汪開保¹  伏 明²  錢虎林¹

（1．馬鋼股份有限公司煤焦化公司，馬鞍山 243000；2．馬鋼股份有限公司，馬鞍山 243000）

摘 要：高爐的大型化改造對焦爐提出對應(yīng)的保供要求，馬鋼異地大修建設(shè)4座最新的 JNX2-70-2 型7 m焦爐，實現(xiàn)了北區(qū) 4 700 m³高爐自產(chǎn)焦平衡，大幅降低了物流調(diào)度成本。介紹了馬鋼 7m焦爐工程爐體、關(guān)鍵裝備特點以及工程建設(shè)中馬鋼同步開展的綠色節(jié)能、智慧制造自主創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用實踐情況， 可為合理優(yōu)選焦化主力爐型與裝備提供有益的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：高爐大型化；7 m焦爐；智慧制造

1 前言

馬鋼于1958年5月17日成立焦化廠，1960年6月6日第一座、國內(nèi)第一版58-I型焦爐建成投產(chǎn)；1990年國內(nèi)以第一代雙集氣管6 m焦爐（日本M式焦爐轉(zhuǎn)化設(shè)計）建成；2003年3月31日國內(nèi)國產(chǎn)化率首次達到85%以上的國產(chǎn)化干熄焦示范工程在馬鋼建成投產(chǎn)；2007年1月13日，國內(nèi)第一版Uhde7.63設(shè)計轉(zhuǎn)化焦爐建成投產(chǎn)。在焦爐機械化、大型化、自動化、清潔環(huán)保方面，馬鋼一直努力走在新技術(shù)探索實踐的前沿。十四五期間，馬鋼連續(xù)淘汰了4.3 m、5.0 m焦爐4座，并根據(jù)南北區(qū)高爐冶金焦需求，在與高爐配套布局方面做了優(yōu)化，更新建設(shè)了最新版本的JNX2-70-2型7 m焦爐，實現(xiàn)北區(qū)4 700 m³高爐自產(chǎn)焦平衡，大幅降低了物流調(diào)度成本。馬鋼煉焦工序分為南北2個生產(chǎn)區(qū)域，優(yōu)化后的煉焦系統(tǒng)擁有焦爐8座，其中南區(qū)6 m焦爐、7 m焦爐各2座，北區(qū)7.63 m焦爐、7 m焦爐各2座，配置8套干熄焦裝置及6套發(fā)電系統(tǒng)，焦炭產(chǎn)能為530萬t。表1為馬鋼 現(xiàn)有焦爐爐型一覽表。

自產(chǎn)冶金焦炭主要滿足南區(qū)2座2 500 m³ 、北區(qū)2座4 700 m³ 高爐，而1座3 200 m³ 高爐主要使用外購焦炭一類冶金焦，自產(chǎn)焦缺口仍有160萬t/a。

2 馬鋼7 m焦爐工程

2.1 原料儲備

南區(qū)建設(shè)20個原料煤筒倉，儲煤能力16萬t，北區(qū)建設(shè)26個原料煤筒倉，儲煤能力20萬t。馬鋼開展了新型一體拖式定量給料機皮帶秤技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，實現(xiàn)了焦爐原料煤儲存與精確配煤一體化功能，其中小配比煤種配量精度達到小于±0.4%。

2.2 焦爐爐型選擇與產(chǎn)能

選擇中冶焦耐工程公司JNX2-70-2型焦爐，該爐型炭化室寬530 mm、炭化室全長18 640 mm、中心距1 500 mm、有效容積（熱）63.67 m³，單孔炭化室裝煤量（干）為47.12 t，單孔焦量增加12.5%。南北區(qū)2組4座焦爐均采用2×50孔配置，爐組產(chǎn)能為110～120萬t，配套采用2×140 t/h干熄焦及9.81 MPa干熄焦鍋爐，實現(xiàn)焦爐爐組全干熄焦作業(yè)。

2.3 焦爐爐體

蓄熱室沿焦爐機焦側(cè)方向分成18格分格、高爐煤氣及空氣下調(diào)、空氣與高爐煤氣分段供入、雙聯(lián)火道、廢氣循環(huán)、焦爐煤氣下噴的復(fù)熱下調(diào)式焦爐。立火道跨越孔采用八邊形結(jié)構(gòu)，保證了跨越孔整體結(jié)構(gòu)強度，增強了燃燒室的靜力強度，延長了焦爐使用壽命。煤氣與空氣道設(shè)在立火道隔墻中，高向分為二段，保證燃燒均勻，達到源頭控硝的效果。小煙道頂部設(shè)置可調(diào)箅子孔，增加了燃燒室長向的氣流分布調(diào)節(jié)的手段。第一次嘗試在炭化室爐頭及裝煤口部位采用抗氧化、高熱震穩(wěn)定性能的紅柱石磚，有效延長了爐體壽命。采用厚度為95 mm的炭化室墻壁，可以提高炭化室結(jié)焦速度，降低立火道溫度，進一步降低焦爐廢氣中NO_x的產(chǎn)生，減少對大氣的污染。

2.4 焦爐關(guān)鍵設(shè)備

裝煤采用無煙裝煤車+單孔炭化室壓力控制技術(shù)的組合方案實現(xiàn)無煙裝煤；焦爐設(shè)有出焦除塵地面站、機側(cè)爐頭煙塵水封式除塵地面站；采用上升管余熱回收技術(shù)回收荒煤氣部分顯熱；同步建設(shè)煙道氣脫硫脫硝裝置。焦爐機械可實現(xiàn)無人操作，有人值守。焦爐爐溫實現(xiàn)自動檢測與智能化無人化調(diào)節(jié)控制。

2.5 工程建設(shè)工期

第一座7 m焦爐（新1# 爐）2019年11月21日開始動工，4座焦爐連續(xù)動工，至2022年12月3日最后1座7 m焦爐（9# 焦爐）投產(chǎn)，焦爐工期：新1# 焦爐19月28天、新2# 焦爐18月26天、10# 焦爐15月10天、9# 焦爐15月16天，焦爐爐組達產(chǎn)86爐/日，時間為22天左右。其中以10# 焦爐為例，見圖1。

新建7 m焦爐達產(chǎn)后，單孔焦量達到36 t，其中北區(qū)7 m焦爐的建成實現(xiàn)了北區(qū)大高爐自產(chǎn)焦平衡，南區(qū)7 m焦爐替代原有小型焦爐，形成了重要的自產(chǎn)焦資源支撐。

3 馬鋼7 m焦爐工程建設(shè)中自主創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用實踐

按照焦爐大型化、清潔化、智能化發(fā)展規(guī)劃，馬鋼在焦爐建設(shè)中，重點在荒煤氣余熱利用、爐溫精準調(diào)節(jié)與智能調(diào)控、車輛自動化/無人化、干熄爐爐體長壽命等多項技術(shù)方面開展了創(chuàng)新實踐。

3.1 荒煤氣顯熱回收利用

馬鋼與技術(shù)合作方研發(fā)一種夾套型上升管蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在7 m以上頂裝焦爐工業(yè)化試驗，實現(xiàn)了荒煤氣顯熱高效回收。夾套型上升管蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)見圖2。

上升管蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)為夾套型，整體合金為無縫鋼管，換熱器內(nèi)管壁受熱面經(jīng)過特殊工藝處理涂覆有LED保護層，內(nèi)壁采用耐腐蝕和耐高溫的材料，解決了上升管內(nèi)壁在耐腐蝕（氧化、還原、H₂S酸化等）和耐高溫方面存在的問題；內(nèi)壁表面均勻光滑，無死角，不易凝結(jié)，從而盡可能地降低了焦油在內(nèi)壁的凝結(jié)；上升管換熱器進水管路采用分組、梯級管徑配置，保證了每個上升管換熱器進出水量相對平均，一定程度上均衡了上升管進出口荒煤氣的溫差。

上升管荒煤氣余熱利用技術(shù)在馬鋼投產(chǎn)的南北區(qū)7 m焦爐全部應(yīng)用，所產(chǎn)蒸汽品質(zhì)由0.8 MPa提高至1.4 MPa，噸焦產(chǎn)氣量達到100 kg，可安全并入蒸汽網(wǎng)為多用戶使用。

3.2 焦爐爐溫自動檢測與爐溫智能調(diào)控系統(tǒng)

3.2.1 紅外線測溫系統(tǒng)的研發(fā)

該系統(tǒng)通過XTIR-F915紅外光纖測溫儀準確測量焦爐立火道的溫度，并根據(jù)溫度變化趨勢，瞬時調(diào)節(jié)暫停加熱時間，從而達到精確調(diào)節(jié)燃燒室溫度，提高爐溫均勻性，并有效降低焦爐耗熱量的目的。紅外測溫系統(tǒng)示意圖見圖3。馬鋼7.63 m焦爐自動加熱和溫度檢測系統(tǒng)見圖4。

3.2.2 爐溫智能調(diào)控技術(shù)研究與應(yīng)用

針對2-1串序焦爐，生產(chǎn)爐與檢修爐溫差很大，1個單循環(huán)周期爐溫波動大，而國內(nèi)大型焦爐爐溫有自動檢測、爐溫反饋調(diào)節(jié)滯后嚴重的問題。

馬鋼在7 m焦爐建立爐溫精細化控制模型以及2-1串序焦爐溫度預(yù)先調(diào)節(jié)方法，應(yīng)對環(huán)境溫度與原料水分變化、焦爐生產(chǎn)所處的時間段實際檢測溫度與理想曲線的滯差，預(yù)先精確調(diào)控煉焦過程暫停加熱時間幅度，實現(xiàn)焦爐爐溫智能預(yù)先自動調(diào)控，從而實現(xiàn)焦爐加熱達到最佳燃燒狀態(tài)。焦爐溫度預(yù)先調(diào)節(jié)與原反饋調(diào)節(jié)曲線效果區(qū)別見圖5。

該項技術(shù)應(yīng)用后，焦爐標準溫度精確度提高1倍，焦爐立火道測溫誤差不大于±2 ℃，高向加熱改善，焦餅高向成熟均勻性提高，煉焦耗熱量下降約100 kJ/kg（干煤）；同時焦爐煙道氣NO_x的含量由800～1 000 mg/m³ 降低到400 mg/m³ 左右（焦爐煤氣加熱）。7 m焦爐最短結(jié)焦時間達到24.5 h，與寶鋼湛江基地65孔焦爐相當；K均≥0.92，煉焦耗熱量小于2 500 kJ/kg（BFG），達到同類型焦爐標桿水平。

3.3 焦爐煙氣脫硫脫硝技術(shù)

3.3.1 南區(qū)7 m焦爐采用干法脫硫+陶瓷纖維復(fù)合濾筒除塵一體化技術(shù)

干法脫硫+陶瓷纖維復(fù)合濾筒除塵一體化技術(shù)工藝流程見圖6。因南區(qū)焦爐化產(chǎn)單元沒有硫銨車間，為避免造成副產(chǎn)物處置困難，并結(jié)合工程占地、投資費用、可靠性和運行業(yè)績等因素綜合考慮，7 m焦爐最終采用干法脫硫+陶瓷纖維復(fù)合濾筒除塵一體化技術(shù)。

干法脫硫+陶瓷纖維復(fù)合濾筒除塵一體化技術(shù)脫硫效率達到85%以上，脫硝效率達到75%以上，除塵效率高達99%以上，整個系統(tǒng)溫降可以控制在20 ℃以內(nèi)，分獨立倉室設(shè)計，可以分倉室離線檢修，避免了焦爐不能停爐、環(huán)保設(shè)施需要檢修時不達標排放的問題。

3.3.2 北區(qū)7 m焦爐配套采用活性焦脫硫脫硝一體化技術(shù)

焦爐采用活性焦脫硫脫硝工藝。馬鋼7 m焦爐后續(xù)化產(chǎn)單元設(shè)有硫銨車間，活性焦脫硫脫硝工藝再生過程中產(chǎn)生的高濃度SO₂氣體（SO₂含量5%～10%）可用硫銨工藝吸收產(chǎn)生硫酸銨溶液，脫硫脫硝副產(chǎn)物不產(chǎn)生二次污染，且活性焦脫硫脫硝工藝催化劑可循環(huán)使用，活性焦脫硫脫硝工藝流程見圖7。

馬鋼活性焦脫硫脫硝裝置能夠?qū)⒔範t煙氣中的粉塵與SO₂脫除至1mg/Nm³ 以下，NO_x脫除至50 mg/Nm³以下，達到國家的超低排放要求。脫硫脫硝前后數(shù)據(jù)對比見表2。

3.3.3 干熄焦放散氣脫硫裝置采用碳酸氫鈉（SDS） 干法脫硫技術(shù)

目前各放散氣脫硫裝置運行穩(wěn)定。SDS干法脫硫具有占地面積小、建設(shè)周期短、運行成本低等優(yōu)點。干熄焦放散氣設(shè)施投用前后數(shù)據(jù)對比見表3。從表3可以看出，3# 干熄焦放散氣脫硫裝置投用以后，SO₂濃度由73.36 mg/Nm³降低到21.54 mg/Nm³，能夠有效降低干熄焦煙氣中SO₂濃度，達到國家的超低排放要求。

3.4 7 m焦爐機車無人化技術(shù)

3.4.1 裝煤系統(tǒng)無人化

馬鋼設(shè)計出一種無人精確統(tǒng)計平煤量的裝置、系統(tǒng)及方法，利用推焦機行動軌跡解決了余煤何時稱重的問題。開發(fā)了一種煤塔與裝煤車無人智能化聯(lián)鎖裝置及系統(tǒng)，如圖8所示，有效實現(xiàn)了裝煤過程無人化。

3.4.2 推焦機系統(tǒng)無人化

推焦機無人出焦系統(tǒng)見圖9。推焦機無人出焦系統(tǒng)包括推焦機連接的協(xié)調(diào)系統(tǒng)、推焦計劃系統(tǒng)、上升管系統(tǒng)、焦爐爐門服務(wù)系統(tǒng)、用于在接收到余煤提升信號后將余煤提升至煤塔的余煤提升系統(tǒng)和用于在爐門打開后進行除塵的除塵系統(tǒng)。推焦機無人出焦系統(tǒng)可以實現(xiàn)出焦過程的無人化及智能化控制。

3.4.3 焦爐機車自動定位系統(tǒng)總體設(shè)計

設(shè)計了適合馬鋼的焦爐機車自動定位系統(tǒng): 旋轉(zhuǎn)編碼器、線性編碼器、讀碼頭、碼牌、高速計數(shù)器模塊、變頻器等核心部件。自動定位的工作流程如下。粗定位：旋轉(zhuǎn)編碼器；精定位：碼牌；定位交叉確認：線性編碼器。多管齊下確保機車定位的可靠性和安全性。自動定位的工作流程見圖10。

除推焦機、裝煤車外，還有其他機車及系統(tǒng)， 均需完成各自的單體設(shè)備及系統(tǒng)的無人化/智能化操作，包括確認好各自對外的通訊協(xié)議與接口，調(diào)整好無人化生產(chǎn)時外圍設(shè)施如機車軌道、安全防衛(wèi)措施等。目前馬鋼7 m焦爐熄焦車、攔焦機已完全實現(xiàn)無人化，裝煤車、推焦機等車輛正在研發(fā)調(diào)試階段。

3.5 全焦集裝箱智能化環(huán)保運送

創(chuàng)新全焦集裝箱智能化環(huán)保運送新模式，實現(xiàn)全焦集裝箱運卸流程自動化運行，生產(chǎn)作業(yè)效率提升30%，運送過程實現(xiàn)全封閉，可杜絕粉塵逸散，可降低高爐槽下外排焦丁、焦粉量約10%，高爐冶金焦利用率明顯提升。

3.6 干熄焦系統(tǒng)爐體及關(guān)鍵設(shè)備裝置技術(shù)自主改進

3.6.1 干熄爐新型抗氧化、高強度紅柱石牛腿磚開發(fā)

紅柱石斜道支柱磚理化性能設(shè)計指標如表4所示。紅柱石斜道支柱磚主要原料品種功能：紅柱石增強了骨架強度，可有效提高熱震性能；高純電熔莫來石可有效吸收紅柱石轉(zhuǎn)化階段膨脹，提高熱震與抗折強度；板狀剛玉替代原碳化硅粉的組分，可有效提高抗氧化性能；納米級α- Al₂O₃材料，可有效改善高溫液相燒結(jié)過程，促進穩(wěn)定晶格生成。紅柱石磚已在7 m焦爐配套140 t/h干熄焦爐體成套應(yīng)用，解決了斜道支柱易損壞的難題，使用壽命由2年延長至4年以上。

3.6.2 自動化分級調(diào)節(jié)干熄爐給水預(yù)熱器開發(fā)

針對干熄爐關(guān)鍵設(shè)備給水預(yù)熱器低溫區(qū)酸露點腐蝕導(dǎo)致的壽命不達2.5年的問題，馬鋼根據(jù)干熄焦運行負荷的變化，設(shè)計一種與負荷自適應(yīng)調(diào)節(jié)的給水預(yù)熱器，改造為3層獨立結(jié)構(gòu)，采用滲鋁工藝ND耐蝕鋼，增加耐磨、抗硫化物腐蝕，改變逆流換熱流程為順流換熱流程，增加水流量自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)與負荷變動一致的換熱能力自動控制，避免了低溫腐蝕。自動化分級調(diào)節(jié)的給水預(yù)熱器管線流程見圖11。

自動化分級調(diào)節(jié)干熄爐給水預(yù)熱器設(shè)備運行穩(wěn)定，主要溫度控制點抗外部干擾能力強，自動調(diào)節(jié)范圍寬，調(diào)節(jié)精度高；各主要溫度控制點達到設(shè)計的控制目標，循環(huán)氣體干熄爐入口溫度控制在130±5 ℃，給水預(yù)熱器出口水溫低于100 ℃，排焦溫度≤180 ℃。

4 結(jié)語

（1）JNX2-70-2型7 m焦爐在馬鋼南北區(qū)的運行效果表明，焦爐22天達到設(shè)計產(chǎn)能，單孔焦量達到36 t，實現(xiàn)了北區(qū)大高爐自產(chǎn)焦平衡，南區(qū)形成重要的自產(chǎn)焦資源支撐。

（2）馬鋼7 m焦爐最短結(jié)焦時間達到24.5 h，與寶鋼湛江基地65孔焦爐相當；K均≥0.92，煉焦耗熱量小于2 500 kJ/kg（BFG），達到同類爐型先進水平；焦炭強度好、塊度均勻、揮發(fā)分小。

（3）馬鋼在7 m焦爐自動化、智能化操作高水平的基礎(chǔ)上，堅持與建設(shè)同步開展實施新技術(shù)、新材料、新裝置、全干熄的創(chuàng)新實踐，實現(xiàn)了爐溫智能化控制調(diào)節(jié)、車輛“一鍵操作”向“無人化”轉(zhuǎn)變以及干熄焦的長周期穩(wěn)定。

（4）馬鋼焦爐達標排放，達到行業(yè)創(chuàng)建A級企業(yè)鑒定，達到環(huán)保超低限排放標準。7 m焦爐是介于6 m與7.63 m之間的優(yōu)化成熟爐型，對于比較重視高爐原料品質(zhì)支持的鋼鐵聯(lián)合企業(yè)來說，該爐型是多數(shù)專家的優(yōu)選主力爐型。

（5）焦化行業(yè)在主動落實“碳達峰、碳中和”要求，加快淘汰落后爐型，轉(zhuǎn)型升級大型化、智能化焦爐，探索實踐智能化煉焦新途徑，在綠色發(fā)展節(jié)能減排方面已取得新突破，不過仍然任重道遠。