潘 登 彭 鋒 郜 學(xué)

(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(jìn)焦?fàn)t產(chǎn)能占比較2010年提高了20個百分點(diǎn)，全行業(yè)干熄焦率已超過60%，上升管余熱回收、焦?fàn)t循環(huán)氨水余熱回收、煙道氣余熱回收等技術(shù)得到不斷推廣和應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jìn)入焦?fàn)t，經(jīng)過干餾生產(chǎn)出焦炭、焦?fàn)t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?fàn)t煤氣、高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣等)、電、蒸汽、壓縮空氣、水、氮?dú)獾龋瑫r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(fèi)結(jié)構(gòu)

大型焦化企業(yè)典型焦?fàn)t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?fàn)t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(jìn)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?fàn)t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(diǎn)路徑。

2 節(jié)能減碳技術(shù)進(jìn)展及效果

2.1 節(jié)能減碳技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)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(jié)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(yīng)用的主要技術(shù)包括智慧配煤技術(shù)、負(fù)壓脫苯技術(shù)等。

①智慧配煤技術(shù)

智慧配煤技術(shù)是將傳統(tǒng)配煤工藝與人工智能結(jié)合，基于運(yùn)營數(shù)據(jù)、焦炭數(shù)據(jù)、原料煤數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)[4]。企業(yè)通過智慧配煤技術(shù)，改善配煤結(jié)構(gòu)，降低配煤成本2%～3%，使焦炭質(zhì)量預(yù)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(jìn)而降低能耗及碳排放[5]。智慧配煤技術(shù)是在自動配煤技術(shù)基礎(chǔ)上新開發(fā)的智能制造相關(guān)技術(shù)，仍處于不斷升級優(yōu)化過程中，還未廣泛推廣，當(dāng)前只有鞍鋼、包鋼、本鋼等少數(shù)企業(yè)使用該技術(shù)，應(yīng)用效果還需進(jìn)一步檢驗。

②負(fù)壓脫苯技術(shù)

負(fù)壓脫苯技術(shù)是在負(fù)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(shù)。該技術(shù)將脫苯塔與真空設(shè)備相連形成負(fù)壓，從而降低富油沸點(diǎn)并提高苯族烴類物質(zhì)的相對揮發(fā)度，實(shí)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(shù)，負(fù)壓脫苯技術(shù)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(fù)壓脫苯技術(shù)已在漣鋼、濟(jì)鋼、富倫鋼鐵等多家企業(yè)應(yīng)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(diǎn)技術(shù)包括煤調(diào)濕技術(shù)、焦?fàn)t加熱智能控制技術(shù)、負(fù)壓無蒸汽蒸氨技術(shù)、導(dǎo)熱油換熱技術(shù)。

①煤調(diào)濕技術(shù)

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(shù)，目前國內(nèi)外煤調(diào)濕有導(dǎo)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(yīng)用。煙道氣煤調(diào)濕作為第三代煤調(diào)濕技術(shù)，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(shù)的主要發(fā)展方向。采用煤調(diào)濕技術(shù)后，裝爐煤水分一般下降4個百分點(diǎn)，焦?fàn)t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(jì)鋼、太鋼、河鋼、柳鋼等，但因技術(shù)原因，企業(yè)配套煤調(diào)濕裝置后，焦?fàn)t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(shù)還未普遍應(yīng)用[8]。

②焦?fàn)t加熱智能控制技術(shù)

焦?fàn)t加熱智能控制技術(shù)是利用自動測溫裝置實(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、分析、調(diào)用、學(xué)習(xí)，并精準(zhǔn)控制加熱用焦?fàn)t煤氣流速和燃燒室溫度的一種智能化控制技術(shù)[9]。采用焦?fàn)t加熱智能控制技術(shù)對焦?fàn)t加熱實(shí)施精準(zhǔn)控制，既能節(jié)約焦?fàn)t加熱用煤氣，同時還能改善焦?fàn)t加熱制度和操作管理，使?fàn)t內(nèi)溫度均勻，熱平衡處于較好狀態(tài)，焦炭強(qiáng)度M40提高0.5～1個百分點(diǎn)[10]。該技術(shù)已在攀鋼、安鋼、陜焦等多家企業(yè)實(shí)施，技術(shù)的智能集成水平還需提升，節(jié)能減碳效果還需進(jìn)一步驗證。

③負(fù)壓無蒸汽蒸氨技術(shù)

負(fù)壓無蒸汽蒸氨技術(shù)是在負(fù)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(shù)。該技術(shù)可利用煙氣余熱將剩余氨水加熱到120 ℃后送入真空塔進(jìn)行閃蒸，高效脫除剩余氨水中的氨。相比蒸汽直接蒸氨技術(shù)，負(fù)壓無蒸汽蒸氨技術(shù)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(shù)目前已在水鋼、柳鋼、安鋼等企業(yè)實(shí)施，節(jié)能環(huán)保效果突出[11-12]。

④導(dǎo)熱油換熱技術(shù)

導(dǎo)熱油是一種有機(jī)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(dǎo)熱油換熱技術(shù)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(diǎn)[13]。焦化廠蒸氨及脫苯采用導(dǎo)熱油換熱技術(shù)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(dǎo)熱油換熱技術(shù)可以將管式爐廢煙氣作為熱源使用，不足部分焦?fàn)t煤氣補(bǔ)充，也可用荒煤氣作為熱源[14]。目前導(dǎo)熱油換熱技術(shù)成熟，濟(jì)鋼、萊鋼、包鋼、旭陽煤化工等多家企業(yè)已采用此技術(shù)。

(3)提高余熱余能回收利用

重點(diǎn)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(diǎn)技術(shù)包括干熄焦技術(shù)、上升管余熱回收技術(shù)、煙道氣余熱回收技術(shù)、循環(huán)氨水及初冷器上段余熱回收技術(shù)。

①干熄焦技術(shù)

干熄焦技術(shù)是一種利用惰性氣體(N2)與紅焦進(jìn)行換熱，將焦炭冷卻至約210 ℃后排出的熄焦技術(shù)。惰性氣體與紅焦進(jìn)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(shù)回收紅焦熱量的同時，可使焦炭強(qiáng)度M40提高3～5個百分點(diǎn)，M10降低0.3～0.5個百分點(diǎn)，CSR提高2～4個百分點(diǎn)，CRI降低2～4個百分點(diǎn)，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(yùn)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(shù)

上升管余熱回收技術(shù)利用裝有導(dǎo)熱材料(水、固體粉末、導(dǎo)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(shù)問題一直沒被利用，近年來，隨著技術(shù)的逐步成熟，寶鋼湛江、包鋼、鄂鋼等多家企業(yè)建設(shè)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(shù)

焦?fàn)t煙道氣溫度一般在250 ℃，煙道氣余熱回收技術(shù)將焦?fàn)t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(shù)在河北、山西等許多獨(dú)立焦化企業(yè)廣泛實(shí)施，運(yùn)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(jìn)入負(fù)壓塔進(jìn)行蒸氨，運(yùn)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(shù)

焦?fàn)t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(dá)到70 ℃，通過吸收式冷(溫)水機(jī)組、換熱器技術(shù)回收這些余熱資源，可用于夏季制冷、冬季采暖、生產(chǎn)浴池?zé)崴甗21-23]。包鋼、濟(jì)鋼、邯鋼等許多焦化廠均采用該技術(shù)，節(jié)能效果明顯。

2.2 節(jié)能減碳技術(shù)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(yùn)行的重點(diǎn)節(jié)能減碳成套技術(shù)的效果評價見表1。10項重點(diǎn)節(jié)能減碳技術(shù)共計可降低焦化工序能耗70.2～83.6 kgce/t(不含導(dǎo)熱油換熱技術(shù))，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(diǎn)節(jié)能減碳成套技術(shù)效果評價

3 未來技術(shù)發(fā)展方向

3.1 能源流全流程優(yōu)化技術(shù)

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(fù)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(luò)集成技術(shù)，開發(fā)并構(gòu)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(luò)，實(shí)現(xiàn)能量流網(wǎng)絡(luò)有序穩(wěn)定運(yùn)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(luò)集成技術(shù)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(guān)技術(shù)，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(shù)

在現(xiàn)有二次能源技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級，進(jìn)一步提升二次能源回收量，重點(diǎn)包括：推動高參數(shù)干熄焦裝置研發(fā)與應(yīng)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(shù)，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(dāng)前高參數(shù)超高溫超高壓干熄焦技術(shù)已在廣西盛隆冶金實(shí)施工業(yè)化運(yùn)行，相比傳統(tǒng)高溫高壓干熄焦技術(shù)，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(shù)還需進(jìn)一步研發(fā)攻關(guān)[25-26]。

3.3 變革創(chuàng)新型余熱回收技術(shù)

傳統(tǒng)的荒煤氣余熱上升管回收技術(shù)存在結(jié)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(shù)、荒煤氣熱裂解技術(shù)、焦?fàn)t荒煤氣顯熱回收技術(shù)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(shù)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(jìn)的高效節(jié)能新型煉焦工藝及裝備的研發(fā)，致力于實(shí)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(jié)語

焦化行業(yè)節(jié)能技術(shù)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(shù)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(shù)、極致能效提升技術(shù)、變革創(chuàng)新型余熱回收技術(shù)將是焦化行業(yè)未來實(shí)施低碳發(fā)展的重要新路徑。