[科学技术]造一座大焦炉，为后代留下一片蓝天

造大焦炉，给后人留下蓝天——中冶焦耐清洁高效炼焦技术研发纪实

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①攀钢西昌6.25米大容量捣固焦炉

②鞍钢鲅鱼圈钢铁项目年产255万吨炼焦工程用4×52孔jn70-2焦炉

③台塑越南合景钢铁焦化项目

④鞍钢第五焦化大修工程

⑤中冶交奈大连办公楼

⑥宝钢湛江焦化煤气精制项目

⑦国家863配套项目安钢四期焦化总承包项目

钟叶娇奈鞍山办公楼

中冶焦耐工程技术有限公司(简称阿克里)成立于1953年，是世界500强企业中国冶金科工集团公司的控股子公司，是一家具有完善的技术集成和设备集成功能的国际工程公司。

中冶的抗焦技术业务涵盖焦化化学、耐火材料、石灰、市政建筑及环境工程、自动控制等。是为用户提供工程技术咨询、设计、监理、成套设备、总承包等全方位服务的科技型企业。也是国家级企业技术中心。

公司具有建设项目工程设计、工程咨询、工程造价咨询、工程监理、环境影响评价等甲级资质，并取得质量、环境和职业健康安全管理体系认证。为用户提供工程技术咨询、设计、监理、成套设备、总承包等全方位服务。技术业务领域包括:煤炭碳化、煤气化、气体净化、气体转化和化工产品深加工；焦炉鉴定和热修；储配气及管网；耐火材料和石灰；自动化工程；市政环保工程；民用建筑；环境影响评估。

到目前为止，中冶焦耐在国内提供设计和工程总承包项目:2000余台焦炉，年生产能力7亿吨以上；有耐火材料厂300多家，年生产能力800多万吨；现有石灰窑400多座，年生产能力6000多万吨。

2017年8月8日是中冶焦耐工程技术有限公司(以下简称中冶焦耐)值得骄傲的一天。中国钢铁协会、中国冶金学会将2017年冶金科学技术奖特别奖授予中冶焦耐“超大容积顶装焦炉技术装备开发与应用”项目。

冶金科学技术奖是中国冶金行业最高的科学技术奖。“超大容积顶装焦炉技术设备开发与应用”项目经过层层评估，已在70多个项目中脱颖而出。

这个奖来之不易。它是中冶焦耐在焦化领域60多年辛勤劳动和积累的结晶，是中冶焦耐10多年技术攻关和推广的产物。

尴尬的发展现实

说起焦炉，你可能会奇怪。但是几乎所有的大型钢厂都有。

焦炉是生产焦炭的必要设备。在焦炉的炭化室中，煤通过隔离/加热加热到1000℃左右，经过干燥、热解、软化熔化、粘结、固化、收缩等阶段，形成焦炭、煤气、煤焦油和粗苯。这个过程叫做焦化。然后，焦炭被输送到高炉，作为还原剂、热源、料柱骨架和碳供体参与炼钢。国内外大多数钢铁企业采用“铁矿石-高炉炼铁-转炉炼钢-轧钢-成品钢”的长流程生产工艺，统称为“联合企业”。一般来说，冶炼1吨生铁大约需要0.4-0.5吨焦炭。世界范围内，80%的焦炭用于炼铁，我国这一比例达到90%。可以说，在钢铁生产的漫长过程中，炼焦是一个不可缺少的过程。

作为钢铁大国，中国也是焦炭大国。据国家统计局统计，2016年中国焦炭产量为44911.5万吨，占世界焦炭总产量的69%以上，成为世界上最大的焦炭生产、消费和出口中心。

在支撑冶金、化工、机械制造业快速发展的同时，焦化行业面临着尴尬的发展现实:资源能源消耗大，污染物排放量大。焦炭生产排放的大量废水、废气、苯并芘等有害污染物威胁着焦炭生产区人民的健康。“焦化生产过程中排放的粉尘和氮氧化物是造成雾霾污染的罪魁祸首之一，减排压力巨大。”中冶焦耐副总工程师王表示，中国焦化行业转型升级迫在眉睫。

2004年，为了有效改善大气环境质量，中华人民共和国环境保护部着手制定焦化行业污染物排放标准，并对焦炉烟囱烟气污染物含量提出了更严格的排放要求。然而，焦炉烟气中氮氧化物的生成机理复杂，难以控制。当时国内新建焦炉没有满足氮氧化物排放限值的适用技术，导致该标准从2005年最初起草到2012年最终发布，一直没有得到业界的认可。

这个标准的难产反映了我国焦化行业的技术瓶颈。长期以来，我国炼焦技术和设备与国际先进水平相比存在一些突出问题，如大焦炉产能比重小、工业集中度低、能耗高、污染严重等。

大规模焦化是世界焦化行业的共识。“使用大型焦炉可以生产优质焦炭，大规模集中生产可以减少炼焦过程中的污染物排放。”王说，据中国焦化行业协会统计，2003年初，我国焦炉仍以中小型为主，大型焦炉的生产能力仅占全国焦炭总产量的15%，最大的生产能力是炭化室高度为6米的焦炉。“20世纪80年代，德国和日本开始大量建造高度超过7米的焦炉。本世纪初，中国的炼焦技术和设备落后于国际先进水平近30年。”

焦化“国家队”探索焦化清洁生产

正是在上述背景下，中冶焦耐开始了7米焦炉研发的艰难历程。

中冶焦耐成立于1953年，是一家技术集成和设备集成功能完善的国际工程公司，是中国焦化工程技术的创始人、开发者和领导者。见证了中国焦化的起步、发展和壮大。

王表示，作为中国焦化行业的“国家队”，中冶焦耐早就认识到，焦化行业实现节能减排的根本途径是开发适合中国国情的高效清洁的焦化工艺和设备技术，并尽快应用于焦化建设项目改造，使焦化行业实现高效清洁生产。

这是焦化领域一场持续的环境革命。

上世纪80年代，中冶焦耐先后开发出具有自主知识产权的焦炉，炭化室高5.5米、6米，积累了丰富的大容量焦炉建设和生产经验。2004年，时任中冶焦耐工程技术有限公司董事长的余振东提出研发中国最新的超大容量7米焦炉，用最先进的技术引领中国焦化行业的发展。

然而，2008年第一代7米焦炉投产后，与世界一流焦炉的差距仍然令人担忧。当时国际焦化领域最先进的焦化技术可以使氮氧化物的排放量达到350mg/m3以下，锅炉群的容量可以达到200万吨以上。“技术被一家德国公司垄断，我们的氮氧化物排放控制水平在600-1000 mg/m3，炉组生产规模只有德国的3/4。”王回忆道。

中冶焦耐针对世界最先进的炼焦技术指标，如比能耗、比产品质量、比炼焦成本、比排放标准、比自动化水平，提出开发具有世界先进水平的新一代超大容积顶装焦炉技术。“焦炉使用寿命超过25年，建成后技术难以升级。所以新建焦炉的技术水平决定了未来20年整个行业的经济和环保水平。”王对说道。

2008年，中冶焦耐正式向国家科技部申请设立国家863计划资源与环境技术领域重点项目，项目名称为“超大容积顶装焦炉技术与设备开发”。2009年12月，经过严格审批，项目正式获批。

从源头上克服焦炉污染问题

2003年初，中国焦化行业面临的现实是，每个焦化企业平均生产规模只有25万吨，不到日本和德国的八分之一，国内企业急需的超大容量焦炉技术只能依靠进口。另一方面，德国和其他国家技术先进的企业向中国销售超大容量焦炉的技术解决方案，但对设计和生产的核心技术只字未提。

中冶焦耐决定不仅要开发适合我国国情的7米焦炉，还要分析焦炉内煤的传热、燃烧、流动和高温干馏机理，从源头上解决焦炉内氮氧化物污染问题。该项目以规模化、清洁化、智能化为目标，确定了从基础理论研究到装备制造技术再到示范项目建设的研究路线:以流体力学、传热学、燃烧和焦化化学理论为基础，建立焦炉炭化室、燃烧室和蓄热系统一体化三维机理模型；通过数值分析和模拟，进行炉膛结构优化和燃烧室缺氧均匀供热研究，达到均匀加热和减少氮氧化物生成的目的，基于固体力学和材料力学理论，优化炉体和护炉铁件结构；发展焦炉机械设备、自动化控制技术等。，完成示范工程的设计和施工，并在示范工程中实现整套技术集成。

研究人员面临的问题是如何在间接加热条件下，实现长18米、高7米、宽0.5米的炭化室内煤的适度均匀加热，从而实现长、高方向的快速均匀结焦。这并非易事。随着焦炉规模的增大，有效控制其内部温度更加困难。如果焦炉内局部火焰温度过高，不仅热耗过高，能耗大，更重要的是会产生大量的氮氧化物，无法做到源头减排，甚至烧坏炉体；如果温度过低或不均匀，就会出现焦炭，产品质量得不到保证。

为了这个目标，来自鞍山、大连、北京的无数专家齐聚一堂。以中冶焦耐为工程技术创新主体，设计院、高校、生产企业紧密合作，形成产学研一体化的技术创新团队。研究团队从氮氧化物的形成机理入手，基于传热学和干馏理论建立了焦炉生产的数学模型，然后采用连续过程和多单元耦合模拟来指导炉体的结构设计。最终设计的焦炉达到了规模化、清洁化的目的。可控串补低氮燃烧均匀加热燃烧技术的研发，使焦炉烟囱烟气中氮氧化物含量达到国际先进水平，污染物排放总量比6 m焦炉减少20%以上；高紧密度炉门密封技术、炉门清洗技术和煤尘控制技术的应用，实现了炼焦清洁生产。

在此过程中，研究团队开发了焦炉全过程仿真设计软件。通过该软件平台，中冶焦耐的专业人员在远端实时模拟了焦炉的运行情况，并提出了调整焦炉运行参数的建议。此外，该平台还可以根据客户的需求和各个项目的实际情况，设计出新型的超大容量焦炉，大大缩短了焦炉的设计时间。新一代焦炉全过程仿真设计软件为我国焦炉的智能化设计和运行提供了技术支持。

2010年7月12日，作为863项目的配套项目，中冶焦耐工程技术有限公司与鞍钢集团公司正式签订了《鞍钢四期焦炉改造工程总承包合同》。2011年8月，项目被炒，2012年4月7日、5月7日投产。所有生产指标均符合设计要求，均符合项目R&D考核指标要求。863项目评估专家组对该项目进行了评估，为促进焦化行业技术进步、提高焦化行业节能减排水平、优化焦化行业结构、综合高效利用资源提供了最新技术。

克服困难的结果对国内外都有好处

四年的辛勤工作取得了丰硕的成果。

该研究项目形成了关键技术研发、示范项目建设、生产运营等一系列具有自主知识产权的技术集群，突破了超大型焦炉的技术瓶颈，形成了焦化技术创新平台，申请发明专利21项，发表学术论文55篇，形成国家技术标准2项，软件版权5项。

“到目前为止，利用项目研发成果建成的超大型焦炉132座，年产焦炭9800万吨，年新增销售2300亿元(含化工副产品)，年增收节支31亿多元，年减入炉煤。成本超过35亿元，累计节约项目投资160多亿元。”王表示，宝武钢铁、鞍钢集团、河北钢铁等国内大型钢铁联合企业都有其存在。

超大容量焦炉广泛应用的社会效益明显:在项目成果指导下，我国大型焦炉比重提高37%，各焦化企业平均生产规模提高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m3，高炉煤气18.6亿m3(50万吨标准煤)；大幅减少污染物排放，实现清洁生产，每年减少氮氧化物4.5万吨，二氧化碳173万吨。

以2016年为例，鞍钢四期两座7米焦炉年产量为152万吨，因炼焦耗热量减少，年节约燃料成本328万元；由于焦炭质量的提高，炼铁的延伸效益每年将增加2300万元。

最重要的是，项目研发成功，改变了中国超大容量焦炉只能进口，受制于人的局面。

在本项目研发成功之前，国内规模最大、技术水平最先进的焦炉是以首钢曹妃甸一期工程为代表的7.63米进口焦炉。“焦炉于2008年投产，技术由德国公司提供。当时，在7米以上的焦炉技术解决方案方面，没有可供选择的本地化计划。”王对说道。

2016年，曹妃甸二期焦炉工程开始招标。中冶焦耐依托最新的研发成果，在短时间内研发出7.65米焦炉，并与德国7.63米焦炉竞争中胜出。与国外提前引进的技术相比，我国自行设计的焦炉优势明显:有“中国人的胃”，更适合我国炼焦煤资源的结构特点；操作维护简单，生产顺畅性好；炼焦能耗低。与引进技术相比，采用国内自主开发的超大容量焦炉技术，将节省直接投资3-4亿元，缩短建设周期4-5个月。

“自从我们的R&D技术普及后，中国不再需要引进外国技术。一方面为中国节省了大量外汇。另一方面，它使中国的超大型焦炉更适合国内炼焦煤资源，生产效率更高。”王表示，目前仍有1000多万吨焦炉在紧张的工程设计和建设中，由于大量中小型焦炉急需升级改造，该技术在中国的潜在市场超过了1.5亿吨的生产规模。

一项优秀技术的市场必然不仅仅局限于国界。

2016年12月29日下午3时30分，越南河静台塑股份有限公司河静钢铁焦化厂2号焦炉成功出焦。这是一台由中冶焦耐设计供应的7米焦炉。标志着台塑越南和静钢铁项目的焦化项目投产，也标志着中冶焦耐开发的7米大容量焦化技术首次出口海外并成功实施。

在全球绿色低碳发展趋势和钢铁行业劣质原料下，中冶焦耐开发的清洁高效炼焦技术将有更广阔的应用前景。