江蘇龍冶節能科技有限公司
中冶焦耐(大連)工程技術有限公司
福建三鋼閩光股份有限公司
武漢科技大學
近10年來我國年焦炭產量約4.5億噸左右，我國焦炭產量占世界總產量的68%，焦化工序能耗占鋼鐵聯合企業的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，這也是焦化行業重點關注的課題，研發一種高效、安全、節能的焦爐上升管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、節約資源、降低煉焦成本重要途徑，符合國家節能減排的方針政策及企業可持續發展的戰略。2011年國家發展改革委將焦爐荒煤氣余熱利用關鍵技術創新及產業化列為示范工程。
項目開展主要技術難點
焦爐荒煤氣余熱回收利用是當時焦化行業節能的難題之一，主要技術難點有：
一是650攝氏度~800攝氏度周期性變化大，極限溫度達1400攝氏度，溫度高且周期性變化大，傳熱不均衡。
二是含氨氣、焦油蒸汽、水蒸氣、苯蒸汽、硫化氫等介質，腐蝕性強。
三是荒煤氣溫度大于800攝氏度結石墨、低于450攝氏度掛焦油，控制換熱難度大。
四是易造成漏水進炭化室，損壞爐體。
五是爐體結構受限，不能改變原有上升管高度及內部通道。
六是現場有高溫、粉塵和腐蝕性氣體，環境惡劣。
上世紀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，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模化、商業化應用和推廣。
江蘇龍冶節能科技有限公司（下稱龍冶節能），是一家專業從事焦化行業焦爐荒煤氣上升管余熱回收、爐體隔熱保溫、碳化室單調、干熄焦等焦爐環保新技術的高新技術企業。該公司建有核心技術納米涂層加工區、恒溫室等基礎設施，并配備了較為先進的實驗設備；建立了完善的質量保證體系，通過了質量體系認證，擁有機電工程施工總承包三級、環保工程專業承包三級資質、D級I類、II類壓力容器制造許可證資質及GC2級壓力管道安裝許可資質；建有自動化信息中心，方便為業主提供實時在線監測、預警判斷和技術支持
2010年開始，在董事長孟曉東的帶領下，該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定可靠余熱回收的現狀，聯合攻關，對工況、材料、結構等進行基礎研究、優化、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，自主研發了高效節能焦爐上升管荒煤氣余熱回收技術，實現整套余熱回收裝置成功工業化、規?；?、商業化應用，實現了上升管設備及系統安全、環保、長壽和高效運行，有明顯的節能減排和良好的經濟效益。
項目主要創新點
一是首創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，研發出世界首套工業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，滿足上升管結構強度、導熱性、可焊性等要求，選擇合適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、優化，性能測試。研發出了耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、抗氧化、抗熱震性的非金屬材料納米涂層。
為了使研發成果能實現大規模工業化生產，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定。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，難以粘焦油、難以掛石墨，形成了滿足和適應焦爐工況環境的上升管復合材料產品。
二是研發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的影響，消除了漏水進炭化室的隱患。
三是研發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定產汽，解決了上升管換熱不均問題。
四是研發了適用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，適合多種后續工藝搭配組合，滿足用戶不同蒸汽品質需求。
項目成果應用前景廣闊
截至目前，龍冶節能獲授權專利38項，其中發明專利11項；2018年，龍冶節能參與制定行業標準《焦爐上升管荒煤氣顯熱回收利用技術規范》；2019年榮獲山東省冶金科技進步一等獎；2020年，龍冶節能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通過中國金屬學會鑒定為國際領先水平。
2017年以來，龍冶節能與中冶焦耐工程技術有限公司成為戰略合作伙伴，在中冶焦耐大力支持下，以科技創新、市場需求為導向，合作開發換代產品，滿足焦爐大型化、智能化的要求。新開發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，市場占有率穩步提升，產品的先進性、安全性、穩定性、得到了用戶的普遍認可，龍冶節能成為焦爐上升管余熱回收技術領域的領先者。
該項技術成果在福建三鋼、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多座焦爐上得到成功應用。經過改進及產品優化，應用該技術解決了大型上升管結焦冒煙導致的環保問題，同時保證最大的產汽量，真正做到上升管余熱回收經濟效益和社會效益的統一，為焦化行業綠色轉型提供了技術支撐，實現大規模產業化，帶動了荒煤氣余熱回收技術的蓬勃發展。
2019年—2021年，龍冶節能新增產值、新增利潤遞增式增長，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0.6兆帕~4.0兆帕飽和蒸汽和400攝氏度左右的高溫過熱蒸汽，每年產蒸汽量約474萬噸，年實現經濟效益至少約4.74億元以上。
該項技術研發成果，推動焦化行業產其應用為焦化行業節能減排技術做出了重大貢獻，對整個焦化行業乃至整個鋼鐵行業具有重大意義。
若全國焦化企業都實施本技術，每年可回收蒸汽4500萬噸，折算成標煤約440萬噸，折合二氧化碳減排1229萬噸，相當于年種植近67萬棵樹的成果；平均降低工序能耗約10千克標準煤/噸焦。
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，國際上還有更廣泛的應用市場。同時該項技術不斷創新完善已應用到其他領域，如焦爐基礎頂板隔熱爐體保溫等。
