國家科技獎化工設備成果報道③大焦爐讓煉焦清潔高效

在2018年國家科學技術獎的評比中，中冶焦耐工程技術有限公司牽頭、北京科技大學和鞍山鋼鐵集團公司共同完成的“清潔高效煉焦技術與裝備的開發(fā)及應用”項目一路過關，斬獲國家科技進步一等獎。該項目旨在解決煉焦行業(yè)清潔高效生產的關鍵問題，為我國煉焦領域的集成化、綠色化和高質量發(fā)展起到了重要支撐作用。根據科技部公布的數據，依托該項目成果，研發(fā)單位近三年直接銷售額370億元、利潤達40億元，同時，我國煉焦行業(yè)產業(yè)集中度提升了3.8倍、污染物減排了12%、優(yōu)質資源消耗降低了7.5%、能耗下降了4%.項目技術呈現出了不少創(chuàng)新亮點。

　　不再受制于人

　　煉焦是支撐冶金、化工和機械制造的重要行業(yè)，因其高消耗、高排放，近年來轉型升級壓力越來越大。中冶焦耐副總工程師王明登表示，焦爐大型化是焦化行業(yè)轉型升級的重要途徑之一，應用大焦爐，才能實現大規(guī)模集中化生產，達到清潔和高效的目標。

　　據中國煉焦行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，20世紀初，我國焦爐仍以中小型為主，大型焦爐產能僅占全國焦炭總產能的15%左右，焦爐高度不超過6米。到2008年，我國7米高的焦爐還需要從國外引進。而上世紀80年代，德國、日本就已經開始大量建設高度超過7米的焦爐。

　　要研發(fā)7米級焦爐，不只是造一個體積更大的爐子那么簡單，關鍵是需要解析焦爐內傳熱、燃燒、流動和煤高溫干餾過程機理，解決超大型炭化室如何對煤料實現適度均勻供熱和快速均勻煉焦的問題。焦爐尺寸越大，對其內部溫度進行有效控制的難度就越大。如果焦爐內局域火焰溫度過高，不僅能耗加大，而且氮氧化物也會大量生成，無法實現源頭減排，甚至會燒壞爐體；如果溫度過低或者溫度不均勻，則會出現生焦，不能保證生產質量。

　　為此，中冶焦耐聯(lián)合北京科技大學、鞍山鋼鐵集團，依托科技部“863”計劃“新一代清潔高效煉焦工藝與裝備開發(fā)”重點項目，從理論研究、技術研發(fā)、裝備研制等課題入手，歷經10余年聯(lián)合攻關，在清潔高效煉焦工藝、核心裝備、智能生產等方面取得重大科技創(chuàng)新成果。研發(fā)團隊從氮氧化物的生成機理入手，開發(fā)出了焦爐生產的數理模型，并采用連續(xù)過程、多單元耦合仿真模擬，指導爐體的結構設計，*終設計成的焦爐完全實現了大型化和清潔化的目標。

　　如今，我國煉焦行業(yè)不僅不再受制于人，還成功實現了技術和裝備的海外輸出。目前，該項目成果已經在海內外47個工程中實現系列化應用，成為清潔高效煉焦領域的主導技術，在國內大型焦爐市場的占有率達96%，同時還實現了向海外市場技術與裝備輸出，海外新建大型焦爐市場占比達60%.

　　不再高污排放

　　中冶焦耐董事長于振東指出，氮氧化物、顆粒物及二氧化硫是煉焦生產中*難控制的污染物，這也是為什么煉焦行業(yè)之前被外界視為容易導致環(huán)境惡化的行業(yè)之一。綠色化、高效化和智能化是未來煉焦技術發(fā)展的主要趨勢。

　　但由于生成機理復雜，焦爐氮氧化物的控制是一項世界性難題。傳統(tǒng)焦爐的標定數據顯示，焦爐煤氣加熱時，廢氣中氮氧化物的平均含量在1000毫克/立方米以上，低熱值煤氣加熱時在450~650毫克/立方米。據王明登介紹，2008年，我國曾引進德國技術的7.63米焦爐，當時國際焦化領域*先進的煉焦技術可使氮氧化物排放達到350毫克/立方米以下，爐組產能可達200萬噸/年以上，而以我國的技術，氮氧化物排放水平只能控制在600~1000毫克/立方米，爐組生產規(guī)模僅為德國的3/4.

　　為了解決這個難題，項目研發(fā)團隊從燃燒理論和仿真分析入手，對焦爐狹長火道內彌散燃燒過程中氮氧化物生成機理進行了研究，并耦合炭化室、燃燒室和蓄熱室全結構，開發(fā)了復雜結構體系內傳熱傳質、燃燒、流動與煤高溫干餾等非穩(wěn)態(tài)過程的模擬分析方法，提出了梯級供給低氮燃燒控制理論，發(fā)明了可控梯級供給低氮燃燒均勻加熱技術，使煙氣中氮氧化物含量降低50%以上，解決了焦爐氮氧化物源頭減量治理的世界性難題。

　　據悉，該項目成果不僅為中國煉焦行業(yè)的低氮排放、清潔生產提供了解決方案，還為新制定的國家標準《煉焦化學工業(yè)污染物排放標準（GB16171-2012）》提供了適用技術。

　　不再高耗低效

　　秉持我國對煤炭資源的高效利用原則，煉焦爐要能夠*大限度地節(jié)省煤炭資源、提高生產效能。業(yè)內人士認為，要實現超大容積焦爐的高效生產，就要先解決兩個大問題：一是在7米高的炭化室內，40多噸煤料如何在間壁加熱條件下實現均勻供熱；二是如何避免為降低氮氧化物含量而使用的分段加熱技術對爐體生產順行性產生不利影響。

　　王明登表示，隨著焦爐尺寸的增大，要對煤料進行均勻和適度供熱，只能依靠焦爐自身結構對兩千多個加熱火道內的高溫火焰進行*控制，難度極大。另外，如果一味強調提升生產強度而大大增加供熱量，再與新研發(fā)的分段加熱技術疊加，極易造成爐頂空間溫度過高、生產順行性差等問題。

　　為此，研發(fā)團隊基于我國煉焦煤的黏結特性、結焦特性和收縮特性，在7米高的加熱火道內按煤料成焦需求分段供應熱量，發(fā)明了新型跨越孔結構，并通過獨特的高向溫度組合調節(jié)技術，實現了高向均勻加熱和爐頂溫度的有效控制，徹底解決了大型焦爐爐頂空間溫度易過高的世界性難題，還顯著降低了優(yōu)質煉焦煤用量。為了實現長向均勻加熱，研發(fā)團隊還將18米長的炭化室墻面，按對應煤料成焦過程的熱量需求分割成18個加熱單元，實行區(qū)域精準供熱，研發(fā)出爐底氣流協(xié)調分配技術，發(fā)明了上下協(xié)同調節(jié)的焦爐長向氣流分配結構。

　　與之前我國引進的技術相比，這一新技術可降低優(yōu)質煉焦煤用量7.5%以上，焦爐長向和高向加熱均勻，還顯著降低了能耗。與此同時，研發(fā)團隊還開發(fā)了以焦爐加熱燃氣種類遠程切換、高溫集氣系統(tǒng)設備遠程操作等無人化關鍵裝備，可減少煉焦生產勞動定員30%，實現了煉焦生產的智能化。