一、研究的背景與問題
煉焦是將煤炭轉化為冶金燃料和化工原料的流程工業,是鋼鐵、有色等行業的支柱產業,工藝復雜。我國是世界焦炭的生產、消費和供應中心,年焦炭產量超4.7億噸,占全球總產量的68%以上。2017年中冶焦耐牽頭完成的“超大容積頂裝焦爐技術與裝備的開發及應用”榮獲2017年冶金科技特等獎,在促進焦化行業技術進步、提高焦化行業節能減排水平、實現焦化產業結構優化等方面取得了創新性成果。但長期以來,我國煉焦工業仍存在著能源消耗量大、降碳壓力大,焦爐使用年限短,煉焦過程超低排放控制水平低等突出問題,具體表現為:(1)焦爐加熱產生的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脫硝無法實現多污染物協同脫除,運行過程中需要消耗大量催化劑和還原劑,運行成本高,且會產生二次廢棄物。為提高我國焦化行業的綠色低碳水平,實現行業自身的可持續發展,急需研發能夠實現減污降碳協同治理的煉焦新技術。
二、解決問題的思路與技術方案
圖1 研發思路
本項目依托國家重點研發計劃,針對焦爐煙氣NOx源頭生成量高、煉焦過程節能降耗、爐體服役周期短、傳統脫硫脫硝無法多污染物協同脫除等突出問題,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NOx源頭減量控制、低能耗煉焦、爐體長壽清潔生產、活性炭高效脫硝多污染物協同控制等新技術、新材料、新工藝和新裝備,實現綠色低碳煉焦技術集成,并應用于示范工程,項目研發思路如圖1。
三、主要創新性成果
1、深化焦爐NOx生成機理研究,研發源頭減量控制技術,實現超低排放
針對熱力型NO生成機理,建立焦爐NOx生成模型,發明燃燒室內空氣梯級供給技術、助燃空氣流量精確分配調節技術(圖2),從源頭控制NOx生成總量顯著減少;深化研究爐內廢氣循環對NOx生成的影響機理,發明環抱型廢氣循環孔結構(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;研發爐外廢氣循環技術,降低入爐助燃氣體氧含量,控制燃燒強度,優化燃燒溫度場,顯著減少焦爐煤氣加熱條件下NOx生成。以上源頭減量控制技術,實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,優于國內現有先進技術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 環抱型廢氣循環孔?圖4 廢氣循環氣流
2、發明多節點耦合調節供熱技術、研發應用新型耐火材料,降低煉焦能耗5%
通過仿真模擬優化焦爐燃燒室長向氣流分布,發明斜道出口、空氣分段出口調節(圖5)協同蓄熱室底部流量調節(圖6)的多節點耦合調節技術,實現長向氣流的精準分配,控制燃燒供給精確配比,實現焦餅長向溫差≤50℃,焦爐橫排溫度系數≥0.95;研發應用高導熱硅磚、硅質隔熱磚、納米級保溫涂料和爐門涂釉澆注料等新型耐火材料(見圖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%。實現濕煤煉焦耗熱量≤2325kJ/kg,優于國際先進水平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、研發焦爐長壽清潔生產技術,延長焦爐服役周期15年,減少煉焦無組織污染物排放10%
構建燃燒室全尺寸結構熱-力穩定性解構模型(見圖10),耦合兩側炭化室物料干鎦周期性壓力分布,研發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;研發保護板、爐門框及爐門關鍵密封裝備系統性預補償技術,降低密封設備熱形變、擬合密封設備在不同溫度場下閉合曲線,使爐門泄漏率降低0.5個百分點;應用液體空壓密封技術(見圖11),采用混有超細硅質密封干粉的新型液體材料,經高壓空氣噴入炭化室,高溫下發生系列物理化學反應,形成陶瓷硅質結合層,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 液體空壓密封技術處理前后對比
4、明晰活性炭高效脫硝及多污染物協同控制反應機制,研發活性炭吸附及再生關鍵技術,實現末端高效協同治理
采用理論與實驗相結合的手段,研究活性炭高效脫硝、多污染物協同控制反應機制,開發脫硫脫硝反應分區及活性炭移動分層控制的吸附反應器(見圖12-圖14),研發高效傳熱低炭耗的解吸反應器,實現工業應用活性炭脫硝效率>80%,多污染物排放指標遠優于超低排放限值;研發焦爐煙氣二段式導熱油余熱利用技術(見圖15),回收煙氣余熱超10000噸標煤/年,相當于減排CO2超2.6萬噸/年。
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圖12 活性炭反應分區及移動分層控制吸附反應器
圖13 吸附塔進出口結構優化前后氣流分布?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
項目獲授權專利83件(其中發明專利27件);形成行業標準2部、團體標準3部、行業專有技術6項;發表學術論文27篇;經成果評價,達到國際領先水平;項目成果獲中國專利優秀獎、大連科技進步一等獎和中冶集團科學技術一等獎,應用成果的工程設計獲行業優秀設計一等獎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個焦化工程項目,總產能11800萬噸,達到的主要技術指標如下表所示。
項目成果與國內外先進技術相比,部分指標相當,關鍵指標優異,如下表所示:
表1 國內外同類技術指標對比
從上表可見,焦爐煤氣加熱時,廢氣中NOx含量比國內先進值改善近50%,貧煤氣加熱時,比國內先進值改善50%以上。焦餅高向、長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值改善5%,優于國際先進水平3.75%。焦爐爐門泄露率比國內先進值改善0.5個百分點。焦爐煙氣活性炭法脫硝效率比國內先進值改善10~20個百分點,工業應用活性炭煙氣脫硝效率最高。經脫硫脫硝高效處理后外排煙氣中污染物濃度遠優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。
項目研發成果在焦爐減污降碳方面優勢明顯,與國外先進技術相比,關鍵指標優異,整體技術居國際領先水平。
項目研發的氮氧化物源頭減排技術,使焦爐煙囪排放廢氣中NOx含量大幅降低,對應技術應用的65個焦化工程,每年可減排NOx 4萬噸。研發的高效爐體密封技術和裝備,使焦爐無組織污染物排放量減少10%,降低了煉焦過程環境負荷;使煉焦耗熱量比原有國內先進水平改善5%,按11800萬噸/年焦炭產能計算,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507萬噸,相當于減排CO21318萬噸,項目成果的推廣應用可大幅提高行業綠色低碳水平。
信息來源:中冶焦耐(大連)工程技術有限公司
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