温燕明（济南钢铁集团有限公司）
1 前言
煤化工是炼焦煤通过干馏、实现焦炭和其关联产品的生产、分离及重构的工艺模式。这个模式是煤深加工形式中工艺最简单、能源转化率最高、成本最低、关联产品最丰富的最优模式
我国煤化工产业经过60年的积累，特别是改革开放三十年，实现了跨越式高速发展，创造了一系列世界之最，支撑了我国钢铁工业的高速发展，支撑了城市燃料清洁化，促进了化工合成、电石、医药、染料等相关产业的高速发展，保障了国民经济跨越式发展对煤化工产品的需求，是影响国民经济基础的化工产业之一。
图1 煤炭主要利用模式的效率比较图
表1 我国2005年能源结构与发达国家比较（％）
|
国别 |
煤炭 |
石油 |
天然气 |
核电 |
水电 |
|
中国 |
76.5 |
12.6 |
3.2 |
0.9 |
6.8 |
|
美国 |
24.6 |
40.4 |
24.4 |
8.0 |
2.6 |
|
日本 |
23.1 |
46.6 |
13.9 |
12.6 |
3.8 |
|
法国 |
5.1 |
35.5 |
5.5 |
39.0 |
4.9 |
|
德国 |
23.9 |
37.5 |
25.3 |
11.4 |
1.9 |
表2 我国2006年重点钢铁企业外购能源结构与国外企业的对比（％）
|
国别 |
煤炭 |
水电 |
油类 |
天然气 |
|
中国 |
79.4 |
19.1 |
1.1 |
0.4 |
|
美国 |
59.8 |
16.1 |
7.3 |
16.8 |
|
德国 |
55.8 |
15.3 |
20.7 |
8.2 |
至2007年，我国生产焦炭3.35亿吨，占世界总产量的60%；出口焦炭1530万吨，占世界总贸易量的50%；生产1800万吨煤焦油、450万吨焦化苯、1400亿m3煤气，成为我国少数几个国人自豪的影啊世界市场的产业之一。
我国的能源结构缺油、少气、富煤的禀赋，使煤炭能源的清洁高效利用技术的开发利用，成为我国国民经济发展、节能减排的科学发展战略核心。2005年，全球能源消耗结构中煤炭仅占27.8% ,而我国能源消耗结构中煤炭比例则达到76.5％。
我国燃煤火电占总发电量的82.6%，如果冶金电力折合煤炭，则冶金厂的能源结构中95.2％为煤炭。焦化厂的焦炭质量及成本决定了钢铁产品的成本和竞争力，焦炉煤气对钢铁厂气态能源的优化并用于发电使钢铁厂能源结构高效运行，焦化厂环境的改善和资源的回收利用决定了钢铁厂环境友好型企业的建设，因而成为钢铁厂的能源中心、成本中心，其对钢铁厂的节能、减排及清洁生产发挥着不可替代的作用。
20世纪90年代，面对钢铁工业的跨越式大发展，国家落实科学发展观，推行节能降耗、清洁生产以来，我国焦化工作者积极引进、消化国外技术，大胆自主创新，为改变焦化产业为高污染、高能耗和粉尘、毒素、高劳动强度的状况，做出了极其艰苦的努力，扩大炼焦煤炭资源，提高焦炭质量，创新脱氨、脱硫工艺，开发清洁工艺技术，发展一碳化工，增加化工产品品种，消灭土焦，提高能源利用率，使焦化行业发生了根本性的改变，成为历史上少有的煤焦化技术高速、高发集成创新和普及期，成就了一代焦化产业的辉煌。但是由于历史的、技术的、机制的原因，整个行业仍处在高污染、高能耗、粗放状态，面对煤炭价格居高不下、焦炭价格下降、产品质量要求越来越高、成本压力、环境压力越来越大的现状，如何发挥工艺优势、破解制约瓶颈、培育新竞争力，只能依靠技术创新、技术进步来实现。
2 焦化工作者面临的任务
面对煤炭资源、市场、成本、环境高约束期的到来，必须认识到综合解决四大制约的关键是提高资源利用率、能源转化率和劳动生产率，以“污染物和废弃物是放错位置的资源”的视角，通过价值创新、技术创新，认真改变焦化产业依然存在的高污染、高能耗、低效益、低效率的状态，这是焦化工作者面对的挑战，也是难得的机遇。
纵观焦化工艺，我们面对的主要矛盾有如下几方面：一是高炉大型化，对焦炭质量的要求越来越高与炼焦煤资源短缺、煤质劣化的矛盾；二是焦化工艺的生产能耗高、污水多、难处理和节能减排约束指标越来越严的矛盾；三是焦化生产成本高、产品价格下降与盈利空间越来越小的矛盾；四是焦化生产工艺过程粉尘多、气味大、毒素多与环境要求越来越高的矛盾；五是产品单一、附加值低和市场需求与生产能力的矛盾；六是操作岗位分散、劳动强度大、劳动生产率低与现代化高效管理的矛盾。
走向21世纪的中国焦化产业，在国际上把焦化产业定为“夕阳产业”的形势下，只有靠我们自已自主创新、转变视角、更新观念，实现焦化产业的新跨越，建设清洁、高效、高附加值产品群的焦化厂，适应国家节能减排的形势，满足国民经济发展新需求。
3 对目前焦化生产工艺的分析
长期以来，我们一直关注产品形成技术的开发和产品主流程的资源保证及管理，而忽视了产品形成过程中能质转换及技术的开发和管理，忽视能质转换及传递过程的耦合匹配，恰恰是这些能质转换技术直接涉及资源、能源的高效利用和高效转化，因而造成过程运行成本高、效率低、污染严重，其实质是资源、能源的流失。
3. 1 从焦炉能源平衡看能效
按年产焦炭120万吨计算，应用煤调湿工艺，生产1吨焦炭可回收煤气余热6kgce。配煤水分下降4％，可降低焦炉煤气消耗，减少剩余氨水的产生，年直接经济效益可达1260余万元；利用干熄焦工艺，可回收焦炭余热42kgce/t焦，年发电可达1.66亿kWh, 创经济效益1亿元。开发应用上升管余热回收技术后，可回收荒煤气余热34kgee/t焦，年经济效益达8200万元。合计每年可节约标准煤11万吨，经济效益巨大。
图2 焦炉能源平衡图
图3 焦化回收采用正压工艺的温度变化曲线
3. 2 从回收工艺过程的温度梯度看能效
图3 中示出了焦化回收工序采用正压工艺的温度变化曲线。
(1) 对于传统的回收工艺，年产120万吨焦炭的焦化厂需消耗蒸汽69t /h，消耗新水150 t/h（无制冷水的为800t/h），产生酚氰污水99t/h。
(2) 煤气洗涤、蒸馏采用正压工艺造成物料蒸发耗散，工艺效率低、污染环境。
(3) 化工生产及扫气、保温、消防大量使用蒸汽，热效率低，产生大量酚水。
(4) 焦炉生产除干熄焦回收余热，其余余热基本未回收利用，且回收火用 值效率低。
(5) 槽罐、塔器放散管对环境污染突出。
(6) 产品品种少、精度低，附加值不高。
(7) 含酚废水产生点多、量大，分布广，处理难度大，运行成本高。
(8) 能源转化效率低，传递使用不偶合、不匹配。
3. 3 从焦化产品结构看能效
2007年全国焦炭产量3.35亿吨，理论测算煤焦油产量应为1782万吨，粗苯产量445万吨，焦炉煤气1400亿m3。有关部门重点统计的118家大中型焦化厂，年产焦炭2.2亿吨，焦油648.55万吨，粗苯156万吨。按此统计数据推算，对于年产3.3亿吨焦炭的生产能力，其焦油产量为972.8万吨、粗苯234万吨，说明化工产品的实际回收量与理论回收量差距巨大！精加工产品的品种少、产量低、附加值不高，甚至还有近200亿m3的焦炉煤气放散。
基于以上认识，我们必须改变现有传统的单一产品加工模式，提倡工艺全价开发、深度加工、综合利用。由只注重产品到一也注重过程，取得过程能质转化价值的最大化，以价值创新重塑工艺过程，提高资源效率和能源火用 效率，即在源头节约资源和减少污染，开发提高效率的技术，改变消耗高、污染重、成本高的状况，提高综合竞争力。
4 济钢对焦化生产工艺过程结构调整的尝试
长期以来，我们注重能量第一定律，注重能量守恒，注重能源平衡。还未充分注意能量第二定律，即注重能量传递的质量。实际上，能量传递只是一个耗散过程和不可逆过程，而不是一个简单的能源平衡问题。现实告诉我们，只有注重火用 和火无 的价值利用，才能在工艺过程中实现价值最大化，在能量高效转化中实现节能减排。
长期以来，在能源转化传递中，只注重需求的量满足及保证余热余能的量的回收，忽视了回收能源的质量及能源使用的匹配耦合及利用价值，造成过剩供应能源的损失耗散，因而出现回收能效低、使用能源效率低。
长期以来，我们广泛使用蒸汽做能源载体，但传递的能源质量差、效率低，并产生大量含酚废水，污染环境，治理成本高。基于以上认识，济钢开发了一批新的工艺技术，主要有以下几方面
4. 1 开发高效能源转化及高效用能工艺技术装备
(1) 干熄焦余热回收高压高温自循环全冷凝发电。在充分分析研究国内外干熄焦余热发电工艺技术的基础上，开发出了高压高温自循环全冷凝发电工艺，在经济效益方面具有明显的优势。表3示出了按年产焦炭120万吨的焦化厂采用不同的干熄焦发电工艺的对比结果。
表3 各种发电方式的指标对比
|
发电方式 |
蒸汽压力
MPa |
蒸汽流量
t/h |
发电量
kWh |
发电效益
万元 |
蒸汽产量
t/h |
蒸汽效益
万元 |
总效益
万元 |
|
高压全发电 |
9.8 |
78 |
21000 |
11600 |
－ |
－ |
11600 |
|
中压全发电 |
3.9 |
79 |
16000 |
9600 |
－ |
－ |
9600 |
|
背压式发电 |
5.4 |
79 |
5700 |
3420 |
63.2 |
4429 |
7849 |
(2) 热导油代替蒸汽。从传热过程的热力学原理角度分析
火用 损失＝T0ΔQ(TH－TL)/( TH×TL)
据此，对于同样的热量需求，使用蒸汽（煤气）与热导油（煤气）的成本相当于17: 1。以热导油代替蒸汽用于化产系统的生产，既可大幅度提高能源的利用效率，又不会产生废水。与传统的煤烧锅炉所产生的蒸汽相比，不仅热效率大为提高，而且杜绝了因蒸汽冷凝产生的废水。与使用干熄焦回收余热产生的蒸汽相比，杜绝了废水。按年产120万吨焦炭的规模计算，每年可创效益 7253万元，减少废水量46.8万吨。
(3) 煤的气流分级分离调湿技术。该技术可以充分利用焦炉烟道废气的余热，使配合煤水分降低，粉碎机电耗降低，且焦炭的粒度分布会更均匀。该技术采用的对流传热比传导、辐射传热系数高数十甚至几百倍，使低品位余热焦化烟气的使用成为可能，可节约煤气7.01亿m3 /a ,减少废水7.9万m 3/a，还提高了焦炭质量。
(4) 负压脱硫。该工艺可将煤气脱硫装置布置在鼓风机前、电捕焦油器后。初冷后的煤气以24 ℃左右进入电捕焦油器，然后进入脱硫系统，不需要专门设置预冷塔及相配套的循环水泵和换热器，脱硫后的煤气送鼓风机加压输送。该工艺与正压脱硫工艺相比，其优点是脱硫效率高，而且可使进入硫铵系统的煤气温度控制在40℃左右，减轻了煤气预热器的热负荷，煤气温度梯度的变化合理。
(5) 燃气制冷。对于制冷装置，使用煤气与使用蒸汽相比，可提高能源效率，减少废水，降低生产成本。
4.2 开发少用水和不用水的新工艺
(1) 不用蒸汽的蒸氨、蒸苯新技术。上述工序不用直接蒸汽，改用热导油加热。热导油只提高20℃与蒸汽加热至240℃相比，节能效果明显，热导油循环使用，节能效率高；且温度稳定，控制精度高。若蒸汽作间接加热，其冷凝热要浪费相当部分。如济钢焦化厂采用本工艺后，蒸氨热效率提高54.2%，工序能耗降低22.16 kg ce/t焦，每年减少废水15.6万吨。
(2) 煤焦油加工使用负压精馏。可取消馏份塔的直接汽，加热炉的加热煤气耗量可从常压蒸馏的65 m3/t焦油降至50 m3/t焦油以下；萘收率明显提高，平均为10.48%，最高可达到12.48%，比常压蒸馏提高了0.85%；沥青的软化点波动范围小，质量稳定。由于取消了蒸汽，与常压蒸馏相比，每年可节约蒸汽2.5万吨，既降低了能耗，又减少废水量。
(3) 脱硫废液提盐技术。通过提取焦炉煤气脱硫废液中的多铵盐，使脱硫液中的副产盐类逐渐下降，净煤气中的硫化氢含量也明显降低，可实现脱硫废液的零排放和废物资源化。统计表明，该技术使用前后，净煤气中硫化氢的平均含量由2.78g/m3降低到0.3g/m3。
(4) 油罐、管线伴热用热导油和电伴热。硫铵干燥用热导油后，改善了环境，杜绝了用蒸汽作热源时造成的废水，降低了生产成本。
通过实施以上几项措施，可以实现焦化厂的零蒸汽生产和工艺过程酚水的零排放。按年产焦炭120万吨的焦化厂计算，每年可减少酚水量31.5万吨，见表4。
表4 焦化废水产生量对比表
|
项 目 |
蒸汽生产设计量
t/h |
热导油生产
t/h |
降低量
t/h |
|
蒸氨废水 |
13 |
0 |
13 |
|
脱苯工序分离水 |
8 |
0 |
8 |
|
精苯工序分离水 |
6 |
0 |
6 |
|
焦油工序分离水 |
3 |
0 |
3 |
|
油罐 |
6 |
0 |
6 |
|
废水总量 |
36 |
0 |
36 |
4. 3 开发使用高效斜孔塔盘
斜孔塔盘是用于石油系统的新型高效塔盘，该塔盘上冲有一排排斜孔,与液流方向垂直，气体从斜孔水平方向喷出，相邻两排的孔口方向相反，交错排列，造成液体高度湍流。用于蒸氨后，处理能力比原来提高近60％，能耗下降50%；用于10万吨焦油加工装置，实现了焦油的负压高效蒸馏。
4. 4 开发除尘及有毒气体的密封技术
(1) 自除尘式加煤车。该车的除尘采用非燃烧和干式烟尘净化技术。装煤采用螺旋给料和球面密封导套，克服了地面站除尘系统处理大量荒煤气的弊端，提高了除尘效率。也没有水的二次污染问题。除尘收集下来的煤粉又掺入装炉煤中使用，解决了煤粉外排问题。与地面除尘站相比，不但达到了相同的除尘效果（烟尘捕集率＞95%、除尘净化率＞99％），而且节省了大量投资，操作方便，运行费用低，不需配备操作人员及额外占地，特别是实现了煤粉的回收利用，有效降低了资源浪费，节约了炼焦用煤。
(2) 高压水清扫炉门。通过在上下及两侧设置水压高达65MPa的高压水喷枪，产生高压高速的水流对炉门不锈钢刀边、密封槽以及耐火砖进行全方位、高效率的清扫，实现了炉门管理自动化，大大提高了炉门的密封质量，杜绝了炉门外泄烟气造成的能源资源浪费现象，以及对环境的污染，而且还降低了操作者的劳动强度。
(3) 沥青水下成型。沥青水下成型的工艺流程见图4。热沥青经冷却后，由制粒机的喷嘴喷入水中，并在水下将其切成规则的颗粒而冷却成型，沥青成型温度低，避免了沥青烟的产生，彻底解决了沥青烟的污染问题。
图4 沥青水下成型工艺流程示意图
(4) 除尘煤粉成型技术。可避免二次扬尘，提高了焦炭质量。
4. 5 开发信息自动化技术，提高管理水平
岗位离线集中控制，操管一体化，煤调湿和干熄焦实现智能化控制。年产能120万吨焦化厂定员由原设计的430人减少到246人，减少了43 ％。
4. 6 开发新材料，适应焦化工艺及环境
一是不锈钢复合板用于脱硫塔、蒸氨塔、脱苯塔等，成本低，耐腐蚀。以脱苯塔为例，采用复合板代替不锈钢，成本可下降30％以上；二是使用高效陶瓷多管除尘器，可耐高温、酸、碱，成本低。
4. 7 效果
以上技术的成功开发，有效地降低了能耗，提高了工艺过程的清洁度，实现了低能高效的运行模式，与原模式相比，吨焦成本下降228元，年效益2.73亿元。还可获得以下效果：一是大幅降低焦化工序的能耗，由1995年的188kgce/t焦降低到92.5 kgce/t焦，每年可节约标准煤24万余吨；二是大幅降低新水耗量，并实现了废水零排放。废水量从1995年的10.9 m3/t焦降低至0.97 m3/t焦, 工业水复用率达到97%，有效杜绝了对水的污染；三是蒸汽消耗逐年减少，节能效果和环保效益显著，蒸汽耗量从1995年的358kg/t焦降低到26kg/t焦，按年产120万吨的焦化厂计算，每年节约蒸汽40万吨，减少生产含酚废水36万吨，节约处理费用 2000万元；四是实现了焦化厂用电自给，并可向外供电；五是实现焦炭全干熄，使焦炭质量在煤种不变的情况下大幅提高；六是焦化厂运行成本明显下降，按工艺结构和能源结构调整后的能源利用方式计算，每年可降低成本2.73亿元；七是在实现“无渣、无尘、无味、无水外排”的四无焦化厂的目标上迈出了扎实的步伐。
5 焦化工艺技术进步的设想
焦化产业在环境压力、成本压力、市场压力的推动下，高效工艺技术的创新迅速发展、大量涌现。本着工艺过程能效提高、资源利用率提高、提高工艺清洁度和市场竞争力的目标，以工艺创新为基础，以设备创新为手段，以自动化创新为保证，以资源高效利用、高效转化、能质耦合匹配为目标，建设环境友好型、资源节约型、自主创新型的都市焦化厂，实现以下几个指标：焦化工序能耗＜80kgce/t焦；新水消耗达到0.5m3/t焦;蒸汽零消耗、废渣零排放；工艺产生的酚水30t/h（按年产120万吨焦计），实现无废水、无废渣、无废气、无异味。基于上述设想，提出几种工艺进步设想与焦化同行共同探讨、共同开发，推动焦化产业清洁化、高效化。
5. 1 理顺回收工艺温度梯度高效用能
工艺改进再迈一步，洗苯前移，形成自然温度梯度过程（见图5），不消耗外加能源，以最佳温度洗苯，提高脱苯、脱萘效率，取消终冷，减少废水和冷却水使用。减少投资和场地，降低能耗，减轻污染，降低成本。
图5 焦炉煤气回收工艺的温度变化图
5. 2 开发蒸氨、脱酚的优化负压蒸氨工艺
酚实现资源化回收，降低成本，提高工艺清洁度（图6）。
5. 3 开发负压苯蒸馏工艺
取消蒸汽，降低能耗，提高产品收率，每年可减少蒸汽消耗3.5万吨，相应减少废水3.5万吨，并降低生产成本，见图7。
5. 4 回收轻吡啶及化工合成高附加值产品群的开发
5. 5 开发工艺过程放散气微负压回收，作为助燃气体燃烧消除污染，净化环境
6 结论
综上所述，可得出如下结论：一是焦化工艺流程结构的调整，可使工艺实现了耦合匹配，高效设备的开发及热导油、电伴热的使用，使能质传递实现了耦合匹配；二是以源头削减、过程控制、末端资源化治理的原则，以能质高效转化技术实现的工艺结构、能源结构的调整，使废水及粉尘、毒素大幅下降，能耗大幅下降，焦化工艺的竞争力大为增强；三是历史将进一步证明，煤焦化工艺是高效清洁工艺，在国民经济及节能减排中的作用是不可替代的；四是基于大量高效技术的开发，煤化工工作者只要大胆创新，勇于担负历史责任，就一定会在焦化工业技术进步中有所发现、有所发明、有所创造、有所前进，在推动焦化产业清洁高效的道路上大有作为
我们有理由相信，通过模仿创新、集成创新、自主创新推动焦化产业高效化、清洁化，发挥产业优势，克服和消除产业弊端，完全可以把焦化厂建成都市型焦化厂。可以预见，未来的焦化企业，将完全有能力以自身的清洁融入城市、服务城市，并以低成本、高效工艺、多产品优势服务市场，形成市场优势。全体焦化工作者也一定能够以焦化行业清洁能源、高效转化的优势，为我国以煤炭为主的能源结构的国民经济的节能减排做出积极贡献。
