一、研究的背景与问题

二、解决问题的思路与技术方案

图1 研发思路

本项目依托国家重点研发计划，针对焦炉烟气NOx源头生成量高、炼焦过程节能降耗、炉体服役周期短、传统脱硫脱硝无法多污染物协同脱除等突出问题，基于低氮燃烧理论、焦炉加热均匀性调控机制、炉体强度热-力稳定性解构模型、活性炭强化脱硝机理等理论研究，研发NOx源头减量控制、低能耗炼焦、炉体长寿清洁生产、活性炭高效脱硝多污染物协同控制等新技术、新材料、新工艺和新装备，实现绿色低碳炼焦技术集成，并应用于示范工程，项目研发思路如图1。

三、主要创新性成果

1、深化焦炉NOx生成机理研究，研发源头减量控制技术，实现超低排放

针对热力型NO生成机理，建立焦炉NOx生成模型，发明燃烧室内空气梯级供给技术、助燃空气流量精确分配调节技术（图2），从源头控制NOx生成总量显著减少；深化研究炉内废气循环对NOx生成的影响机理，发明环抱型废气循环孔结构（图3、4），加强废气与空气掺混，降低助燃气体中氧气浓度，减少NOx生成；研发炉外废气循环技术，降低入炉助燃气体氧含量，控制燃烧强度，优化燃烧温度场，显著减少焦炉煤气加热条件下NOx生成。以上源头减量控制技术，实现焦炉煤气加热条件下烟气中NOx平均含量不高于260mg/m³，贫煤气加热条件下烟气中NOx含量不高于150mg/m³，优于国内现有先进技术50%以上。

a.单热式焦炉 b.复热式焦炉贫煤气加热c.复热式焦炉焦炉煤气加热

图2 不同加热条件下的空气供入结构

图3 环抱型废气循环孔 图4 废气循环气流

2、发明多节点耦合调节供热技术、研发应用新型耐火材料，降低炼焦能耗5%

通过仿真模拟优化焦炉燃烧室长向气流分布，发明斜道出口、空气分段出口调节（图5）协同蓄热室底部流量调节（图6）的多节点耦合调节技术，实现长向气流的精准分配，控制燃烧供给精确配比，实现焦饼长向温差≤50℃，焦炉横排温度系数≥0.95；研发应用高导热硅砖、硅质隔热砖、纳米级保温涂料和炉门涂釉浇注料等新型耐火材料（见图7-图9），强化炉墙传热、减少焦炉散热，使大型焦炉的热工效率由75.5%提高到77%。实现湿煤炼焦耗热量≤2325kJ/kg，优于国际先进水平3.75%。

图5 斜道出口调节 图6 蓄热室底部流量调节

图7 高导热硅砖 图8 纳米保温涂料 图9 粘土砖与涂釉浇注料块对比

3、研发焦炉长寿清洁生产技术，延长焦炉服役周期15年，减少炼焦无组织污染物排放10%

构建燃烧室全尺寸结构热-力稳定性解构模型（见图10），耦合两侧炭化室物料干镏周期性压力分布，研发整体镶嵌式大咬合焦炉燃烧室结构，代替原有沟舌结构，大幅提高燃烧室整体结构强度及稳定性，优化护炉压力分布与传力设备，提高炉墙极限侧负荷10%以上，使焦炉寿命提升15年以上；研发保护板、炉门框及炉门关键密封装备系统性预补偿技术，降低密封设备热形变、拟合密封设备在不同温度场下闭合曲线，使炉门泄漏率降低0.5个百分点；应用液体空压密封技术（见图11），采用混有超细硅质密封干粉的新型液体材料，经高压空气喷入炭化室，高温下发生系列物理化学反应，形成陶瓷硅质结合层，堵塞炉墙微裂缝，提高砌体密封性炉墙窜漏率降低2%。

图10 燃烧室受力分析

图11 液体空压密封技术处理前后对比

4、明晰活性炭高效脱硝及多污染物协同控制反应机制，研发活性炭吸附及再生关键技术，实现末端高效协同治理

采用理论与实验相结合的手段，研究活性炭高效脱硝、多污染物协同控制反应机制，开发脱硫脱硝反应分区及活性炭移动分层控制的吸附反应器（见图12-图14），研发高效传热低炭耗的解吸反应器，实现工业应用活性炭脱硝效率＞80%，多污染物排放指标远优于超低排放限值；研发焦炉烟气二段式导热油余热利用技术（见图15），回收烟气余热超10000吨标煤/年，相当于减排CO2超2.6万吨/年。

图12 活性炭反应分区及移动分层控制吸附反应器

图13 吸附塔进出口结构优化前后气流分布 图14 保温与绝热条件下设备壁面温度分布

 图15 二段式导热油烟气热回收系统流程

项目获授权专利83件（其中发明专利27件）；形成行业标准2部、团体标准3部、行业专有技术6项；发表学术论文27篇；经成果评价，达到国际领先水平；项目成果获中国专利优秀奖、大连科技进步一等奖和中冶集团科学技术一等奖，应用成果的工程设计获行业优秀设计一等奖8项。

四、应用情况与效果

项目成果于2019年首先应用于首钢京唐二期示范工程。截止目前，项目成果已经成功应用于河钢集团、宝武钢铁、阿米集团哈萨克斯坦AMT、印度JSOL公司、印度TATA、鞍钢集团等海内外65个焦化工程项目，总产能11800万吨，达到的主要技术指标如下表所示。

项目成果与国内外先进技术相比，部分指标相当，关键指标优异，如下表所示：

表1 国内外同类技术指标对比

从上表可见，焦炉煤气加热时，废气中NOx含量比国内先进值改善近50%，贫煤气加热时，比国内先进值改善50%以上。焦饼高向、长向温差指标与国际先水平相当，横排系数大于等于0.95。湿煤炼焦耗热量比现有国内先进值改善5%，优于国际先进水平3.75%。焦炉炉门泄露率比国内先进值改善0.5个百分点。焦炉烟气活性炭法脱硝效率比国内先进值改善10~20个百分点，工业应用活性炭烟气脱硝效率最高。经脱硫脱硝高效处理后外排烟气中污染物浓度远优于我国超低排放限值（NOx、SO₂及颗粒物浓度分别≤150、≤30、≤10mg/m³）及国外排放指标。

项目研发成果在焦炉减污降碳方面优势明显，与国外先进技术相比，关键指标优异，整体技术居国际领先水平。

项目研发的氮氧化物源头减排技术，使焦炉烟囱排放废气中NOx含量大幅降低，对应技术应用的65个焦化工程，每年可减排NOx 4万吨。研发的高效炉体密封技术和装备，使焦炉无组织污染物排放量减少10%，降低了炼焦过程环境负荷；使炼焦耗热量比原有国内先进水平改善5%，按11800万吨/年焦炭产能计算，每年可节约焦炉煤气5.36亿立方米、贫煤气18.9亿立方米，节约煤气成本8.5亿元，直接减排NOx 2963吨，粉尘166吨，SO₂311吨；折合标准煤507万吨，相当于减排CO₂1318万吨，项目成果的推广应用可大幅提高行业绿色低碳水平。

信息来源：中冶焦耐（大连）工程技术有限公司