但这是一次没有退路的挑战，是一次不能失败的大考。过去，中国钢铁业在技术上是跟随者。今日之宝武，已立志要成为全球钢铁业的引领者，在已经实现规模引领的基础上，更为关键的就是“技术引领”，这也是从“老大”变“强大”的必由之路。
尽管“富氢碳循环高炉”项目试验取得了阶段性的成果，但要实现全氧和富氢的低碳冶炼，前路必然坎坷波折，更多颠覆性的技术理念、全新的应用场景以及未知的挑战，都在等待闯关者们去突破。钢铁的未来，将从这里出发。
