國家科技獎化工設(shè)備成果報道③大焦?fàn)t讓煉焦清潔高效

在2018年國家科學(xué)技術(shù)獎的評比中，中冶焦耐工程技術(shù)有限公司牽頭、北京科技大學(xué)和鞍山鋼鐵集團(tuán)公司共同完成的“清潔高效煉焦技術(shù)與裝備的開發(fā)及應(yīng)用”項目一路過關(guān)，斬獲國家科技進(jìn)步一等獎。該項目旨在解決煉焦行業(yè)清潔高效生產(chǎn)的關(guān)鍵問題，為我國煉焦領(lǐng)域的集成化、綠色化和高質(zhì)量發(fā)展起到了重要支撐作用。根據(jù)科技部公布的數(shù)據(jù)，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(dá)40億元，同時，我國煉焦行業(yè)產(chǎn)業(yè)集中度提升了3.8倍、污染物減排了12%、優(yōu)質(zhì)資源消耗降低了7.5%、能耗下降了4%.項目技術(shù)呈現(xiàn)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(jī)械制造的重要行業(yè)，因其高消耗、高排放，近年來轉(zhuǎn)型升級壓力越來越大。中冶焦耐副總工程師王明登表示，焦?fàn)t大型化是焦化行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要途徑之一，應(yīng)用大焦?fàn)t，才能實現(xiàn)大規(guī)模集中化生產(chǎn)，達(dá)到清潔和高效的目標(biāo)。

　　據(jù)中國煉焦行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，20世紀(jì)初，我國焦?fàn)t仍以中小型為主，大型焦?fàn)t產(chǎn)能僅占全國焦炭總產(chǎn)能的15%左右，焦?fàn)t高度不超過6米。到2008年，我國7米高的焦?fàn)t還需要從國外引進(jìn)。而上世紀(jì)80年代，德國、日本就已經(jīng)開始大量建設(shè)高度超過7米的焦?fàn)t。

　　要研發(fā)7米級焦?fàn)t，不只是造一個體積更大的爐子那么簡單，關(guān)鍵是需要解析焦?fàn)t內(nèi)傳熱、燃燒、流動和煤高溫干餾過程機(jī)理，解決超大型炭化室如何對煤料實現(xiàn)適度均勻供熱和快速均勻煉焦的問題。焦?fàn)t尺寸越大，對其內(nèi)部溫度進(jìn)行有效控制的難度就越大。如果焦?fàn)t內(nèi)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(xiàn)源頭減排，甚至?xí)龎臓t體；如果溫度過低或者溫度不均勻，則會出現(xiàn)生焦，不能保證生產(chǎn)質(zhì)量。

　　為此，中冶焦耐聯(lián)合北京科技大學(xué)、鞍山鋼鐵集團(tuán)，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(shù)研發(fā)、裝備研制等課題入手，歷經(jīng)10余年聯(lián)合攻關(guān)，在清潔高效煉焦工藝、核心裝備、智能生產(chǎn)等方面取得重大科技創(chuàng)新成果。研發(fā)團(tuán)隊從氮氧化物的生成機(jī)理入手，開發(fā)出了焦?fàn)t生產(chǎn)的數(shù)理模型，并采用連續(xù)過程、多單元耦合仿真模擬，指導(dǎo)爐體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，*終設(shè)計成的焦?fàn)t完全實現(xiàn)了大型化和清潔化的目標(biāo)。

　　如今，我國煉焦行業(yè)不僅不再受制于人，還成功實現(xiàn)了技術(shù)和裝備的海外輸出。目前，該項目成果已經(jīng)在海內(nèi)外47個工程中實現(xiàn)系列化應(yīng)用，成為清潔高效煉焦領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)，在國內(nèi)大型焦?fàn)t市場的占有率達(dá)96%，同時還實現(xiàn)了向海外市場技術(shù)與裝備輸出，海外新建大型焦?fàn)t市場占比達(dá)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(chǎn)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(dǎo)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(shù)發(fā)展的主要趨勢。

　　但由于生成機(jī)理復(fù)雜，焦?fàn)t氮氧化物的控制是一項世界性難題。傳統(tǒng)焦?fàn)t的標(biāo)定數(shù)據(jù)顯示，焦?fàn)t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(jù)王明登介紹，2008年，我國曾引進(jìn)德國技術(shù)的7.63米焦?fàn)t，當(dāng)時國際焦化領(lǐng)域*先進(jìn)的煉焦技術(shù)可使氮氧化物排放達(dá)到350毫克/立方米以下，爐組產(chǎn)能可達(dá)200萬噸/年以上，而以我國的技術(shù)，氮氧化物排放水平只能控制在600~1000毫克/立方米，爐組生產(chǎn)規(guī)模僅為德國的3/4.

　　為了解決這個難題，項目研發(fā)團(tuán)隊從燃燒理論和仿真分析入手，對焦?fàn)t狹長火道內(nèi)彌散燃燒過程中氮氧化物生成機(jī)理進(jìn)行了研究，并耦合炭化室、燃燒室和蓄熱室全結(jié)構(gòu)，開發(fā)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系內(nèi)傳熱傳質(zhì)、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(shù)，使煙氣中氮氧化物含量降低50%以上，解決了焦?fàn)t氮氧化物源頭減量治理的世界性難題。

　　據(jù)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(chǎn)提供了解決方案，還為新制定的國家標(biāo)準(zhǔn)《煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB16171-2012）》提供了適用技術(shù)。

　　不再高耗低效

　　秉持我國對煤炭資源的高效利用原則，煉焦?fàn)t要能夠*大限度地節(jié)省煤炭資源、提高生產(chǎn)效能。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，要實現(xiàn)超大容積焦?fàn)t的高效生產(chǎn)，就要先解決兩個大問題：一是在7米高的炭化室內(nèi)，40多噸煤料如何在間壁加熱條件下實現(xiàn)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(shù)對爐體生產(chǎn)順行性產(chǎn)生不利影響。

　　王明登表示，隨著焦?fàn)t尺寸的增大，要對煤料進(jìn)行均勻和適度供熱，只能依靠焦?fàn)t自身結(jié)構(gòu)對兩千多個加熱火道內(nèi)的高溫火焰進(jìn)行*控制，難度極大。另外，如果一味強(qiáng)調(diào)提升生產(chǎn)強(qiáng)度而大大增加供熱量，再與新研發(fā)的分段加熱技術(shù)疊加，極易造成爐頂空間溫度過高、生產(chǎn)順行性差等問題。

　　為此，研發(fā)團(tuán)隊基于我國煉焦煤的黏結(jié)特性、結(jié)焦特性和收縮特性，在7米高的加熱火道內(nèi)按煤料成焦需求分段供應(yīng)熱量，發(fā)明了新型跨越孔結(jié)構(gòu)，并通過獨特的高向溫度組合調(diào)節(jié)技術(shù)，實現(xiàn)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?fàn)t爐頂空間溫度易過高的世界性難題，還顯著降低了優(yōu)質(zhì)煉焦煤用量。為了實現(xiàn)長向均勻加熱，研發(fā)團(tuán)隊還將18米長的炭化室墻面，按對應(yīng)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(zhǔn)供熱，研發(fā)出爐底氣流協(xié)調(diào)分配技術(shù)，發(fā)明了上下協(xié)同調(diào)節(jié)的焦?fàn)t長向氣流分配結(jié)構(gòu)。

　　與之前我國引進(jìn)的技術(shù)相比，這一新技術(shù)可降低優(yōu)質(zhì)煉焦煤用量7.5%以上，焦?fàn)t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(tuán)隊還開發(fā)了以焦?fàn)t加熱燃?xì)夥N類遠(yuǎn)程切換、高溫集氣系統(tǒng)設(shè)備遠(yuǎn)程操作等無人化關(guān)鍵裝備，可減少煉焦生產(chǎn)勞動定員30%，實現(xiàn)了煉焦生產(chǎn)的智能化。