潘 登 彭 鋒 郜 學

(冶金工業(yè)規(guī)劃研究院)

經(jīng)過多年發(fā)展，焦化行業(yè)節(jié)能減碳工作取得了積極成效，2021年全行業(yè)先進焦爐產(chǎn)能占比較2010年提高了20個百分點，全行業(yè)干熄焦率已超過60%，上升管余熱回收、焦爐循環(huán)氨水余熱回收、煙道氣余熱回收等技術得到不斷推廣和應用，焦化工序能耗不斷降低，2021年焦化行業(yè)工序能耗較2006年下降15.8%。

1 焦化生產(chǎn)能源消耗和碳排放結構分析

1.1 焦化生產(chǎn)能源消耗及轉(zhuǎn)化流程

焦化生產(chǎn)屬于能源加工轉(zhuǎn)化過程，焦化生產(chǎn)能源消耗及轉(zhuǎn)化流程見圖1。煉焦煤進入焦爐，經(jīng)過干餾生產(chǎn)出焦炭、焦爐煤氣、焦油、粗苯等能源產(chǎn)品。生產(chǎn)過程消耗能源介質(zhì)包括：煤氣(焦爐煤氣、高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣等)、電、蒸汽、壓縮空氣、水、氮氣等，同時可回收紅焦顯熱、荒煤氣顯熱、煙氣余熱、循環(huán)氨水余熱、初冷器上段余熱等二次能源[1]。

圖1 焦化生產(chǎn)能源消耗及轉(zhuǎn)化流程

1.2 焦化工序能源消費結構

大型焦化企業(yè)典型焦爐能量流一般為生產(chǎn)1 t焦炭消耗洗精煤1 326 kg，煉焦后排出的250 ℃焦爐煙氣的熱量為11.42 kgce，產(chǎn)生的750 ℃荒煤氣的熱量為17.82 kgce，進入干熄爐的1 050 ℃焦炭的熱量為61.57 kgce[2]。根據(jù)《焦炭單位產(chǎn)品能源消耗限額》要求，焦化工序能耗=能源轉(zhuǎn)化差+燃料與動力消耗-余熱余能回收。能源轉(zhuǎn)化差=投入洗精煤-產(chǎn)出的焦炭、焦爐煤氣、粗苯、焦油，其中焦炭占比70%～80%。燃料與動力消耗主要為煤氣和蒸汽消耗，其中煤氣消耗占比70%～85%、蒸汽消耗占比15%～20%。余熱余能回收主要是干熄焦回收紅焦顯熱，占回收能源總量的85%以上[3]。

根據(jù)以上分析可知，降低能源轉(zhuǎn)化差、減少燃料與動力消耗、提高余熱余能回收利用是降低焦化工序能耗、減少碳排放的三條重點路徑。

2 節(jié)能減碳技術進展及效果

2.1 節(jié)能減碳技術及應用進展

(1)降低能源轉(zhuǎn)化差

降低能源轉(zhuǎn)化差主要途徑是：提高結焦率，增加焦炭產(chǎn)量；提高粗苯等能源物質(zhì)的回收量。目前開發(fā)和應用的主要技術包括智慧配煤技術、負壓脫苯技術等。

①智慧配煤技術

智慧配煤技術是將傳統(tǒng)配煤工藝與人工智能結合，基于運營數(shù)據(jù)、焦炭數(shù)據(jù)、原料煤數(shù)據(jù)進行匯總整合處理，具備多維度因子優(yōu)化能力的保質(zhì)降本配煤技術[4]。企業(yè)通過智慧配煤技術，改善配煤結構，降低配煤成本2%～3%，使焦炭質(zhì)量預測精度提高到98%以上，控制煤耗在合理范圍內(nèi)的最低水平，進而降低能耗及碳排放[5]。智慧配煤技術是在自動配煤技術基礎上新開發(fā)的智能制造相關技術，仍處于不斷升級優(yōu)化過程中，還未廣泛推廣，當前只有鞍鋼、包鋼、本鋼等少數(shù)企業(yè)使用該技術，應用效果還需進一步檢驗。

②負壓脫苯技術

負壓脫苯技術是在負壓條件下采用蒸餾工藝脫除富油中苯族烴類等物質(zhì)的新型清潔生產(chǎn)技術。該技術將脫苯塔與真空設備相連形成負壓，從而降低富油沸點并提高苯族烴類物質(zhì)的相對揮發(fā)度，實現(xiàn)在低于常壓操作溫度的條件下將苯族烴類物質(zhì)從富油中蒸脫。相比傳統(tǒng)蒸汽直接脫苯技術，負壓脫苯技術既可節(jié)約蒸汽、多回收輕苯(粗苯)，也可消除酚氰污水排放，避免苯溢出造成的環(huán)境污染[6]。負壓脫苯技術已在漣鋼、濟鋼、富倫鋼鐵等多家企業(yè)應用，節(jié)能效果明顯。

(2)減少燃料與動力消耗

減少煤氣、蒸汽等能源和動力消耗的重點技術包括煤調(diào)濕技術、焦爐加熱智能控制技術、負壓無蒸汽蒸氨技術、導熱油換熱技術。

①煤調(diào)濕技術

煤調(diào)濕是裝入煤水分控制工藝的簡稱，是一項節(jié)能和環(huán)保的新技術，目前國內(nèi)外煤調(diào)濕有導熱油煤調(diào)濕、蒸汽煤調(diào)濕和煙道氣煤調(diào)濕3種，且在國內(nèi)均有應用。煙道氣煤調(diào)濕作為第三代煤調(diào)濕技術，因利用煙道廢氣余熱作為熱源，無需外加其它能源，使得節(jié)能效果更為明顯，成為煤調(diào)濕技術的主要發(fā)展方向。采用煤調(diào)濕技術后，裝爐煤水分一般下降4個百分點，焦爐產(chǎn)能提高8%～9%，煉焦耗熱量降低220～248 MJ/t，酚氰廢水量減少25%～30%[7]。目前國內(nèi)已投產(chǎn)調(diào)濕裝置企業(yè)有馬鋼、濟鋼、太鋼、河鋼、柳鋼等，但因技術原因，企業(yè)配套煤調(diào)濕裝置后，焦爐煙塵污染、煤氣管道堵塞等問題未能很好解決，且投資大，煤調(diào)濕技術還未普遍應用[8]。

②焦爐加熱智能控制技術

焦爐加熱智能控制技術是利用自動測溫裝置實時測量立火道溫度、焦餅溫度、荒煤氣溫度、廢氣含氧量等數(shù)據(jù)，由軟件控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的采集、分析、調(diào)用、學習，并精準控制加熱用焦爐煤氣流速和燃燒室溫度的一種智能化控制技術[9]。采用焦爐加熱智能控制技術對焦爐加熱實施精準控制，既能節(jié)約焦爐加熱用煤氣，同時還能改善焦爐加熱制度和操作管理，使爐內(nèi)溫度均勻，熱平衡處于較好狀態(tài)，焦炭強度M40提高0.5～1個百分點[10]。該技術已在攀鋼、安鋼、陜焦等多家企業(yè)實施，技術的智能集成水平還需提升，節(jié)能減碳效果還需進一步驗證。

③負壓無蒸汽蒸氨技術

負壓無蒸汽蒸氨技術是在負壓環(huán)境下，通過蒸餾工藝脫除剩余氨水中的氨的清潔生產(chǎn)技術。該技術可利用煙氣余熱將剩余氨水加熱到120 ℃后送入真空塔進行閃蒸，高效脫除剩余氨水中的氨。相比蒸汽直接蒸氨技術，負壓無蒸汽蒸氨技術在節(jié)省加熱蒸汽的同時，可有效減少酚氰廢水產(chǎn)生。該技術目前已在水鋼、柳鋼、安鋼等企業(yè)實施，節(jié)能環(huán)保效果突出[11-12]。

④導熱油換熱技術

導熱油是一種有機熱載體，適用于200～400 ℃高溫加熱系統(tǒng)和-60～0 ℃的低溫冷卻系統(tǒng)。與蒸汽加熱相比，導熱油換熱技術采用閉路循環(huán)傳熱，具有無相變、不排放、熱能損失小等優(yōu)點[13]。焦化廠蒸氨及脫苯采用導熱油換熱技術代替蒸汽加熱后，可以提高熱效率，減少蒸氨廢水，生產(chǎn)更容易控制。導熱油換熱技術可以將管式爐廢煙氣作為熱源使用，不足部分焦爐煤氣補充，也可用荒煤氣作為熱源[14]。目前導熱油換熱技術成熟，濟鋼、萊鋼、包鋼、旭陽煤化工等多家企業(yè)已采用此技術。

(3)提高余熱余能回收利用

重點回收紅焦顯熱、荒煤氣顯熱、煙道氣余熱、循環(huán)氨水及初冷器上段余熱等。目前開發(fā)的重點技術包括干熄焦技術、上升管余熱回收技術、煙道氣余熱回收技術、循環(huán)氨水及初冷器上段余熱回收技術。

①干熄焦技術

干熄焦技術是一種利用惰性氣體(N2)與紅焦進行換熱，將焦炭冷卻至約210 ℃后排出的熄焦技術。惰性氣體與紅焦進行熱交換后的溫度升至850～950 ℃，送鍋爐生產(chǎn)蒸汽用于發(fā)電[15]。采用干熄焦技術回收紅焦熱量的同時，可使焦炭強度M40提高3～5個百分點，M10降低0.3～0.5個百分點，CSR提高2～4個百分點，CRI降低2～4個百分點，并降低焦炭水分，使焦炭塊度更加均勻，為煉鐵降低焦比提供支撐[16]。截至2021年底，我國已投產(chǎn)運行的干熄焦裝置330套，處理能力4.6萬t/h，鋼鐵聯(lián)合焦化企業(yè)基本都配置了干熄焦裝置。

②上升管余熱回收技術

上升管余熱回收技術利用裝有導熱材料(水、固體粉末、導熱油等)的夾套管回收750 ℃荒煤氣熱量，再利用余熱鍋爐生產(chǎn)蒸汽。上升管余熱(即荒煤氣余熱)折合約30 kgce/t，過去因技術問題一直沒被利用，近年來，隨著技術的逐步成熟，寶鋼湛江、包鋼、鄂鋼等多家企業(yè)建設了上升管余熱利用裝置，其回收的荒煤氣余熱可用于焦化脫苯或蒸氨等熱源[17-18]。

③煙道氣余熱回收技術

焦爐煙道氣溫度一般在250 ℃，煙道氣余熱回收技術將焦爐熱煙道氣引出，經(jīng)調(diào)節(jié)型閥門送入熱管式余熱鍋爐，產(chǎn)生飽和蒸汽[19]。該技術在河北、山西等許多獨立焦化企業(yè)廣泛實施，運行穩(wěn)定，效果較好。熱煙道氣也可以作為蒸氨、煤調(diào)濕等裝置的熱源。水鋼利用煙道氣加熱剩余氨水到120 ℃，然后進入負壓塔進行蒸氨，運行效果較好；柳鋼利用煙道氣余熱產(chǎn)蒸汽后作為煤調(diào)濕熱源，將煤炭水分從13%左右調(diào)控到8%，節(jié)能減排效果明顯[20]。

④循環(huán)氨水及初冷器上段余熱回收技術

焦爐循環(huán)氨水溫度約75 ℃，三段式的煤氣初冷器上段循環(huán)水冷卻煤氣后溫度達到70 ℃，通過吸收式冷(溫)水機組、換熱器技術回收這些余熱資源，可用于夏季制冷、冬季采暖、生產(chǎn)浴池熱水[21-23]。包鋼、濟鋼、邯鋼等許多焦化廠均采用該技術，節(jié)能效果明顯。

2.2 節(jié)能減碳技術效果

在降低能源轉(zhuǎn)化差、減少燃料與動力消耗、提高余熱余能回收利用方面，工業(yè)化運行的重點節(jié)能減碳成套技術的效果評價見表1。10項重點節(jié)能減碳技術共計可降低焦化工序能耗70.2～83.6 kgce/t(不含導熱油換熱技術)，降低碳排放0.135～0.205 t/t，節(jié)能減碳效果非常顯著，有效提升了近10年來焦化行業(yè)的能耗水平。

表1 焦化行業(yè)重點節(jié)能減碳成套技術效果評價

3 未來技術發(fā)展方向

3.1 能源流全流程優(yōu)化技術

從焦化全流程能源流系統(tǒng)考慮，焦化工藝用能高效化、余熱化的空間很大，存在反復升降溫的煤氣凈化工藝能耗高、高品質(zhì)熱源利用效率低、內(nèi)部回收的低品質(zhì)熱源消納不了等突出問題，需研發(fā)焦化能量流網(wǎng)絡集成技術，開發(fā)并構建焦化余熱高效回收、高效利用的閉環(huán)、低碳、有序能量流網(wǎng)絡，實現(xiàn)能量流網(wǎng)絡有序穩(wěn)定運行，大幅提升能源流系統(tǒng)的自動化和智能化水平。在能量流網(wǎng)絡集成技術支撐下，推廣余能回收與清潔生產(chǎn)工藝用能耦合的全流程能量流優(yōu)化理念和相關技術，是未來焦化企業(yè)踐行低碳發(fā)展的重要新途徑[24]。

3.2 極致能效提升技術

在現(xiàn)有二次能源技術的基礎上進行升級，進一步提升二次能源回收量，重點包括：推動高參數(shù)干熄焦裝置研發(fā)與應用，提升發(fā)電效率；研發(fā)上升管余熱及煙道氣余熱發(fā)電技術，提高回收蒸汽的品質(zhì)，解決焦化企業(yè)低品質(zhì)余熱高效利用問題等。當前高參數(shù)超高溫超高壓干熄焦技術已在廣西盛隆冶金實施工業(yè)化運行，相比傳統(tǒng)高溫高壓干熄焦技術，綜合效率提高10%以上，噸焦發(fā)電量提高15%左右；上升管余熱及煙道氣余熱發(fā)電技術還需進一步研發(fā)攻關[25-26]。

3.3 變革創(chuàng)新型余熱回收技術

傳統(tǒng)的荒煤氣余熱上升管回收技術存在結焦、所產(chǎn)蒸汽品質(zhì)低用途有限、荒煤氣溫度顯熱回收不充分等問題。因此，基于洗滌精餾的荒煤氣熱量回收技術、荒煤氣熱裂解技術、焦爐荒煤氣顯熱回收技術等，為高效回收荒煤氣熱量提供了新的發(fā)展方向[27]。此外，國內(nèi)外研發(fā)高效節(jié)能新型煉焦工藝及裝備技術方面做了不少工作，如日本一直專注于連續(xù)化型焦生產(chǎn)流程(FCP)、SCOPE21、COURSE50等先進的高效節(jié)能新型煉焦工藝及裝備的研發(fā)，致力于實現(xiàn)無煙無塵密閉生產(chǎn)，相比傳統(tǒng)煉焦工藝節(jié)省能源20%以上[28]。

4 結語

焦化行業(yè)節(jié)能技術已基本覆蓋焦炭生產(chǎn)流程各環(huán)節(jié)，特別是干熄焦技術得到了較好升級和推廣，有效支撐了焦化行業(yè)節(jié)能減碳水平的持續(xù)提高。行業(yè)節(jié)能減碳方面仍有潛力，研發(fā)推廣能源流全流程優(yōu)化技術、極致能效提升技術、變革創(chuàng)新型余熱回收技術將是焦化行業(yè)未來實施低碳發(fā)展的重要新路徑。