一、研究的背景與問(wèn)題

煉焦是將煤炭轉化為冶金燃料和化工原料的流程工業(yè)，是鋼鐵、有色等行業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)，工藝復雜。我國是世界焦炭的生產(chǎn)、消費和供應中心，年焦炭產(chǎn)量超4.7億噸，占全球總產(chǎn)量的68%以上。2017年中冶焦耐牽頭完成的“超大容積頂裝焦爐技術(shù)與裝備的開(kāi)發(fā)及應用”榮獲2017年冶金科技特等獎，在促進(jìn)焦化行業(yè)技術(shù)進(jìn)步、提高焦化行業(yè)節能減排水平、實(shí)現焦化產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化等方面取得了創(chuàng )新性成果。但長(cháng)期以來(lái)，我國煉焦工業(yè)仍存在著(zhù)能源消耗量大、降碳壓力大，焦爐使用年限短，煉焦過(guò)程超低排放控制水平低等突出問(wèn)題，具體表現為：（1）焦爐加熱產(chǎn)生的NOx生成機理復雜、影響因素多，使焦爐NOx源頭生成量居高不下。（2）煉焦作為鋼鐵生產(chǎn)能源轉換中心，能源消耗量大。煉焦能耗占全國能源消耗總額的1.14%，節能降碳壓力巨大。（3）國際焦化技術(shù)強國焦爐的服役壽命普遍在35～40年，而我國焦爐壽命偏短，多在20～25年。（4）針對焦爐煙氣末端治理，半干法/干法脫硫+SCR脫硝無(wú)法實(shí)現多污染物協(xié)同脫除，運行過(guò)程中需要消耗大量催化劑和還原劑，運行成本高，且會(huì )產(chǎn)生二次廢棄物。為提高我國焦化行業(yè)的綠色低碳水平，實(shí)現行業(yè)自身的可持續發(fā)展，急需研發(fā)能夠實(shí)現減污降碳協(xié)同治理的煉焦新技術(shù)。

二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案

圖1 研發(fā)思路

本項目依托國家重點(diǎn)研發(fā)計劃，針對焦爐煙氣NOx源頭生成量高、煉焦過(guò)程節能降耗、爐體服役周期短、傳統脫硫脫硝無(wú)法多污染物協(xié)同脫除等突出問(wèn)題，基于低氮燃燒理論、焦爐加熱均勻性調控機制、爐體強度熱-力穩定性解構模型、活性炭強化脫硝機理等理論研究，研發(fā)NOx源頭減量控制、低能耗煉焦、爐體長(cháng)壽清潔生產(chǎn)、活性炭高效脫硝多污染物協(xié)同控制等新技術(shù)、新材料、新工藝和新裝備，實(shí)現綠色低碳煉焦技術(shù)集成，并應用于示范工程，項目研發(fā)思路如圖1。

三、主要創(chuàng )新性成果

1、深化焦爐NOx生成機理研究，研發(fā)源頭減量控制技術(shù)，實(shí)現超低排放

針對熱力型NO生成機理，建立焦爐NOx生成模型，發(fā)明燃燒室內空氣梯級供給技術(shù)、助燃空氣流量精確分配調節技術(shù)（圖2），從源頭控制NOx生成總量顯著(zhù)減少；深化研究爐內廢氣循環(huán)對NOx生成的影響機理，發(fā)明環(huán)抱型廢氣循環(huán)孔結構（圖3、4），加強廢氣與空氣摻混，降低助燃氣體中氧氣濃度，減少NOx生成；研發(fā)爐外廢氣循環(huán)技術(shù)，降低入爐助燃氣體氧含量，控制燃燒強度，優(yōu)化燃燒溫度場(chǎng)，顯著(zhù)減少焦爐煤氣加熱條件下NOx生成。以上源頭減量控制技術(shù)，實(shí)現焦爐煤氣加熱條件下煙氣中NOx平均含量不高于260mg/m³，貧煤氣加熱條件下煙氣中NOx含量不高于150mg/m³，優(yōu)于國內現有先進(jìn)技術(shù)50%以上。

a.單熱式焦爐?b.復熱式焦爐貧煤氣加熱c.復熱式焦爐焦爐煤氣加熱

圖2 不同加熱條件下的空氣供入結構

圖3 環(huán)抱型廢氣循環(huán)孔?圖4 廢氣循環(huán)氣流

2、發(fā)明多節點(diǎn)耦合調節供熱技術(shù)、研發(fā)應用新型耐火材料，降低煉焦能耗5%

通過(guò)仿真模擬優(yōu)化焦爐燃燒室長(cháng)向氣流分布，發(fā)明斜道出口、空氣分段出口調節（圖5）協(xié)同蓄熱室底部流量調節（圖6）的多節點(diǎn)耦合調節技術(shù)，實(shí)現長(cháng)向氣流的精準分配，控制燃燒供給精確配比，實(shí)現焦餅長(cháng)向溫差≤50℃，焦爐橫排溫度系數≥0.95；研發(fā)應用高導熱硅磚、硅質(zhì)隔熱磚、納米級保溫涂料和爐門(mén)涂釉澆注料等新型耐火材料（見(jiàn)圖7-圖9），強化爐墻傳熱、減少焦爐散熱，使大型焦爐的熱工效率由75.5%提高到77%。實(shí)現濕煤煉焦耗熱量≤2325kJ/kg，優(yōu)于國際先進(jìn)水平3.75%.

圖5 斜道出口調節?圖6 蓄熱室底部流量調節

圖7 高導熱硅磚?圖8 納米保溫涂料?圖9 粘土磚與涂釉澆注料塊對比

3、研發(fā)焦爐長(cháng)壽清潔生產(chǎn)技術(shù)，延長(cháng)焦爐服役周期15年，減少煉焦無(wú)組織污染物排放10%

構建燃燒室全尺寸結構熱-力穩定性解構模型（見(jiàn)圖10），耦合兩側炭化室物料干鎦周期性壓力分布，研發(fā)整體鑲嵌式大咬合焦爐燃燒室結構，代替原有溝舌結構，大幅提高燃燒室整體結構強度及穩定性，優(yōu)化護爐壓力分布與傳力設備，提高爐墻極限側負荷10%以上，使焦爐壽命提升15年以上；研發(fā)保護板、爐門(mén)框及爐門(mén)關(guān)鍵密封裝備系統性預補償技術(shù)，降低密封設備熱形變、擬合密封設備在不同溫度場(chǎng)下閉合曲線(xiàn)，使爐門(mén)泄漏率降低0.5個(gè)百分點(diǎn)；應用液體空壓密封技術(shù)（見(jiàn)圖11），采用混有超細硅質(zhì)密封干粉的新型液體材料，經(jīng)高壓空氣噴入炭化室，高溫下發(fā)生系列物理化學(xué)反應，形成陶瓷硅質(zhì)結合層，堵塞爐墻微裂縫，提高砌體密封性爐墻竄漏率降低2%。

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圖10 燃燒室受力分析

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圖11 液體空壓密封技術(shù)處理前后對比

4、明晰活性炭高效脫硝及多污染物協(xié)同控制反應機制，研發(fā)活性炭吸附及再生關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現末端高效協(xié)同治理

采用理論與實(shí)驗相結合的手段，研究活性炭高效脫硝、多污染物協(xié)同控制反應機制，開(kāi)發(fā)脫硫脫硝反應分區及活性炭移動(dòng)分層控制的吸附反應器（見(jiàn)圖12-圖14），研發(fā)高效傳熱低炭耗的解吸反應器，實(shí)現工業(yè)應用活性炭脫硝效率＞80%，多污染物排放指標遠優(yōu)于超低排放限值；研發(fā)焦爐煙氣二段式導熱油余熱利用技術(shù)（見(jiàn)圖15），回收煙氣余熱超10000噸標煤/年，相當于減排CO2超2.6萬(wàn)噸/年。

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圖12 活性炭反應分區及移動(dòng)分層控制吸附反應器

圖13 吸附塔進(jìn)出口結構優(yōu)化前后氣流分布?圖14 保溫與絕熱條件下設備壁面溫度分布

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圖15 二段式導熱油煙氣熱回收系統流程

項目獲授權專(zhuān)利83件（其中發(fā)明專(zhuān)利27件）；形成行業(yè)標準2部、團體標準3部、行業(yè)專(zhuān)有技術(shù)6項；發(fā)表學(xué)術(shù)論文27篇；經(jīng)成果評價(jià)，達到國際領(lǐng)先水平；項目成果獲中國專(zhuān)利優(yōu)秀獎、大連科技進(jìn)步一等獎和中冶集團科學(xué)技術(shù)一等獎，應用成果的工程設計獲行業(yè)優(yōu)秀設計一等獎8項。

四、應用情況與效果

項目成果于2019年首先應用于首鋼京唐二期示范工程。截止目前，項目成果已經(jīng)成功應用于河鋼集團、寶武鋼鐵、阿米集團哈薩克斯坦AMT、印度JSOL公司、印度TATA、鞍鋼集團等海內外65個(gè)焦化工程項目，總產(chǎn)能11800萬(wàn)噸，達到的主要技術(shù)指標如下表所示。

項目成果與國內外先進(jìn)技術(shù)相比，部分指標相當，關(guān)鍵指標優(yōu)異，如下表所示：

表1 國內外同類(lèi)技術(shù)指標對比

從上表可見(jiàn)，焦爐煤氣加熱時(shí)，廢氣中NOx含量比國內先進(jìn)值改善近50%，貧煤氣加熱時(shí)，比國內先進(jìn)值改善50%以上。焦餅高向、長(cháng)向溫差指標與國際先水平相當，橫排系數大于等于0.95。濕煤煉焦耗熱量比現有國內先進(jìn)值改善5%，優(yōu)于國際先進(jìn)水平3.75%。焦爐爐門(mén)泄露率比國內先進(jìn)值改善0.5個(gè)百分點(diǎn)。焦爐煙氣活性炭法脫硝效率比國內先進(jìn)值改善10~20個(gè)百分點(diǎn)，工業(yè)應用活性炭煙氣脫硝效率最高。經(jīng)脫硫脫硝高效處理后外排煙氣中污染物濃度遠優(yōu)于我國超低排放限值（NOx、SO₂及顆粒物濃度分別≤150、≤30、≤10mg/m³）及國外排放指標。

項目研發(fā)成果在焦爐減污降碳方面優(yōu)勢明顯，與國外先進(jìn)技術(shù)相比，關(guān)鍵指標優(yōu)異，整體技術(shù)居國際領(lǐng)先水平。

項目研發(fā)的氮氧化物源頭減排技術(shù)，使焦爐煙囪排放廢氣中NOx含量大幅降低，對應技術(shù)應用的65個(gè)焦化工程，每年可減排NOx 4萬(wàn)噸。研發(fā)的高效爐體密封技術(shù)和裝備，使焦爐無(wú)組織污染物排放量減少10%，降低了煉焦過(guò)程環(huán)境負荷；使煉焦耗熱量比原有國內先進(jìn)水平改善5%，按11800萬(wàn)噸/年焦炭產(chǎn)能計算，每年可節約焦爐煤氣5.36億立方米、貧煤氣18.9億立方米，節約煤氣成本8.5億元，直接減排NOx 2963噸，粉塵166噸，SO₂311噸；折合標準煤507萬(wàn)噸，相當于減排CO₂1318萬(wàn)噸，項目成果的推廣應用可大幅提高行業(yè)綠色低碳水平。

信息來(lái)源：中冶焦耐（大連）工程技術(shù)有限公司