炼焦学第四章

第二篇炼焦生产本篇以常规焦炉的炉体、设备和生产操作为主要内容，在阐述几种主要焦炉的炉型结构、设备构造和主要操作要求基础上，讨论焦炉构造、焦炉设备的发展趋势，介绍炼焦生产过程中的环境污染控制和焦炉管理的现代化。

第四章炼焦炉及其设备第一节炼焦炉一、炼焦炉的发展炼焦炉的发展大体可分为成堆干馏、倒焰炉、废热式焦炉、蓄热式焦炉和巨型反应器五个阶段。

我国很早就采用简易方法制造焦炭，据《古今图书集成》等史料记载，早在明代（1368～1644年）或更早就用煤炼制焦炭并用于炼铁等方面。

在欧洲，1619年Dudley发现用适当的煤炼成的焦炭可以代替木炭，改善高炉操作。

但直到1735年焦炭炼铁才获得成功，所以1735年被认为是炼焦工业开始发展的一年。

最早的炼焦方法是将煤成堆干馏，后来发展成为砖砌的窑，此类方法的特点是成焦和加热合在一起，靠干馏煤气和一部分煤的燃烧将煤直接加热而干馏成焦炭，所以焦炭产率低、灰分高、成熟度不匀。

为了克服上述缺点，十九世纪中叶出现将成焦的炭化室和加热的燃烧室用墙隔开的窑炉，隔墙上部设通道．炭化室内煤的干馏气经此直接流入燃烧室，同来自炉顶通风道的空气会合，自上而下地边流动边燃烧，故称倒焰炉。

干馏所需热从燃烧室经炉墙传给炭化室内煤料。

随着化学工业的发展，要求从干馏产生的粗媒气中回收化学产品。

为此将炭化室和燃烧室完全隔开，炭化室内生成的粗煤气先用抽气机吸出，经回收设备分离出化学产品后，净煤气再压送到燃烧室内燃烧。

1881年德国建成了第一座副产焦炉。

由于煤干馏过程中产生的煤气组成是随时间变化的，所以炼焦炉必需由一定数量的炭化室构成，各炭化室按一定顺序依此装煤、出焦，才能使全炉的煤气组成接近不变，以实现连续稳定生产，这就出现了炼焦炉组。

燃烧产生的高温废气直接从烟囱排入大气，故称作废热式焦炉。

这种焦炉所产煤气几乎全部用于自身加热。

燃烧产生的1200℃左右高温废气所带走的热量相当可观。

为了减少能耗、降低成本；并腾出部分焦炉煤气供冶金、化工等其他部门作燃料或原料，又发展成具有废热回收装置的换热式或蓄热式焦炉。

换热式焦炉靠耐火砖砌成的相邻通道及隔墙，将废气热量传给空气，它不需换向装置，但易漏气，回收废热效率差，故近代焦炉均采用蓄热式。

蓄热式焦炉所产煤气，用于自身加热时只需煤气产量的一半左右。

它还可用贫煤气加热，将焦炉煤气几乎全部作为产品提供其他部门使用，这不仅可以降低成本，还使资源利用更加合理。

自1884年建成第一座蓄热式焦炉以来，焦炉在总体上没有太大变化，但在筑炉材料、炉体构造、有效容积、装备技术等方面都有显著进展。

随耐火材料工业的发展，自本世纪20年代起，焦炉用耐火砖由粘土砖改为硅砖，使结焦时间从24～28h缩短到14～16h，一代炉龄从10年延长到20～25年。

由于高炉炼铁技术的进展，要求焦炭强度高、块度匀；由于有机化学工业的需要．希望提高萘和烃基苯的产率。

这就促进了对炉体构造的研究，使之既实现均匀加热以改善焦炭质量，又能保持适宜炉顶空间温度以控制二次热解而提高萘等产率。

60年代以来，高炉向大型化、高效化发展，焦炉发展的主要标志是大容积（由50年代的30m3级发展至80年代的70m3级）、致密硅砖、减薄炭化室炉墙和提高火道温度。

80年代以来，以德国为主的欧洲焦化界认为对传统的多室式焦炉而言，要进一步提高劳动生产率和减轻环境污染，就应尽量减少出炉次数，增加每孔炭化室的容量和采用预热煤炼焦。

但常规的多室蓄热式焦炉在炭化室尺寸的长、宽、高的进一步增大，均受到平煤杆长度受限，长向温度差加大，结焦时间过度增长，炉顶厚度增大，削弱炉墙强度等一系列因素的限制；而在常规焦炉中采用预热煤炼焦，又由于产生较大的膨胀压力，可使炭化室墙变形而降低焦炉使用的寿命等限制。

因此常规多室式焦炉的技术水平已基本达到了顶峰。

为解决焦炉进一步的发展技术，欧洲焦化界提出了单炉室式巨型反应器的设计思想以及煤预热与干熄焦直接联合的方案。

90年代，由德国等8个国家的13家公司组成的“欧洲炼焦技术中心”在德国的普罗斯佩尔（Prosper）焦化厂进行了巨型炼焦反应器（JCR—Jumbo Coking Reactor），也叫单室炼焦系统（SCS—Single Chamber System）的示范性试验，这种焦炉在每个炭化室两边各有独立的一个燃烧室、隔热层和抵抗墙，每个炭化室自成体系，彼此互不相干，试验装置高10m，宽850㎜，长10m（半炭化室长），装炉煤用干熄焦系统蒸汽发生器中回收部分热量后的惰性热气体进行干燥、预热后，装入巨型反应器中炼焦。

试验进行了三年多时间，共试验650炉，生产近3万吨焦炭，取得了焦炭反应后强度明显增加，焦炉配用更多高膨胀性、低挥发煤和弱粘或不粘高挥发煤，节能8％，污染物散发量减少一半，生产成本下降10%等效果。

实现了焦炉超大型化，高效化和扩大炼焦煤源等方面的突破，被认为是新世纪取代传统焦炉的一种新炉型。

但这种技术的商业化还受到诸如推焦和出焦机械的大型化，干熄焦和煤预热联合生产装置能力的大幅度提高等因素制约，尚有一定的发展过程。

80年代以来以美国和澳大利亚为代表，对现行带回收的炼焦生产工艺，存在投资大、环境污染等问题，为解决焦炭的需要而改建老焦炉时，提出了带废热发电的无回收炼焦工艺作为一种短期能满足需要，长期又能适应发展要求，弹性大、投资省的捷径。

在澳大利亚建设了年产焦24万吨的三组135孔，在美国阳光煤业公司建成年产焦55万吨和最近建设并计划年生产能力133万吨的这种无回收焦炉工艺。

上述无回收焦炉是一种长12～14m，宽2.4～3.7m，高3.0～4.6m带炉底火道的长窑，装煤厚度610～1220㎜，因此煤层上方有较大空间，煤料结焦所需热量由粗煤气在该空间部分燃烧和表面层煤料燃烧以及未充分燃烧的粗煤气在炉底火道进一步被注入的空气燃烧所供给。

燃烧生产的热烟气经废热锅炉产生蒸汽并用于发电，废热锅炉后的热废气经净化后放散。

这种工艺在美国、澳大利亚被认为是一种投资省、环保条件好，废热得到利用，可取代常规焦炉的新一代无回收焦炉，因而受到部分炼焦界的关注。

但欧洲、日本和国内的焦化界认为这种工艺仍存在焦炉烟尘和环保治理依然存在，热效率低、煤耗高、成焦率低、焦炭灰分增加，生产能力小，占地面积大等一系列缺点，因而其应用范围有限。

综上，当前焦炉的主要结构型式，仍以多室的蓄热室焦炉为主，并在扩大容积，采用致密硅砖，减弱炭化室墙和提高火道温度等方面作为主要的技术发展方向。

二、蓄热式焦炉的基本构成蓄热式焦炉由炭化室、燃烧室、蓄热室、斜道区和炉顶区所组成，蓄热室以下为基础和烟道（图4—1）图4-1 焦炉炉体结构图1、炭化室与燃烧室炭化室是煤隔绝空气干馏的地方；燃烧室是煤气燃烧的地方，两者依次相间（图4－2），其间的隔墙要严格防止干馏煤气漏泄，还要尽快传递干馏所需热能。

焦炉生产时，燃烧室墙面平均温度约1300℃，炭化室平均温度约1100℃，局部区城还要高些。

在此温度下，墙体承受炉顶机械和上部砌体的重力，墙面要经受干馏煤气和灰渣的侵蚀，以及炉料的膨胀压力和推焦侧压力。

因此要求墙体透气性低、导热性好、荷重软化温度高、高温抗蚀性强、整体结构强度高。

为此，现代焦炉的炉墙都用带舌槽的异型硅砖砌筑，燃烧室内各火道间的隔墙还起着提高结构强度的作用。

顶装煤的常规焦炉，为顺利推焦，炭化室的水平截面呈梯形，焦侧宽度大于机侧，两侧宽度之差称锥度。

燃烧室的机焦侧宽度恰好相反，故机焦两侧炭化室中心距是相同的。

捣固焦炉由于装入炉的捣固煤并机焦侧宽度相同，故锥度为零或很小。

焦炉炭化室的主要尺寸见表4－1。

燃烧室用隔墙分成许多立火道，以便控制燃烧室长向的温度从机侧到焦侧逐渐升高。

立火道个数随炭化室长度增加而增多，火道中心距大体相同，一般为460～480㎜。

火道宽度则因炭化室中心距增大而加宽，这有利于火道内的废气辐射传热。

立火道的底部有两个斜道出口和一个砖煤气道出口，分别通煤气蓄热室、空气蓄热室和焦炉煤气管砖。

用贫煤气加热时由斜道出口引出的贫煤气和空气在火道内燃烧，用焦炉煤气加热时，两个斜道均走空气，焦炉煤气由砖煤气道出口引入与空气燃烧。

燃烧室顶盖高度低于炭化室顶，二者之差称加热水平高度，它是炉体结构中的一个重要尺寸，该尺寸太小，炭化室顶部空间温度过高，不利于提高焦化产品的质量和产率，还会增加炉顶积碳；反之，会降低上部焦并温度，影响焦并上下均匀成熟。

加热水平高度H 可按下列经验式确定H＝h＋△h十(200～300), ㎜（4—1）式中h—煤线距炭化室顶的距离（炭化室顶部空间高度），mm；△h—装炉煤炼焦时产生的垂直收缩量（一般为有效高的5～7％）mm；200～300—考虑燃烧室的辐射传热允许降低的燃烧室高度，mm炭化室长度减去机焦侧炉门砖深入的距离称有效长度，炭化室高度减去炭化室顶部空间高度，即装煤线高度，称有效高度，炭化窒有效长度，有效高度和平均宽度三者之乘积即炭化室有效容积，因此增大炭化室的长、宽、高可以增加有效容积，提高每孔炭化室的焦炭生产能力，但这三者的增大均有一定的制约因素（见第六节）。

炭化室中心距是影响焦炉砌体强度的重要参数，增加炭化室高度必须同时增大炭化室中心距。

2、斜道区位于蓄热室与燃烧室之间，是连接该两者的通道，不同类型焦炉的斜道区结构有很大差异，我国JN型焦炉的斜道区结构如图4一3。

斜道区内布置着数量众多的通道（斜道、砖煤气道等），它们距离很接近．而且走压力不同的各种气体，容易漏气，因此结构必须保证严密。

此外，焦炉两端因有抵抗墙定位，不能整体膨胀，为了吸收炉组长向砖的热膨胀，在斜道区内各砖层均预留膨胀缝，缝的方向平行于抵抗墙，上下砖层的膨胀缝间设置滑动层（不打灰浆的油毡纸），以利于砌体受热肘．膨胀缝两侧的砖层向膨胀缝膨胀。

斜道的倾斜角应大于30°，以免积灰造成堵塞。

斜道的断面收缩角一般应大于7°，以减小阻力。

同一火道内的两条斜道出口中心线的夹角尽量减少，以利于拉长火焰。

斜道出口收缩和突然扩大产生的阻力应约占整个斜道阻力的75%。

这样，当改变调节砖厚度而改变出口断面时，能有效地调节贫煤气和空气量。

3、蓄热室蓄热室位于焦炉炉体下部，其上经斜道同燃烧室相连，其下经废气盘分别同分烟道、贫煤气管和大气相通。

蓄热室用来回收焦炉燃烧废气的热量并预热贫煤气和空气，现代焦炉蓄热室均为横蓄热室（其中心线与燃烧室中心线平行），以便于单独调节。

蓄热室自下而上分小烟道、篦子砖、格子砖和顶部空间（图4—4），相同气流蓄热室之间的隔墙称单墙，异向气流蓄热室隔墙称主墙，分隔同一蓄热室机焦侧的墙为中心隔墙，机焦侧两侧砌有封墙。

小烟道和废气盘相连，向蓄热室交替地导入冷煤气、空气或排出热废气，出于交替变换的冷、热气流温差较大，为承受温度的急变，并防止气体对墙面的腐蚀，小烟道内砌有粘土衬砖。