近日，由中國冶金科工集團(tuán)所屬中冶焦耐工程技術(shù)有限公司牽頭，聯(lián)合北京科技大學(xué)和鞍山鋼鐵集團(tuán)公司共同完成的“清潔高效煉焦技術(shù)與裝備的開發(fā)及應(yīng)用”項(xiàng)目榮獲2018年度國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

　　清潔高效煉焦真的這么重要嗎？為什么能夠獲得國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)？它對(duì)國計(jì)民生會(huì)產(chǎn)生哪些影響？帶著這些問題記者采訪了相關(guān)專家。

　　開發(fā)清潔煉焦關(guān)鍵技術(shù)

　　所謂煉焦又稱煤炭高溫干餾，通俗講就是以煙煤為原料，在隔絕空氣條件下加熱到1000℃左右，經(jīng)過高溫干餾生產(chǎn)焦炭，同時(shí)獲得煤氣和煤焦油、粗苯等化工產(chǎn)品的一種煤轉(zhuǎn)化工藝。焦炭是煉焦最重要的產(chǎn)品，可以作為高爐煉鐵的還原劑、熱源、料柱骨架和供碳劑。

　　長期以來，我國煉焦工業(yè)存在著環(huán)保水平低、大型焦?fàn)t占比小、能耗高、優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源短缺等突出問題。

　　國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)獲得者、中冶焦耐董事長于振東介紹，氮氧化物、顆粒物及二氧化硫是造成大氣環(huán)境惡化、霧霾天氣頻現(xiàn)的重要原因之一，前兩者也是煉焦生產(chǎn)中最難控制的污染物，這也是為什么煉焦被看成容易導(dǎo)致環(huán)境惡化的重點(diǎn)行業(yè)之一。

　　在于振東看來，綠色化、高效化和智能化是未來煉焦技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)，“近幾年的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用證明，我們開發(fā)的清潔高效煉焦技術(shù)，推動(dòng)了行業(yè)的健康、快速和高質(zhì)量發(fā)展。”

　　由于生成機(jī)理復(fù)雜，焦?fàn)t氮氧化物的控制屬世界性技術(shù)難題。傳統(tǒng)焦?fàn)t的標(biāo)定數(shù)據(jù)顯示，焦?fàn)t煤氣加熱時(shí)廢氣中氮氧化物平均含量在1000毫克/立方米以上，低熱值煤氣加熱時(shí)在450—650毫克/立方米。按此計(jì)算，2003年我國煉焦約排放22萬噸氮氧化物。

　　于振東說：“研發(fā)團(tuán)隊(duì)從燃燒理論和仿真分析入手，對(duì)焦?fàn)t狹長火道內(nèi)彌散燃燒過程中氮氧化物生成機(jī)理進(jìn)行研究，耦合炭化室、燃燒室和蓄熱室全結(jié)構(gòu)，開發(fā)復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系內(nèi)傳熱傳質(zhì)、燃燒、流動(dòng)與煤高溫干餾等非穩(wěn)態(tài)過程的模擬分析方法，獲得焦?fàn)t多室、多過程間的相互耦合及關(guān)聯(lián)機(jī)制，掌握不同種類煤氣氮氧化物生成與火焰燃燒溫度、空氣過剩系數(shù)和高溫區(qū)域停留時(shí)間的影響規(guī)律，提出梯級(jí)供給低氮燃燒控制理論，發(fā)明可控梯級(jí)供給低氮燃燒均勻加熱技術(shù)，使煙氣中氮氧化合物降低50%以上，解決焦?fàn)t氮氧化物源頭減量治理的世界性技術(shù)難題。”項(xiàng)目成果為中國煉焦行業(yè)的低氮排放、清潔生產(chǎn)提供了解決方案，為新制定的國家標(biāo)準(zhǔn)《煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB16171-2012）》提供了適用技術(shù)。

　　均勻分段加熱促高效煉焦

　　在實(shí)現(xiàn)煉焦高效生產(chǎn)的征途中，有兩個(gè)攔路虎，一個(gè)是如何將18米長、7米高、0.5米寬的炭化室內(nèi)40多噸煤料在間壁加熱條件下實(shí)現(xiàn)均勻供熱，即在高度和長度方向?qū)崿F(xiàn)快速均勻煉焦；另外一個(gè)是如何避免為降低氮氧化物生成而新研發(fā)的分段加熱技術(shù)對(duì)爐體生產(chǎn)順行性可能產(chǎn)生的不利影響，如何實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)與中國煉焦煤資源間的協(xié)同發(fā)展。

　　在業(yè)內(nèi)人士看來，這并非易事。中冶焦耐副總工程師王明登介紹說，隨著焦?fàn)t尺寸的顯著增大，受火焰長度及溫度梯度影響，要對(duì)煤料進(jìn)行均勻且適度供熱，在無法實(shí)施外部干預(yù)的情況下，只能依靠自身結(jié)構(gòu)對(duì)兩千多個(gè)加熱火道內(nèi)的高溫火焰進(jìn)行精確控制，難度極大。如果焦?fàn)t內(nèi)局部火焰溫度過高，不僅耗熱量高、能耗大，而且氮氧化物會(huì)大量生成，無法實(shí)現(xiàn)源頭減排，甚至?xí)龎臓t體；如果溫度過低或者溫度不均勻，則會(huì)出現(xiàn)生焦，不能保證產(chǎn)品質(zhì)量。這之間的平衡必須拿捏準(zhǔn)確。另外，如果一昧強(qiáng)調(diào)提升生產(chǎn)強(qiáng)度而顯著增加供熱量，再與新研發(fā)的分段加熱技術(shù)疊加，極易造成爐頂空間溫度高、生產(chǎn)順行性差等諸多難題，這在我國本世紀(jì)初從國外引進(jìn)的焦?fàn)t上得到明顯驗(yàn)證。

　　王明登表示，為了研發(fā)出符合中國煉焦煤特征的高效煉焦技術(shù)、突破資源瓶頸制約，研發(fā)團(tuán)隊(duì)基于中國煉焦煤的黏結(jié)特性、結(jié)焦特性和收縮特性，建立炭化室煤熱解模型，開發(fā)“爐頂溫控-加熱水平匹配”的耦合模擬分析方法，將入爐煤料的收縮率與爐體加熱水平相匹配，選擇最適宜中國煉焦煤的加熱強(qiáng)度和爐體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸，在7米高的加熱火道內(nèi)按煤料成焦需求分段供應(yīng)熱量，發(fā)明新型跨越孔結(jié)構(gòu)，并通過獨(dú)特的高向溫度組合調(diào)節(jié)技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了高向均勻加熱，而且實(shí)現(xiàn)了爐頂溫度的有效控制，徹底解決大型焦?fàn)t爐頂空間溫度極易過高的世界性難題，使生產(chǎn)順行的同時(shí)，還顯著降低優(yōu)質(zhì)煉焦煤用量。

　　為了實(shí)現(xiàn)長向的均勻加熱，研發(fā)團(tuán)隊(duì)將18米長的炭化室墻面按對(duì)應(yīng)煤料成焦過程的熱量需求并考慮爐體散熱，分割成18個(gè)加熱單元，實(shí)行區(qū)域精準(zhǔn)供熱，研發(fā)出爐底氣流協(xié)調(diào)分配技術(shù)，發(fā)明上、下協(xié)同調(diào)節(jié)焦?fàn)t長向氣流分配結(jié)構(gòu)，解決大型焦?fàn)t長向均勻加熱的技術(shù)難題。

　　與引進(jìn)技術(shù)相比，新技術(shù)可降低優(yōu)質(zhì)煉焦煤用量7.5%以上；焦?fàn)t長向和高向加熱均勻，不僅改善焦炭質(zhì)量，而且降低煉焦能耗。通過解決影響焦?fàn)t均勻加熱和阻礙生產(chǎn)順行這兩項(xiàng)制約高效生產(chǎn)的關(guān)鍵術(shù)難題，不僅將單元規(guī)模產(chǎn)能提升了50%，還很好地解決了高效生產(chǎn)與我國煉焦煤資源特征間的協(xié)同問題。