江苏龙冶节能科技有限公司
中冶焦耐(大连)工程技术有限公司
福建三钢闽光股份有限公司
武汉科技大学
近10年来我国年焦炭产量约4.5亿吨左右，我国焦炭产量占世界总产量的68%，焦化工序能耗占钢铁联合企业的15%，在炼焦过程中，37%的红焦、27%的烟道废气等带出的热量均已有效回收，约36%荒煤气带出的余热未得到充分利用，这也是焦化行业重点关注的课题，研发一种高效、安全、节能的焦炉上升管余热回收技术势在必行。
焦炉荒煤气余热回收属于清洁能源技术，是实现绿色焦化、节约资源、降低炼焦成本重要途径，符合国家节能减排的方针政策及企业可持续发展的战略。2011年国家发展改革委将焦炉荒煤气余热利用关键技术创新及产业化列为示范工程。
项目开展主要技术难点
焦炉荒煤气余热回收利用是当时焦化行业节能的难题之一，主要技术难点有：
一是650摄氏度~800摄氏度周期性变化大，极限温度达1400摄氏度，温度高且周期性变化大，传热不均衡。
二是含氨气、焦油蒸汽、水蒸气、苯蒸汽、硫化氢等介质，腐蚀性强。
三是荒煤气温度大于800摄氏度结石墨、低于450摄氏度挂焦油，控制换热难度大。
四是易造成漏水进炭化室，损坏炉体。
五是炉体结构受限，不能改变原有上升管高度及内部通道。
六是现场有高温、粉尘和腐蚀性气体，环境恶劣。
上世纪70年代起，国内外就对焦炉荒煤气余热回收技术进行了不断研发，相继推出各种技术，但由于技术及材料未过关、成本高、安全风险大等因素均未实现规模化、商业化应用和推广。
江苏龙冶节能科技有限公司（下称龙冶节能），是一家专业从事焦化行业焦炉荒煤气上升管余热回收、炉体隔热保温、碳化室单调、干熄焦等焦炉环保新技术的高新技术企业。该公司建有核心技术纳米涂层加工区、恒温室等基础设施，并配备了较为先进的实验设备；建立了完善的质量保证体系，通过了质量体系认证，拥有机电工程施工总承包三级、环保工程专业承包三级资质、D级I类、II类压力容器制造许可证资质及GC2级压力管道安装许可资质；建有自动化信息中心，方便为业主提供实时在线监测、预警判断和技术支持
2010年开始，在董事长孟晓东的带领下，该公司项目团队针对焦炉上升管荒煤气高温、腐蚀、温度周期变化等工况下难以实现高效稳定可靠余热回收的现状，联合攻关，对工况、材料、结构等进行基础研究、优化、分析、对比，突破核心技术，解决了上升管漏水、挂焦油、干烧等技术难题，自主研发了高效节能焦炉上升管荒煤气余热回收技术，实现整套余热回收装置成功工业化、规模化、商业化应用，实现了上升管设备及系统安全、环保、长寿和高效运行，有明显的节能减排和良好的经济效益。
项目主要创新点
一是首创纳米涂层自清洁上升管换热专用设备，突破高温腐蚀工况对材料的影响，研发出世界首套工业化焦炉上升管荒煤气余热回收整体装备。
从技术难点入手，研究炼焦过程中上升管荒煤气的工况及周期性变化、上升管换热机理，分析了不同钢材的强度、耐热、腐蚀等特性，满足上升管结构强度、导热性、可焊性等要求，选择合适的材料作为上升管基材；依据荒煤气的物性、结渣机理，研究了多种纳米级氧化物性能，进行上千次的小试、中试，对获得的数据，反复对比分析、优化，性能测试。研发出了耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗氧化、抗热震性的非金属材料纳米涂层。
为了使研发成果能实现大规模工业化生产，进一步研制了制造工艺设备装置，将纳米涂层与金属材料致密贴合，保证热胀冷缩设备性能稳定。接触荒煤气介质内壁表面再配以纳米级光洁剂，高温下内壁光滑如釉面具备自清洁功能，难以粘焦油、难以挂石墨，形成了满足和适应焦炉工况环境的上升管复合材料产品。
二是研发导流结构和无缝低应力上升管结构技术，研究了机械载荷与高温引起的应力分布，高效换热、热膨胀等技术难题，最终形成了创新、独特的上升管换热设备结构，突破并实现了在全结焦周期内不受工况温度波动的影响，消除了漏水进炭化室的隐患。
三是研发了均热型上升管换热装备，有效控制现代化大型焦炉合理取热，换热更均衡；研究汽水管线均匀布水技术；实现了工艺系统换热效率可控和均衡稳定产汽，解决了上升管换热不均问题。
四是研发了适用生产高品质饱和蒸汽和高温过热蒸汽的上升管换热装置，创新的新型多腔式夹套上升管换热器耐温耐压，适合多种后续工艺搭配组合，满足用户不同蒸汽品质需求。
项目成果应用前景广阔
截至目前，龙冶节能获授权专利38项，其中发明专利11项；2018年，龙冶节能参与制定行业标准《焦炉上升管荒煤气显热回收利用技术规范》；2019年荣获山东省冶金科技进步一等奖；2020年，龙冶节能具有纳米自洁涂层换热装备的焦炉上升管余热回收系统技术通过中国金属学会鉴定为国际领先水平。
2017年以来，龙冶节能与中冶焦耐工程技术有限公司成为战略合作伙伴，在中冶焦耐大力支持下，以科技创新、市场需求为导向，合作开发换代产品，满足焦炉大型化、智能化的要求。新开发的焦炉上升管产品及成套装备技术不断地应用在新建的现代化大型焦炉上，市场占有率稳步提升，产品的先进性、安全性、稳定性、得到了用户的普遍认可，龙冶节能成为焦炉上升管余热回收技术领域的领先者。
该项技术成果在福建三钢、武钢、山钢、马钢、中天钢铁、山西潞宝、山东新泰正大、印尼德天等国内外120多座焦炉上得到成功应用。经过改进及产品优化，应用该技术解决了大型上升管结焦冒烟导致的环保问题，同时保证最大的产汽量，真正做到上升管余热回收经济效益和社会效益的统一，为焦化行业绿色转型提供了技术支撑，实现大规模产业化，带动了荒煤气余热回收技术的蓬勃发展。
2019年—2021年，龙冶节能新增产值、新增利润递增式增长，已投产运行的39套焦炉上升管荒煤气余热回收装置可实现产0.6兆帕~4.0兆帕饱和蒸汽和400摄氏度左右的高温过热蒸汽，每年产蒸汽量约474万吨，年实现经济效益至少约4.74亿元以上。
该项技术研发成果，推动焦化行业产其应用为焦化行业节能减排技术做出了重大贡献，对整个焦化行业乃至整个钢铁行业具有重大意义。
若全国焦化企业都实施本技术，每年可回收蒸汽4500万吨，折算成标煤约440万吨，折合二氧化碳减排1229万吨，相当于年种植近67万棵树的成果；平均降低工序能耗约10千克标准煤/吨焦。
全国现有焦炉1400多座，每年新建大型焦炉约60座。国内还有90%的应用市场前景，国际上还有更广泛的应用市场。同时该项技术不断创新完善已应用到其他领域，如焦炉基础顶板隔热炉体保温等。
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