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研发清洁高效炼焦技术，是摆在中国焦化行业面前的一道难题。 钢铁是国民经济的基础工业，炼焦是钢铁工业的支柱产业。近年来我国年产焦炭约4.5 亿吨，占世界焦炭产量的70%。 作为焦炭生产及出口大国，直到21世纪初，我国的炼焦技术与国际先进水平却仍存在较大差距，在支撑冶金、化工和机械制造等行业高速发展的同时面临尴尬的现实——污染物排放量大、资源与能源利用效率低、技术装备水平落后，无法满足钢铁工业绿色升级的战略要求。 由此，研发清洁高效炼焦技术，便是摆在中国焦化行业面前的一道难题。 不久前，“清洁高效炼焦技术与装备的开发及应用”项目，获得2018年国家科技进步奖一等奖。 焦炉大型化亟待解决 焦炉大型化是焦化行业技术升级的必由之路，大规模集中化生产可以有效降低焦化过程中的污染物排放量。 根据中国炼焦行业协会统计数据，在2003年初，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%，单元生产能力最大的是100万吨规模炉型。而早在上个世纪80年代，德国、日本便开始大量建设单元生产能力150万吨以上规模的焦炉，中国炼焦技术和与国际先进水平差距接近30年。 2003年，德国大容积焦炉技术进入中国，于2006年投产使用，并迅速占领大型焦炉市场，其炼焦技术可使氮氧化物排放达到350毫米/立方米以下，炉组产能可达200万吨以上。然而引进技术也存在一些问题，如引进技术原是为德国鲁尔地区煤种开发设计的产品，存在吃精料的问题，即优质炼焦煤配入量大，如换成国内传统配煤，则生产存在问题。 清洁炼焦技术被国外垄断、优质炼焦煤消耗量大、生产顺行性差等不利因素都共同指向一条路：自主研发适用我国炼焦煤资源特征的清洁高效炼焦技术。 走一条符合国情的清洁高效炼焦技术 2008年，中冶焦耐工程技术有限公司、北京科技大学、鞍山钢铁集团有限公司三家联合，以“超大容积顶装焦炉技术与装备开发”为题，申请国家“863”计划资源环境技术领域的重点项目。该项目于2009年12月获批，鞍山、北京两地联动，设计院、高校、生产企业紧密合作，依托国内焦化龙头企业的生产实践，深入探索焦炉加热技术和清洁生产技术的深层次机理，实现工程技术创新。这支完美实现产学研一体的创新团队，为实现清洁高效炼焦技术与装备的开发及应用打下了坚实的基础。 中冶焦耐副总工程师王明登在采访中向《中国科学报》介绍说，要研发适合中国国情的清洁炼焦技术，需要解析焦炉内传热、燃烧、流动机理，从源头上解决焦炉氮氧化物污染的问题。 焦炉炭化室长18米、高7米、宽0.5米，在间接加热的条件下，如何才能将里面的煤料实现适度和均匀的供热，进而快速均匀地炼焦？ 这是摆在科研人员面前的第一道难题。王明登解释说，焦炉尺寸越大，对其内部温度有效控制的难度越大。如果焦炉内局域火焰温度过高，不仅耗热量大、能耗大，更重要的是氮氧化物会大量生成，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，不能保证产品质量。 中冶焦耐将根据多年工程经验设计的焦炉产品与边界条件交到北京科技大学的手里，委托其对清洁炼焦的关键问题进行有针对性的研究，以找到最佳设计参数。北京科技大学承担了大型焦炉炼焦全过程的数值模拟、炼焦过程及其关键设备的模拟、优化和设计软件的研制等工作，北京科技大学教授张欣欣在接受《中国科学报》采访时表示，为了保证炭化室数百平方米的加热面积温度差控制在正负5摄氏度之内，他们对焦炉的长向加热和高向加热提出多种控制方案与优化模型，从中选出最优方案，最终才实现了精准的温度控制。 在仿真平台的基础上，研发团队开发了炭化室煤热解模型、炉顶空间温度综合控制技术、炉底气流协调分配技术，解决影响大型焦炉均匀加热和生产顺行的关键技术难题，开发出适用中国炼焦煤资源的高效炼焦炉体技术，最终使炼焦规模产能提升50%以上、节约优质炼焦煤资源7.5%以上。 在高效炼焦技术装备方面，研发团队作了大量卓有成效的工作，研发了高严密、自适应密封关键装备，使不同温度场的工艺部件热变形拟合一致，保证焦炉严密、完整；开发了集气系统远程操作、煤气远程切换等系列无人化装备技术；创建了炼焦智能多层管理系统、焦炉模拟仿真系统、专家诊断系统，在充分考虑时效性的条件下，对炼焦生产进行预判、控制和诊断，保持生产过程稳态化，实现炼焦生产从基础控制到智能管理的跨越。 技术已输出海外 鞍钢四期焦炉项目于2010年8月开工建设；2011年8月，焦炉点火烘炉；2012年4月，项目一次性投产、达产。鞍钢炼焦总厂首席工程师甘秀石向《中国科学报》强调，鞍钢焦化四期焦炉项目集成了多项创新技术，“绝非普通意义上的焦炉升级改造”。 他介绍说，新型焦炉一投产就实现了安全生产、清洁环保、稳定运行。创新技术并成功在鞍钢焦化五期改造推广应用，全面完成鞍钢炼焦的技术升级，走向了高质量发展之路。新增优质产能300万吨/年，占比达到鞍钢本部焦炭产能41%。同时焦炭质量大幅度提升，增效降本明显。焦炭冷态指标M40达到89%以上、M10为6.2%以下；焦炭热态指标反应性为23.0%以下；反应后强度达到65.0%以上。焦炭质量的提高，降低了高炉炼铁焦比1.5%，提高炼铁生产能力0.5%，每年产生延伸经济效益达8575万元。 在环保水平和劳动效率的提升也非常显著。低氮燃烧技术降低了废气中NOx的含量，混合煤气加热时含量为330mg/Nm3，低于国家标准的500mg/Nm3。焦炉实现超大容积化，单孔产焦量提高46.5%，劳动生产率提高30%以上。 中国清洁高效炼焦技术不仅不再受制于人，并且实现了海外输出，在台塑越南河静、印度TATA 和JSW 等47个海内外项目中实现系列化应用，实现国内大型焦炉市场占有率达96%，近十年来在海外市场占有六成份额。 绿水青山就是金山银山，实现清洁高效炼焦，打造绿色未来。在该项目的带领下，中国大型焦炉占比从15%增长至52%，平均每家焦化企业生产规模提升了3.8倍；每年节约优质炼焦煤1290万吨；每年节约焦炉煤气3.8亿立方米、高炉煤气18.6亿立方米（合50万吨标准煤）；显著减少污染物排放，实现清洁生产，每年减排氮氧化物45000吨、二氧化碳173万吨。 （逍遥客） |
