中国超大容积焦炉诞生记

  不久前，中国钢铁工业协会、中国金属学会颁出2017年度冶金科技奖。作为中国冶金行业最高科学技术的特等奖，七十多个项目共同角逐，最终由中冶焦耐“超大容积顶装焦炉技术与装备的开发和应用”项目获得。

  说到焦炉，很多人会觉得非常陌生。但说到钢铁，大家都知道中国是钢铁大国。焦炭是钢铁生产的还原剂、热源、料柱骨架和供碳剂，一般来说，冶炼1吨生铁大约需要0.4~0.5吨焦炭。从全球范围来看，80%的焦炭都被用于炼铁，中国这一比例更是高达90%。

  焦化是钢铁生产长流程中必不可少的工序，焦炉则是制造焦炭的必备设施。在焦炉炭化室内，煤炭被隔绝空气加热到1000摄氏度左右，并经过干燥、热解、软化熔融、黏结、固化、收缩等阶段，形成焦炭、煤气、煤焦油和粗苯等产品。这样的一个过程被称作炼焦。

  在支撑冶金、化工和机械制造等行业快速地发展的同时，焦化行业也面临着尴尬的发展现实：资源、能源消耗量大，污染物排放量大。焦炭生产排放的废水、废气、苯并芘等大量有害污染物，威胁着焦炭生产地区人民群众的身体健康。

  中冶焦耐副总工程师王明登向《中国科学报》记者强调，中国焦化行业的转变发展方式与经济转型迫在眉睫。

  焦炉大型化是焦化行业转型升级的重要方法之一。“应用大焦炉才能生产出高质量的焦炭，实现大规模集中化生产才能降低焦化过程中的污染物排放量。”王明登说，据中国炼焦行业协会统计，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%，生产能力最大的是炭化室高6米焦炉。“而在上个世纪80年代，德国、日本便开始大量建设高度超过7米的焦炉，在本世纪初，我国炼焦技术和装备与国际领先水平差距近30年。”

  在自主研发7米焦炉之前，中国顶级规模、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从国外引进的7.63米焦炉。“该焦炉于2008年投产，技术由德国公司提供。当时在7米以上焦炉技术方案方面，我国并没有本土化方案可供选择。”王明登说。

  但2008年第一代7米焦炉投产后，它与世界一流焦炉的差距仍令人焦虑。当时国际焦化领域最先进的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。“该技术由德国某公司垄断，而我们的氮氧化物排放控制水平在600~1000毫米/立方米，炉组生产规模仅为德国的3/4。”王明登回忆道。

  要研发适合中国国情的7米级焦炉，需要解析焦炉内传热、燃烧、流动和煤高温干馏过程机理，从源头上解决焦炉氮氧化物污染的问题。

  如何将18米长、7米高、0.5米宽的炭化室内的煤料在间接加热条件下实现适度和均匀的供热、快速均匀炼焦，成为摆在科研人员面前的第一道难题。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，没办法实现源头减排，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，不能确保产品质量。

  研发团队从氮氧化物的生成机理入手，基于传热学、干馏理论等，开发出焦炉生产的数理模型，然后采用连续过程、多单元耦合仿真模拟，来指导炉体的结构设计，最终设计成的焦炉完全实现了大型化和清洁化的目标。研发的可控梯级供给低氮燃烧均匀加热烧技术使焦炉烟囱废气中氮氧化物含量达到国际领先水平，污染物排放总量比6米焦炉减少20%以上；高严密性炉门密封技术、组合式炉门清扫技术及装煤烟尘治理技术的应用实现了炼焦清洁生产。

  “截至目前，运用项目研发成果建设超大容积焦炉132座、年产焦炭达9800万吨，年新增销售额2300亿元，年增收节支总额超过31亿元，年降低入炉煤成本超过35亿元，累计节约工程投资160亿元以上。”王明登介绍说，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它的身影。

  在该项目成果引领下，中国大型焦炉占比提升了37%，平均每家焦化公司制作规模提升了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。

  中国大型焦炉从此不再受制于人。王明登骄傲地表示：“我们研发的技术推广以来，我国就不再需要引进国外的技术了。这一方面为中国节省了大量外汇，另一方面也让我国超大型焦炉更为适合本国炼焦煤资源状况，生产效益更好。”据介绍，目前仍有超过1000万吨规模产量的焦炉正在紧张的工程设计和建设当中，而由于大量中小规模焦炉急需更新升级，这一技术在我国的潜在市场超过1.5亿吨的生产规模。

  这项技术如今也已走出国门，成功输出。位于越南河静的台塑河静钢铁炼焦厂2号焦炉，正是这样一台7米大容积焦炉。