焦炭干熄：高效节能与环保的协同效应

焦炭干熄（CDQ）是焦炉生产焦炭时采用的节能工艺。CDQ装置亦称焦炭干法冷却装置（CDCP）。传统湿熄焦（CWQ）工艺中，从焦炉推出的红焦经喷水冷却，水分汽化排入大气。常规系统的问题是红焦显热转化为蒸汽后未利用即排放，造成能量损失。另一缺点是湿熄焦产生飞扬焦粉，导致高CO₂排放和热能损失。

湿熄焦过程中，炉焦显热散失大气；此外产生夹带苯酚、氰化物、硫化物和粉尘的蒸汽（约0.5吨蒸汽/吨焦），需大量水（约0.6立方米/吨焦），污染物随水排入环境。表1对比了湿熄焦与干熄焦焦炭典型性质。

干熄焦工艺中，红焦在密闭系统内经循环气体冷却，防止焦粉飞扬。常规湿熄焦损失的红焦热能被回收再利用为蒸汽。该技术减少化石燃料使用，降低CO₂排放，有助缓解全球变暖。近年来，因高效回收能量和减少环境污染，CDQ装置备受关注，被视为应对CO₂全球变暖和大气污染的必备设施。基于现有CDQ运行的节能核算显示，煤碳化产生的废热有85%被CDQ回收。

历史沿革

干熄焦技术最早由瑞士苏尔寿兄弟于1920年代提出。数十年后，俄罗斯吉普罗克克斯研究院开发出适合连续运行的改进型CDQ工艺。经中试和半工业试验，首套全规模CDQ装置于1965年在原苏联切列波韦茨钢铁厂投产。1978年前，原苏联已有约50套56吨/小时产能的CDCP模块运行。过去二十年CDQ逐渐被接受，但湿熄焦仍普遍。目前多国运行大量CDQ装置。图1展示吉普罗克克斯设计的56吨/小时CDQ模块。

图1 吉普罗克克斯设计56吨/小时CDQ模块

日本1975年从苏联购买许可证，1976-1977年建成三套装置。随焦炉产能提升，CDQ产能需相应扩大。为满足需求，日本开发了单室大型CDQ装置（单室干熄焦），可一次熄焦大量焦炭。单室CDQ无备用设施，可用性至关重要，稳定运行是关键。为助操作员稳定运行，近年开发了CDQ自动化技术。图2展示1975年以来CDCP单室产能递增趋势。

图2 1975年以来CDCP单室产能递增趋势

CDQ工艺流程

推焦后的热焦经底开式料斗装于熄焦车，运至CDQ装置。料斗经起重/装料装置升至CDQ室顶，红焦（约1000-1100℃）由装料装置卸入预室。冷却室内循环气与焦炭逆流：气体上升，焦炭靠重力下降。

连续运行CDCP中循环气体为混合气，主含氮气（N₂）及少量二氧化碳（CO₂）、一氧化碳（CO）、氢气（H₂）。典型组成：N₂ 70-75%、CO₂ 10-15%、CO 8-10%、H₂ 2-3%。热焦下降过程中，经冷却室下部吹入的循环气冷却至200℃以下，经底部卸料装置排出。焦炭在室内停留约5-6小时。表2列出56吨/小时CDQ典型运行参数。

高温循环气（约800-850℃）经冷却室换热后进入一级除尘器，再送入锅炉。循环气经锅炉换热冷却至约180℃。锅炉产生的蒸汽可作工艺蒸汽，或转为过热高压蒸汽驱动汽轮发电机组发电。

循环气经二级除尘器进入循环风机升压，经补氮调整成分后从冷却室底部喷入。必要时装设副省煤器，将循环气温度降至约130℃，提高冷却效率。

辅助设施包括：切割装置（切出室内焦炭）、循环惰性气除尘系统、风机前二级除尘器。图3展示CDQ工艺流程。

图3 CDQ工艺流程图

CDQ工艺优势

利用热焦显热

干熄焦发电无需消耗化石燃料，减少CO₂排放。例如（图4），200吨/小时CDQ可发电约36兆瓦。若用重油锅炉发同等电量，需重油12吨/小时，排放CO₂ 36吨/小时。CDQ兼具经济与环保效益。因回收焦炭显热，实现净节能，节能量约0.25吉卡/吨焦。CDQ有效利用了湿熄焦中散失大气的能量。

环境保护

CDQ无湿熄焦典型的白烟（含高粉尘），因全过程全密闭，改善了设备周边作业环境。

湿熄焦排放大量焦粉（约300-400克/吨焦），随蒸汽排入环境。新开发的“焦炭稳定熄焦（CSQ）”可减少粉尘，但CDQ防尘效果更佳。CDQ粉尘排放<3克/吨焦（图4），且随工艺改进持续优化。

CDQ在水污染与水资源保护方面亦环保：全程不用水，湿熄焦以水为冷却介质。

图4 CDQ工艺效益示意

对高炉生产的贡献

CDQ焦炭质量优于湿熄焦，带来高炉产量提升。两大优势：①焦炭机械强度更高；②水分极低（近乎零）。这些特性在高炉产生以下效益：

因无需蒸发焦炭水分，高炉燃料消耗降低数个百分点，亦减少CO₂排放，并因高炉炉顶温度升高改善TRT（顶部压力回收透平）发电。

高强度焦炭改善高炉透气性，提升还原反应效率，增加生铁产量。使用CDQ焦炭的高炉运行更稳定。焦炭强度提高使炉内保持足够渗透性，可实现更高喷吹煤率。

焦炭质量改善

CDQ焦炭质量优于湿熄焦，质量更稳定（标准差通常约1.25%）。均匀质量利于高炉操作。因循环气在CDQ室内逐步冷却，而非湿熄焦的水射流急冷，避免了水煤气反应，焦炭无表面气孔和内部裂纹。鼓指数预期提升约1.5%，CSR提升约2.5%。

配煤中优质焦煤比例高时，焦炭强度提升幅度相对较小。配煤中多用弱粘结煤，CDQ带来额外成本优势。