《中国冶金报》高质量发展的宝武实践报道组：陈玉千 陈琢 刘加军 吕兵 吕林 贾林海
2030年前碳达峰，2060年前碳中和，这是中国对世界的承诺；
2023年力争实现碳达峰，2025年具备减碳30%的工艺技术能力，2035年力争减碳30%，2050年力争实现碳中和，这是中国宝武对世界的承诺。
图为朝阳里的中国宝武八钢厂区。（姚海山摄）
“作为唯一稳定连续的工业化级别的非高炉炼铁工艺——欧冶炉在八钢的成功应用为绿色低碳找到了一条技术路径。这是一件前无古人的事情，中国宝武党委书记、董事长陈德荣说‘这是我们在世界冶金史上留下的咱们中国人的印记’。”2021年10月14日，中国宝武八钢党委书记、董事长吴彬对《中国冶金报》记者表示，“我们将立足新疆能源实际，积极谋划和推动碳达峰、碳中和工作，推动绿色低碳发展。”
“八钢富氢碳循环高炉（以下简称富氢炉），通过全氧、富氢和煤气自循环，实现碳减排30%以上，目前已取得50%富氧、降碳15%的成就。”八钢炼铁厂厂长助理陈佰军告诉《中国冶金报》记者。
欧冶炉以煤为主要燃料和还原剂直接熔融还原生产铁水，同时产生大量煤气，再将欧冶炉产生的煤气进行提纯，提纯后的煤气（高纯度一氧化碳）除欧冶炉自循环使用外，其余用于富氢炉及其他传统高炉冶炼使用；而提纯后产生的二氧化碳用于化工和石油行业，以及作为安全气体使用，最终实现碳的趋零排放。
毫无疑问，这是中国宝武低碳冶金的底气，也是中国钢铁实现“双碳”目标的底气。
颠覆：从COREX炉到欧冶炉
早在2005年，当时的宝钢就承担起了我国探索非高炉炼铁技术的使命，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月顺利达产。但是，COREX炉对原料和燃料的苛刻要求，使其运行经济性大受影响，开着就亏损，不开可惜，出路在何方？
“COREX炉是一种使用块矿或球团矿作为原料、使用非焦煤作为还原剂和燃料的熔融还原炼铁工艺。但是只能用山西某煤矿生产的一种块煤，而且须使用价格较高的高强度球团，原料适应性非常差，经济性因此大受影响。”陈佰军介绍。
最终，宝钢于2011年做出决策，将COREX炉搬迁至八钢，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。
2012年，COREX炉辗转几千公里来到新疆，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，这不是雪上加霜嘛！”一时间，员工议论纷纷。
“有议论是正常的。不过，COREX炉来到八钢就已不再是原来的COREX炉，而是变成了欧冶炉。因为它在本质上已经颠覆了原来意义上的COREX炉熔融还原炼铁工艺，而变成中国自己开发的一种新的非高炉炼铁工艺，而且是一种具有极强竞争力的新工艺。”吴彬指出。
图为欧冶炉远景。（刘加军摄）
用一个小小的“馕坑”炉模拟欧冶炉开炉操作就是八钢人创新观念和强大创新能力的一个生动案例。
2015年6月，在即将开炉的时候，欧冶炉首任炉长田宝山却一连几天从欧冶炉建设现场“神秘失踪了”。
当然，他哪儿也没去，而是躲在自己的“秘密试验基地”——一个已经被遗弃的厂房旁，那里有他自己搭建起来的模拟欧冶炉的“馕坑”炉。他用报废的小套模拟风口，用焊接的氧气管道和氧气瓶模拟稳压站。他一次次用打火机点燃油布，塞进“风口”，一次次“送氧”，点燃焦炭，熔化矿石和熔剂……
最终，在八钢诞生了一个全新的欧冶炉开炉模式，与COREX3000时代的开炉费用相比实现了极大幅度的降低。
图为欧冶炉自动取样检测装置。（姚海山摄）
“落户八钢后，COREX炉已经先后实施了数十个改造项目。”陈佰军说，“自开炉以来，八钢欧冶炉共申报专利600余项，获得授权专利142项，其中发明专利42项，已经完全颠覆了原来的工艺。”
正是这一系列的创新，造就了今日的欧冶炉。
在装备创新上，八钢研发了新型高温布料器、矿煤垂直胶带机、风口氧煤烧嘴等欧冶炉专用设备。在操作层面，八钢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。
“在原燃料方面，现在的欧冶炉已经做到了‘有啥吃啥’，从指定的块煤到新疆本地的动力煤，从只‘吃’好球团到现在45%球团、55%烧结矿的原料结构，成本得以大幅降低。”陈佰军介绍。
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方面的重大成果。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，不仅进一步提高了欧冶炉的生产稳定性，而且有效减少了欧冶炉生产的实际碳需求。2019年，该系统投运后，八钢专门请来权威第三方进行了减碳认证。结果表明，该技术有效降低了系统碳排放量0.1吨/吨铁，按年产120万吨铁水能力计算，每年可降低碳排放12万吨。
一系列技术创新的推进带来的是效益的提升和成本竞争力的增强。“今年，欧冶炉吨铁成本比2500立方米高炉低150元以上，并且运行稳定，这为八钢炼铁成本位居国内全行业第二奠定了基础。”陈佰军说。
突破：让传统高炉实现涅槃
走进八钢厂区东南区域，富氢炉在绿树红花掩映下巍然屹立。
“高炉出现已近2000年，近代高炉也有200多年的历史，其热效率高、产能规模大，生命力顽强。但现有高炉工艺中碳的能量不能被完全利用，有相当一部分能量被副产煤气带走。副产煤气目前只能低质量地被燃烧发电或加热使用，以至于高炉燃煤消耗高、碳排放量大。这在低碳的时代背景下，高炉的生存压力倍增。”陈佰军介绍。
如何让高炉更加低碳，从而实现涅槃新生、焕发生命力？“将来高炉冶炼减碳有两条可行的路径：一是通过提升高炉内碳的能量利用效率，做到极致化利用，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，如富氢冶炼等。”陈佰军说。
就这样，富氢炉在八钢应运而生。
据悉，富氢炉的前身是八钢430立方米高炉。2020年，这座高炉被八钢改建成为全球首座低碳冶金创新实验装置。八钢将通过技术创新，让这座高炉成为一座具备全氧冶炼、富氢、炉顶煤气脱二氧化碳后煤气自循环喷吹等功能的低碳化高炉。
“富氢炉的原理首先是通过全氧鼓风和取消热风炉避免氮气的输入，然后对炉顶煤气进行脱除二氧化碳提纯，将纯净的一氧化碳进行电加热回输到高炉，进行自身碳循环，从而充分利用碳资源，大幅度降低碳排放；在此基础上，进一步吹入焦炉煤气、氢气等，从而更进一步降低碳资源消耗，实现更进一步减碳。”陈佰军介绍。
富氢炉的低碳冶炼试验分3个阶段。第一阶段于2020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，稳定在35%。第二阶段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，实现鼓风氧含量50%的超高富氧冶炼和氢冶金冶炼探索。第三阶段将利用还原煤气加热循环技术，实现全氧（100%）冶炼。
走近富氢炉，这座高炉在《中国冶金报》记者眼里的“长相”与传统高炉没有太大差别。
现场工作人员介绍，目前的富氢炉正在为第三阶段试验做准备，正在进行炉身及其他相关设备改造，将来的还原性气体将从风口和炉身下部吹入。
图为富氢碳循环高炉。（姚海山摄）
“第三阶段要按照100%全氧进行试验，整个项目试验成功后，不仅能大幅度提高冶炼利用系数，还可以至少减少30%的二氧化碳排放。”陈佰军介绍，这座高炉仅在第一阶段试验中就投入了1.5亿元。
当然，试验过程也克服了重重困难。比如，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，导致出现“悬料”“崩料”等现象，炉况极难控制。试验过程中，富氢炉就曾经出现过炉缸冻结的情况。
图为富氢碳循环高炉操作室。（姚海山摄）
“对于困难我们都有心理准备，也有预案。随着试验的深入，我们的信心越来越足，处理问题的方法也越来越多。可以说，我们对成功有百分之百的信心。”陈佰军介绍，“别看现在是个小炉子，将来可以适用于所有高炉，彻底突破传统高炉碳排放高的瓶颈，可谓前景远大。”
氢气资源从哪里来？“一是八钢自产的富氢焦炉煤气，二是将来通过光伏资源裂解水来获取氢气。新疆地处西北，光热资源丰富，氢气获取成本低且无污染，是真正的‘绿氢’。”陈佰军介绍。
“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。”吴彬强调。
耦合：破解趋零排放难题
“八钢正以富氢碳循环高炉、欧冶炉为平台，探索二氧化碳超低排放技术创新，破解趋零排放难题。”吴彬介绍。
如何做到趋零排放？多环节、多行业耦合，在其中起到了核心作用。
传统高炉采用热风炉生产，高炉煤气因含有大量氮气，并不具备脱碳再循环使用的价值，所以想实现这个工艺并不容易。
“但是欧冶炉产生的煤气不含氮气，通过脱除二氧化碳，高纯度煤气（二氧化碳含量从30%降低到1%以内）除欧冶炉自身回用部分外，可以全部吹入富氢炉。”陈佰军介绍。通过将纯净煤气回炉和喷入富氢炉，并将二氧化碳加以利用，欧冶炉在原先基础上每年又可以减碳9万余吨。
“富氢炉成功接入经过脱碳处理的欧冶炉煤气，这在全球是首次实现脱碳煤气循环利用的。同理，欧冶炉与传统高炉耦合，将提纯煤气喷入其他高炉实现碳减排也是完全行得通的。”陈佰军说。
他介绍，八钢现在已经立项，把欧冶炉产生的煤气脱除二氧化碳以后喷到2500立方米高炉代替焦炭和煤，通过煤气循环利用降低燃料比，最终实现减碳。
图为中国宝武八钢夜景。（陈治国摄）
当然，八钢将欧冶炉与传统高炉耦合，打开一条低碳新路，不仅仅表现在煤气循环利用这一项。欧冶炉还对传统高炉的原料实现了耦合：不仅对原料品质的要求大大降低，还实现了高炉富余焦丁的全利用；高炉排斥的高锌矿、低强度球团等，现在已经非常适合欧冶炉的“胃口”，从而实现了资源最大化利用；原来派不上用场的高炉煤末、焦末等，都在欧冶炉得到了充分利用，实现了资源耦合。
富氢炉与焦化等其他行业耦合，进一步降低碳排放。“富氢炉不仅可以回用自循环高炉和欧冶炉产生的脱碳煤气，减少原燃料消耗，同时还可以通过使用含氢量较高的燃料，如焦炉煤气、天然气等实现减碳。此外，未来还将用氢气替代一部分碳源作为还原剂，因为新疆不缺光热资源，其‘绿氢’的生产具有天然成本优势。”陈佰军说。
提纯后的二氧化碳去哪里？“我们的长远目标是要实现全部煤气的回用，前提是这些分离出来的二氧化碳能有个好去处。”一位技术人员介绍说。据悉，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、石油行业油井压油应用，代替氮气作安保气体，包括管道吹扫气、喷煤系统用气等。
此外，欧冶炉在先后完成了配矿结构优化、燃料结构优化、金属化率提升等工艺技术创新的基础上，取得了冶金与煤化工工艺耦合的突破，并在消纳城市固废等方面取得了很好的社会效益和经济效益，为实现钢铁厂融入城市，与城市互融互补、共生共荣奠定了坚实基础。
从欧冶炉、富氢炉，到各种冶炼炉和不同产业耦合等，八钢正通过不断地创新研发，引领全球绿色低碳冶金技术进步，为攻克世界绿色低碳冶金技术工艺难题提供了“中国方案”。
“我们就是要真正走出一条路来，为今后高炉的低碳化发展提供一个完整可行的工艺路径和解决方案，这是我们的使命。”吴彬指出。
低碳、绿色正在成为八钢最耀眼的一抹亮色。
图为中国宝武八钢厂区一角。（姚海山摄）
