近10年來，我國焦炭年產量約為4.5億噸，占世界總產量的68%。焦化工序能耗占鋼鐵聯合企業(yè)的15%，在煉焦過程中，37%的紅焦、27%的煙道廢氣等帶出的熱量均已有效回收，約36%荒煤氣帶出的余熱未得到充分利用，這也是焦化行業(yè)重點關注的課題，研發(fā)一種高效、安全、節(jié)能的焦爐上升管荒煤氣余熱回收技術勢在必行。
焦爐荒煤氣余熱回收屬于清潔能源技術，是實現綠色焦化、節(jié)約資源、降低煉焦成本的重要途徑，符合國家節(jié)能減排的方針政策及企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。2011年，國家發(fā)展和改革委員會將焦爐荒煤氣余熱利用關鍵技術創(chuàng)新及產業(yè)化列為示范工程。
焦爐荒煤氣余熱回收利用是焦化行業(yè)節(jié)能的難題之一，主要技術難點有：
1）650-800℃周期性變化大，極限溫度達1400℃，溫度高且周期性變化大，傳熱不均衡；
2）含氨氣、焦油蒸汽、水蒸氣、苯蒸汽、硫化氫等介質，腐蝕性強；
3）荒煤氣溫度大于800℃結石墨、低于450℃掛焦油，控制換熱難度大；
4）易造成漏水進炭化室，損壞爐體；
5）爐體結構受限，不能改變原有上升管的高度及內部通道；
6）現場有高溫、粉塵和腐蝕性氣體，環(huán)境惡劣。
20世紀70年代起，國內外就對焦爐荒煤氣余熱回收技術進行了不斷研發(fā)，相繼推出各種技術，但由于技術及材料未過關、成本高、安全風險大等因素均未實現規(guī)?；?、商業(yè)化應用和推廣。
2010年開始，江蘇龍冶節(jié)能科技有限公司項目團隊針對焦爐上升管荒煤氣高溫、腐蝕、溫度周期變化等工況下難以實現高效穩(wěn)定可靠的余熱回收現狀，聯合攻關，對工況、材料、結構等進行基礎研究、優(yōu)化、分析、對比，突破核心技術，解決了上升管漏水、掛焦油、干燒等技術難題，自主研發(fā)了高效節(jié)能焦爐上升管荒煤氣余熱回收技術（圖1），實現整套余熱回收裝置成功工業(yè)化、規(guī)?；?、商業(yè)化應用，并且實現了上升管設備及系統安全、環(huán)保、長壽和高效運行，有明顯的節(jié)能減排效果和良好的經濟效益。
項目主要創(chuàng)新點
1）首創(chuàng)納米涂層自清潔上升管換熱專用設備，突破高溫腐蝕工況對材料的影響，研發(fā)出世界首套工業(yè)化焦爐上升管荒煤氣余熱回收整體裝備。
從技術難點入手，研究煉焦過程中上升管荒煤氣的工況及周期性變化、上升管換熱機理，分析了不同鋼材的強度、耐熱、腐蝕等特性，選擇滿足上升管結構強度、導熱性、可焊性等要求的材料作為上升管基材；依據荒煤氣的物性、結渣機理，研究了多種納米級氧化物性能，進行上千次的小試、中試，對獲得的數據反復對比分析、優(yōu)化。研發(fā)出了耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、抗氧化、抗熱震性的非金屬材料納米涂層。
為了使研發(fā)成果能實現大規(guī)模工業(yè)化生產，進一步研制了制造工藝設備裝置，將納米涂層與金屬材料致密貼合，保證熱脹冷縮設備性能穩(wěn)定是項目成敗的關鍵。接觸荒煤氣介質內壁表面再配以納米級光潔劑，高溫下內壁光滑如釉面，具備自清潔功能，難以黏焦油、掛石墨，形成了滿足和適應焦爐工況環(huán)境的上升管復合材料產品（圖2）。
2）研發(fā)導流結構和無縫低應力上升管結構技術，研究了機械載荷與高溫引起的應力分布，高效換熱、熱膨脹等技術難題，最終形成了創(chuàng)新、獨特的上升管換熱設備結構，突破并實現了在全結焦周期內不受工況溫度波動影響，消除了漏水進炭化室的隱患。
3）研發(fā)了均熱型上升管換熱裝備，有效控制現代化大型焦爐合理取熱，換熱更均衡；研究汽水管線均勻布水技術；實現了工藝系統換熱效率可控和均衡穩(wěn)定產汽，解決了上升管換熱不均問題。
4）研發(fā)了適用于生產高品質飽和蒸汽和高溫過熱蒸汽的上升管換熱裝置，創(chuàng)新的新型多腔式夾套上升管換熱器耐溫耐壓，適合多種后續(xù)工藝搭配組合，滿足用戶不同蒸汽品質需求。
項目成果
該技術獲授權專利38項，其中發(fā)明專利11項；2018年參與制定行業(yè)標準YB/T 4723-2018《焦爐上升管荒煤氣顯熱回收利用技術規(guī)范》；2019年榮獲山東省冶金科技進步一等獎；2020年，具有納米自潔涂層換熱裝備的焦爐上升管余熱回收系統技術被中國金屬學會鑒定達到國際領先水平。
2017年以來，江蘇龍冶節(jié)能科技有限公司與中冶焦耐工程技術有限公司成為戰(zhàn)略合作伙伴，以科技創(chuàng)新、市場需求為導向，合作開發(fā)換代產品，滿足焦爐大型化、智能化的要求。新開發(fā)的焦爐上升管產品及成套裝備技術不斷地應用在新建的現代化大型焦爐上，市場占有率穩(wěn)步提升，產品的先進性、安全性、穩(wěn)定性得到了用戶的普遍認可。
該項技術在福建三鋼、武鋼、山鋼、馬鋼、中天鋼鐵、山西潞寶、山東新泰正大、印尼德天等國內外120多座焦爐上成功應用。經過技術改進及產品優(yōu)化，不僅解決了大型上升管結焦冒煙導致的環(huán)保問題，同時保證了最大的產汽量，真正做到上升管余熱回收經濟效益和社會效益的統一，為焦化行業(yè)綠色轉型提供了技術支撐。隨著該項技術不斷創(chuàng)新，實現了大規(guī)模產業(yè)化，帶動了荒煤氣余熱回收技術蓬勃發(fā)展。
2019-2021年，已投產運行的39套焦爐上升管荒煤氣余熱回收裝置可實現產0.6-4.0MPa飽和蒸汽和400℃左右的高溫過熱蒸汽，每年產蒸汽量約為474萬噸，年實現經濟效益約4.74億元以上。
該技術研發(fā)成果為焦化行業(yè)節(jié)能減排技術作出了重大貢獻，對整個焦化行業(yè)乃至整個鋼鐵行業(yè)具有重大意義。
若全國焦化企業(yè)都實施該技術，每年可回收蒸汽4500萬噸，折算成標煤約為440萬噸，折合CO2減排量達1229萬噸，相當于年種植近67萬棵樹。平均降低工序能耗約10kgce/t焦。
全國現有焦爐1400多座，每年新建大型焦爐約60座。國內還有90%的應用市場前景以及國際更廣泛的應用市場。同時，該項技術經過不斷創(chuàng)新完善，已經應用到其他領域，如焦爐基礎頂板隔熱爐體保溫等。
焦爐上升管余熱回收技術是實現國家“雙碳”戰(zhàn)略頂層設計的煉焦解決方案，是完整準確全面貫徹新發(fā)展理念的具體措施。對響應國家“十四五”規(guī)劃、推廣應用、產能升級，綠色改造、全面提高能源利用效率、改善環(huán)境質量具有重要意義。
