国家科技奖化工设备成果报道③大焦炉让炼焦清洁高效

　　在2018年国家科学技术奖的评比中，中冶焦耐工程技术有限公司牵头、北京科技大学和鞍山钢铁集团公司共同完成的“清洁高效炼焦技术与装备的开发及应用”项目一路过关，斩获国家科技进步一等奖。该项目旨在解决炼焦行业清洁高效生产的关键问题，为我国炼焦领域的集成化、绿色化和高质量发展起到了重要支撑作用。根据科技部公布的数据，依托该项目成果，研发单位近三年直接销售额370亿元、利润达40亿元，同时，我国炼焦行业产业集中度提升了3.8倍、污染物减排了12%、优质资源消耗降低了7.5%、能耗下降了4%。项目技术呈现出了不少创新亮点。

　　不再受制于人

　　炼焦是支撑冶金、化工和机械制造的重要行业，因其高消耗、高排放，近年来转型升级压力越来越大。中冶焦耐副总工程师王明登表示，焦炉大型化是焦化行业转型升级的重要途径之一，应用大焦炉，才能实现大规模集中化生产，达到清洁和高效的目标。

　　据中国炼焦行业协会统计，20世纪初，我国焦炉仍以中小型为主，大型焦炉产能仅占全国焦炭总产能的15%左右，焦炉高度不超过6米。到2008年，我国7米高的焦炉还需要从国外引进。而上世纪80年代，德国、日本就已经开始大量建设高度超过7米的焦炉。

　　要研发7米级焦炉，不只是造一个体积更大的炉子那么简单，关键是需要解析焦炉内传热、燃烧、流动和煤高温干馏过程机理，解决超大型炭化室如何对煤料实现适度均匀供热和快速均匀炼焦的问题。焦炉尺寸越大，对其内部温度进行有效控制的难度就越大。如果焦炉内局域火焰温度过高，不仅能耗加大，而且氮氧化物也会大量生成，无法实现源头减排，甚至会烧坏炉体;如果温度过低或者温度不均匀，则会出现生焦，不能保证生产质量。

　　为此，中冶焦耐联合北京科技大学、鞍山钢铁集团，依托科技部“863”计划“新一代清洁高效炼焦工艺与装备开发”重点项目，从理论研究、技术研发、装备研制等课题入手，历经10余年联合攻关，在清洁高效炼焦工艺、核心装备、智能生产等方面取得重大科技创新成果。研发团队从氮氧化物的生成机理入手，开发出了焦炉生产的数理模型，并采用连续过程、多单元耦合仿真模拟，指导炉体的结构设计，最终设计成的焦炉完全实现了大型化和清洁化的目标。

　　如今，我国炼焦行业不仅不再受制于人，还成功实现了技术和装备的海外输出。目前，该项目成果已经在海内外47个工程中实现系列化应用，成为清洁高效炼焦领域的主导技术，在国内大型焦炉市场的占有率达96%，同时还实现了向海外市场技术与装备输出，海外新建大型焦炉市场占比达60%。

　　不再高污排放

　　中冶焦耐董事长于振东指出，氮氧化物、颗粒物及二氧化硫是炼焦生产中最难控制的污染物，这也是为什么炼焦行业之前被外界视为容易导致环境恶化的行业之一。绿色化、高效化和智能化是未来炼焦技术发展的主要趋势。

　　但由于生成机理复杂，焦炉氮氧化物的控制是一项世界性难题。传统焦炉的标定数据显示，焦炉煤气加热时，废气中氮氧化物的平均含量在1000毫克/立方米以上，低热值煤气加热时在450~650毫克/立方米。据王明登介绍，2008年，我国曾引进德国技术的7.63米焦炉，当时国际焦化领域最先进的炼焦技术可使氮氧化物排放达到350毫克/立方米以下，炉组产能可达200万吨/年以上，而以我国的技术，氮氧化物排放水平只能控制在600~1000毫克/立方米，炉组生产规模仅为德国的3/4。

　　为了解决这个难题，项目研发团队从燃烧理论和仿真分析入手，对焦炉狭长火道内弥散燃烧过程中氮氧化物生成机理进行了研究，并耦合炭化室、燃烧室和蓄热室全结构，开发了复杂结构体系内传热传质、燃烧、流动与煤高温干馏等非稳态过程的模拟分析方法，提出了梯级供给低氮燃烧控制理论，发明了可控梯级供给低氮燃烧均匀加热技术，使烟气中氮氧化物含量降低50%以上，解决了焦炉氮氧化物源头减量治理的世界性难题。

　　据悉，该项目成果不仅为中国炼焦行业的低氮排放、清洁生产提供了解决方案，还为新制定的国家标准《炼焦化学工业污染物排放标准(GB16171-2012)》提供了适用技术。

　　不再高耗低效

　　秉持我国对煤炭资源的高效利用原则，炼焦炉要能够最大限度地节省煤炭资源、提高生产效能。业内人士认为，要实现超大容积焦炉的高效生产，就要先解决两个大问题：一是在7米高的炭化室内，40多吨煤料如何在间壁加热条件下实现均匀供热;二是如何避免为降低氮氧化物含量而使用的分段加热技术对炉体生产顺行性产生不利影响。

　　王明登表示，随着焦炉尺寸的增大，要对煤料进行均匀和适度供热，只能依靠焦炉自身结构对两千多个加热火道内的高温火焰进行精确控制，难度极大。另外，如果一味强调提升生产强度而大大增加供热量，再与新研发的分段加热技术叠加，极易造成炉顶空间温度过高、生产顺行性差等问题。

　　为此，研发团队基于我国炼焦煤的黏结特性、结焦特性和收缩特性，在7米高的加热火道内按煤料成焦需求分段供应热量，发明了新型跨越孔结构，并通过独特的高向温度组合调节技术，实现了高向均匀加热和炉顶温度的有效控制，彻底解决了大型焦炉炉顶空间温度易过高的世界性难题，还显著降低了优质炼焦煤用量。为了实现长向均匀加热，研发团队还将18米长的炭化室墙面，按对应煤料成焦过程的热量需求分割成18个加热单元，实行区域精准供热，研发出炉底气流协调分配技术，发明了上下协同调节的焦炉长向气流分配结构。

　　与之前我国引进的技术相比，这一新技术可降低优质炼焦煤用量7.5%以上，焦炉长向和高向加热均匀，还显著降低了能耗。与此同时，研发团队还开发了以焦炉加热燃气种类远程切换、高温集气系统设备远程操作等无人化关键装备，可减少炼焦生产劳动定员30%，实现了炼焦生产的智能化。

图为该项目在宝钢一期项目中应用。(图片来源：科技部网站)