近日，由中國冶金科工集團所屬中冶焦耐工程技術有限公司牽頭，聯合北京科技大學和鞍山鋼鐵集團公司共同完成的“清潔高效煉焦技術與裝備的開發及應用”項目榮獲2018年度國家科技進步一等獎。
清潔高效煉焦真的這麼重要嗎？為什麼能夠獲得國家科技進步獎一等獎？它對國計民生會產生哪些影響？帶著這些問題記者採訪了相關專家。
開發清潔煉焦關鍵技術
所謂煉焦又稱煤炭高溫乾餾，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，經過高溫乾餾生產焦炭，同時獲得煤氣和煤焦油、粗苯等化工產品的一種煤轉化工藝。焦炭是煉焦最重要的產品，可以作為高爐鍊鐵的還原劑、熱源、料柱骨架和供碳劑。
長期以來，我國煉焦工業存在著環保水平低、大型焦爐佔比小、能耗高、優質煉焦煤資源短缺等突出問題。
國家科學技術進步獎一等獎獲得者、中冶焦耐董事長於振東介紹，氮氧化物、顆粒物及二氧化硫是造成大氣環境惡化、霧霾天氣頻現的重要原因之一，前兩者也是煉焦生產中最難控制的汙染物，這也是為什麼煉焦被看成容易導致環境惡化的重點行業之一。
在於振東看來，綠色化、高效化和智能化是未來煉焦技術發展的主要趨勢，“近幾年的大規模產業化應用證明，我們開發的清潔高效煉焦技術，推動了行業的健康、快速和高質量發展。”
由於生成機理複雜，焦爐氮氧化物的控制屬世界性技術難題。傳統焦爐的標定數據顯示，焦爐煤氣加熱時廢氣中氮氧化物平均含量在1000毫克/立方米以上，低熱值煤氣加熱時在450—650毫克/立方米。按此計算，2003年我國煉焦約排放22萬噸氮氧化物。
于振東說：“研發團隊從燃燒理論和仿真分析入手，對焦爐狹長火道內彌散燃燒過程中氮氧化物生成機理進行研究，耦合炭化室、燃燒室和蓄熱室全結構，開發複雜結構體系內傳熱傳質、燃燒、流動與煤高溫乾餾等非穩態過程的模擬分析方法，獲得焦爐多室、多過程間的相互耦合及關聯機制，掌握不同種類煤氣氮氧化物生成與火焰燃燒溫度、空氣過剩係數和高溫區域停留時間的影響規律，提出梯級供給低氮燃燒控制理論，發明可控梯級供給低氮燃燒均勻加熱技術，使煙氣中氮氧化合物降低50%以上，解決焦爐氮氧化物源頭減量治理的世界性技術難題。”項目成果為中國煉焦行業的低氮排放、清潔生產提供瞭解決方案，為新制定的國家標準《煉焦化學工業汙染物排放標準（GB16171-2012）》提供了適用技術。
均勻分段加熱促高效煉焦
在實現煉焦高效生產的征途中，有兩個攔路虎，一個是如何將18米長、7米高、0.5米寬的炭化室內40多噸煤料在間壁加熱條件下實現均勻供熱，即在高度和長度方向實現快速均勻煉焦；另外一個是如何避免為降低氮氧化物生成而新研發的分段加熱技術對爐體生產順行性可能產生的不利影響，如何實現高效生產與中國煉焦煤資源間的協同發展。
在業內人士看來，這並非易事。中冶焦耐副總工程師王明登介紹說，隨著焦爐尺寸的顯著增大，受火焰長度及溫度梯度影響，要對煤料進行均勻且適度供熱，在無法實施外部干預的情況下，只能依靠自身結構對兩千多個加熱火道內的高溫火焰進行精確控制，難度極大。如果焦爐內局部火焰溫度過高，不僅耗熱量高、能耗大，而且氮氧化物會大量生成，無法實現源頭減排，甚至會燒壞爐體；如果溫度過低或者溫度不均勻，則會出現生焦，不能保證產品質量。這之間的平衡必須拿捏準確。另外，如果一昧強調提升生產強度而顯著增加供熱量，再與新研發的分段加熱技術疊加，極易造成爐頂空間溫度高、生產順行性差等諸多難題，這在我國本世紀初從國外引進的焦爐上得到明顯驗證。
王明登表示，為了研發出符合中國煉焦煤特徵的高效煉焦技術、突破資源瓶頸制約，研發團隊基於中國煉焦煤的黏結特性、結焦特性和收縮特性，建立炭化室煤熱解模型，開發“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度和爐體關鍵結構尺寸，在7米高的加熱火道內按煤料成焦需求分段供應熱量，發明新型跨越孔結構，並通過獨特的高向溫度組合調節技術，不僅實現了高向均勻加熱，而且實現了爐頂溫度的有效控制，徹底解決大型焦爐爐頂空間溫度極易過高的世界性難題，使生產順行的同時，還顯著降低優質煉焦煤用量。
為了實現長向的均勻加熱，研發團隊將18米長的炭化室牆面按對應煤料成焦過程的熱量需求並考慮爐體散熱，分割成18個加熱單元，實行區域精準供熱，研發出爐底氣流協調分配技術，發明上、下協同調節焦爐長向氣流分配結構，解決大型焦爐長向均勻加熱的技術難題。
與引進技術相比，新技術可降低優質煉焦煤用量7.5%以上；焦爐長向和高向加熱均勻，不僅改善焦炭質量，而且降低煉焦能耗。通過解決影響焦爐均勻加熱和阻礙生產順行這兩項制約高效生產的關鍵術難題，不僅將單元規模產能提升了50%，還很好地解決了高效生產與我國煉焦煤資源特徵間的協同問題。
閱讀更多 煤化工技術 的文章
