为了绿水青山 造个不一样的焦炉

近日，由中国冶金科工集团所属中冶焦耐工程技术有限公司牵头，联合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”项目荣获2018年度国家科技进步一等奖。

清洁高效炼焦真的这么重要吗？为什么能够获得国家科技进步奖一等奖？它对国计民生会产生哪些影响？带着这些问题记者采访了相关专家。

开发清洁炼焦关键技术

所谓炼焦又称煤炭高温干馏，通俗讲就是以烟煤为原料，在隔绝空气条件下加热到1000℃左右，经过高温干馏生产焦炭，同时获得煤气和煤焦油、粗苯等化工产品的一种煤转化工艺。焦炭是炼焦最重要的产品，可以作为高炉炼铁的还原剂、热源、料柱骨架和供碳剂。

长期以来，我国炼焦工业存在着环保水平低、大型焦炉占比小、能耗高、优质炼焦煤资源短缺等突出问题。

国家科学技术进步奖一等奖获得者、中冶焦耐董事长于振东介绍，氮氧化物、颗粒物及二氧化硫是造成大气环境恶化、雾霾天气频现的重要原因之一，前两者也是炼焦生产中最难控制的污染物，这也是为什么炼焦被看成容易导致环境恶化的重点行业之一。

在于振东看来，绿色化、高效化和智能化是未来炼焦技术发展的主要趋势，“近几年的大规模产业化应用证明，我们开发的清洁高效炼焦技术，推动了行业的健康、快速和高质量发展。”

由于生成机理复杂，焦炉氮氧化物的控制属世界性技术难题。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。按此计算，2003年我国炼焦约排放22万吨氮氧化物。

于振东说：“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研究，耦合炭化室、燃烧室和蓄热室全结构，开发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，获得焦炉多室、多过程间的相互耦合及关联机制，掌握不同种类煤气氮氧化物生成与火焰燃烧温度、空气过剩系数和高温区域停留时间的影响规律，提出梯级供给低氮燃烧控制理论，发明可控梯级供给低氮燃烧均匀加热技术，使烟气中氮氧化合物降低50%以上，解决焦炉氮氧化物源头减量治理的世界性技术难题。”项目成果为中国炼焦行业的低氮排放、清洁生产提供了解决方案，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。

均匀分段加热促高效炼焦

在实现炼焦高效生产的征途中，有两个拦路虎，一个是如何将18米长、7米高、0.5米宽的炭化室内40多吨煤料在间壁加热条件下实现均匀供热，即在高度和长度方向实现快速均匀炼焦；另外一个是如何避免为降低氮氧化物生成而新研发的分段加热技术对炉体生产顺行性可能产生的不利影响，如何实现高效生产与中国炼焦煤资源间的协同发展。

在业内人士看来，这并非易事。中冶焦耐副总工程师王明登介绍说，随着焦炉尺寸的显著增大，受火焰长度及温度梯度影响，要对煤料进行均匀且适度供热，在无法实施外部干预的情况下，只能依靠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。如果焦炉内局部火焰温度过高，不仅耗热量高、能耗大，而且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。这之间的平衡必须拿捏准确。另外，如果一昧强调提升生产强度而显著增加供热量，再与新研发的分段加热技术叠加，极易造成炉顶空间温度高、生产顺行性差等诸多难题，这在我国本世纪初从国外引进的焦炉上得到明显验证。

王明登表示，为了研发出符合中国炼焦煤特征的高效炼焦技术、突破资源瓶颈制约，研发团队基于中国炼焦煤的黏结特性、结焦特性和收缩特性，建立炭化室煤热解模型，开发“炉顶温控-加热水平匹配”的耦合模拟分析方法，将入炉煤料的收缩率与炉体加热水平相匹配，选择最适宜中国炼焦煤的加热强度和炉体关键结构尺寸，在7米高的加热火道内按煤料成焦需求分段供应热量，发明新型跨越孔结构，并通过独特的高向温度组合调节技术，不仅实现了高向均匀加热，而且实现了炉顶温度的有效控制，彻底解决大型焦炉炉顶空间温度极易过高的世界性难题，使生产顺行的同时，还显著降低优质炼焦煤用量。

为了实现长向的均匀加热，研发团队将18米长的炭化室墙面按对应煤料成焦过程的热量需求并考虑炉体散热，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，发明上、下协同调节焦炉长向气流分配结构，解决大型焦炉长向均匀加热的技术难题。

与引进技术相比，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，不仅改善焦炭质量，而且降低炼焦能耗。通过解决影响焦炉均匀加热和阻碍生产顺行这两项制约高效生产的关键术难题，不仅将单元规模产能提升了50%，还很好地解决了高效生产与我国炼焦煤资源特征间的协同问题。