焦爐技術發展進步展望

摘 要

摘要：介紹了焦爐的分類和幾種型號焦爐的爐體結構和特點，展望了國內外焦爐發展趨勢——建設大型現代化焦爐。在大型鋼鐵聯合企業建設大型現代化SCP機搗固焦爐，是一項
摘要：介紹了焦爐的分類和幾種型號焦爐的爐體結構和特點，展望了國內外焦爐發展趨勢——建設大型現代化焦爐。在大型鋼鐵聯合企業建設大型現代化SCP機搗固焦爐，是一項降低成本、緩和煉焦煤資源緊張、提高焦炭質量、環境友好的重要技術。
關鍵詞：常規頂裝焦爐；搗固焦爐；大型焦爐
Abstract：The classification of coke oven as well as the structures and characteristics of several types of coke ovens are introduced.The development trend of coke oven at home and abroad，namely construction of large modernized coke ovens is prospected.The construction of large modern stamping coke ovens with SCP machine in large iron and steel corporations is an important technology to reduce cost，mi tigate coking coal resource shortage，improve coke quality and achieve environmental friendliness.
Key words：conventional top charging coke oven；stamping coke oven；large coke oven
    我國近60年來鋼鐵、化工、有色金屬、機械工業高速發展，2009年鋼產量達5.6×108t/a，從而帶動了煉焦工業的快速發展[1～4]，2008年焦炭產量為3.27×108t/a，產生焦爐煤氣約1000×108m3/a，成為世界焦炭生產大國和焦爐煤氣生產大國。為適應各個時期經濟發展的需要，焦爐技術不斷變革和進步[5]，目前我國使用的焦爐已達到國際先進水平。本文就我國焦爐的發展進步進行回眸和展望。
1 中國焦爐近年的發展現狀
    進入21世紀，我國開始建設及引進大型現代化大容積焦爐。2004年12月16日，國家發展和改革委員會第76號文《焦化行業準入條件》規定，淘汰炭化室高在4.3m以下的焦爐。
    2001年至2009年，中國自行設計的具有自主獨立知識產權的炭化室高為6m及6.98m的大型焦爐建成投產約100座。具有自主獨立知識產權的炭化室高為6.25m的大型現代化搗固焦爐成功投產。引進德國炭化室高為7.63m的大型現代化大容積焦爐建成投產13座。2008年12月修定的《焦化行業準入條件》規定，將以生產鑄造焦為主的熱回收焦爐及以生產電石、鐵合金、硅鐵、碳化硅用焦的半焦直立干餾爐納入規范管理。我國已形成常規頂裝焦爐、搗固焦爐、熱回收焦爐、直立干餾爐在世界上最為完整的焦爐體系，其工藝技術裝備大型化已成為發展的主方向。
   2009年1月1日開始，執行國家工信部2008年12月修定的《焦化行業準入條件》，炭化室高在6m以下的頂裝焦爐不準建設。發展趨勢是逐步向現代大型化焦爐(如炭化室高為7.63、8.4m焦爐)進軍。
2 焦爐的分類及特點
2.1 焦爐的分類
    我國的焦爐爐型較多，1958年前的焦爐都是國外設計的焦爐，如奧托式、索爾威式、亨塞爾曼式、IIK、IIBP式、黑田式等，都建在鞍鋼、武鋼、本鋼、包鋼、石家莊焦化廠、首鋼等老廠。1958年至今，我國設計了多種符合我國特點的爐型，如66型、58型、JN55型、JN60型、JN70型焦爐，JN43型、JN55型搗固焦爐，引進了炭化室高度為7.63m的頂裝焦爐、6.25m的搗固焦爐、新日鐵M型焦爐、(60～120)×104t/a直立半焦干餾爐等。
   焦爐按加熱燃燒上升氣流與下降氣流連接方式分類：二分式、過頂式、雙聯火道式。
   焦爐按裝煤方式分類：頂裝煤焦爐、側裝煤焦爐(搗固焦爐)、直立式連續焦爐。
   頂裝煤焦爐(常規焦爐)是將裝爐煤從焦爐頂部裝煤孔裝入炭化室，如66型、JN43型、JN60-6型、JN60-87型、JN70型焦爐。搗固焦爐是先將裝爐煤用搗固機搗固成煤餅，然后從焦爐機側將煤餅送入炭化室。如炭化室高度為3.2、3.8、4.3、5.5、6.25m的搗固焦爐。早期的夯實法煉焦就是現代搗固煉焦的起源。
    我國還有熱回收焦爐、直立于餾爐等。我國的焦爐配有于熄焦裝備90余套，多家焦化廠采用了煤調濕和型煤技術，改善了環境，節省了能源。
2.2 焦爐的結構及特點
2.2.1 JN60-6型焦爐
   JN60-6型焦爐是我國具有自主知識產權的焦爐，為目前我國推廣建設的焦爐。JN60-6型焦爐爐體的主要尺寸指標見表1。
表1 JN60-6型焦爐爐體的主要尺寸指標
炭化室全長/mm
15980
炭化室有效長/mm
15140
炭化室全高/mm
6000
炭化室有效高/mm
5650
炭化室平均寬/mm
450
炭化室錐度/mm
60
炭化室中心距/mm
1300
炭化室有效容積/m3
38.5
立火道中心距/mm
480
加熱水平高度/mm
1005
   JN60-6型焦爐爐體結構及特點：
   ① JN60-6型焦爐的結構為雙聯火道、廢氣循環、焦爐煤氣下噴、高爐煤氣側入的復熱式焦爐。它是在總結國內炭化室高度為6m的焦爐多年生產經驗的基礎上，運用國內外的新技術、新材料、新經驗設計的新型焦爐。此焦爐具有結構嚴密、合理、加熱均勻、熱工效率高的特點。
    ② 蓄熱室主墻用帶有三條溝舌的異型磚相互咬合砌筑，而且蓄熱室主墻磚煤氣道管磚與蓄熱室無直通縫，保證了磚煤氣道的嚴密。蓄熱室單墻為單溝舌結構，用異型磚相互咬合砌筑，保證了墻的整體性和嚴密性。
    ③ 蓄熱室內裝有薄壁大蓄熱面格子磚，比厚壁格子磚增加1/3的蓄熱面，可使廢氣離開蓄熱室的溫度降低30～40℃。
    ④ 改進了蓄熱室封墻的設計，取消了效果不佳的隔熱罩，改用近年已在焦爐上廣泛使用、隔熱和密封效果都很好的新型保溫材料抹面，再加一層厚度為20mm的硅酸鈣隔熱板，因此減少了封墻漏氣，改善了爐頭加熱狀況，減少了熱損失，改善了操作環境。
    ⑤ 為保證炭化室高向加熱均勻，設計采用了加大廢氣循環量和設置焦爐煤氣高燈頭(高燈頭距炭化室底400mm)等措施。此外，由于采用廢氣循環，可以降低廢氣中的氮氧化物含量，減少了對大氣的污染。
    ⑥ 炭化室墻采用“寶塔”磚結構，它消除了炭化室與燃燒室之間的直通縫，增強了爐體的嚴密性，使荒煤氣不易竄漏，并便于爐墻剔茬維修。
    ⑦ 為了適應配煤需要，確定加熱水平高度為1005mm，可使焦餅上部與下部同時成熟，還可以避免爐頂空間產生過多石墨。
    ⑧ 爐頂裝煤孔和上升管孔砌體用帶有溝舌的異型磚砌筑，并在裝煤孔及上升管孔座磚上加鐵箍，保證了它的整體性，使爐頂更為嚴密，減少了荒煤氣的竄漏，防止爐頂橫拉條燒損。
    ⑨ 加大裝煤孔和上升管孔底部磚砌體的傾斜角，使之盡量接近入爐煤的安息角，以達到裝煤時煤氣流通順暢的目的。機側設單集氣管，將機側第一裝煤孔至上升管之間的爐頂空間加大，并加大上升管孔底部面積，使流經此區域的荒煤氣流速降低，有利于荒煤氣中夾帶的焦粉沉降，避免大量焦粉帶進集氣管。
    ⑩ 爐頂面焦爐中心至機、焦側正面，設有50mm的坡度，以利爐頂排水。
(11) 爐頂內層的紅磚改為同強度的漂珠磚，增強了隔熱效果和結構強度。
2.2.2炭化室高為6.25m的搗固焦爐
    炭化室高為6.25m的搗固焦爐是我國最大的搗固焦爐，其特點如下：
    ① 煤餅從機側裝入炭化室。
    ②煤餅上的荒煤氣流通通道小。
    ③ 炭化室錐度小。
    ④ 裝煤期間煤餅和炭化室墻面有空隙，裝煤后空隙很快消失。
   ⑤ 機、焦側煤餅頭部有斜度。
   ⑥ 若焦側煤餅頭部倒塌，將被推到焦側爐門處。
    ⑦ 機側爐頭炭化室墻面溫度波動大。
    ⑧ 煤餅密度均勻，水分穩定。
    ⑨ 結焦時間達到2/3時，煤餅開始收縮。
    ⑩ 從結焦初期到相當長的結焦時間里，炭化室墻面承受很高的側壓。
    該搗固焦爐的操作優勢如下：
    ① 炭化室中心距大，使得爐體強度高，穩定性好，抗風險能力強。
    ② 采用了技術水平先進的集搗固、裝煤、推焦一體化的SCP機，大大提高了搗固焦爐機械的操作效率。
    ③ 該焦爐控制搗固煤料水分、粒度，根據煤料性質確定合適的搗固功，采用自動連續給料，薄層自動搗固新技術，增加煤餅寬度、降低煤餅高寬比等綜合技術措施，大大增強了煤餅的穩定性。
    ④ 配備了完善的事故處理措施：在萬一出現煤餅倒塌事故時，可用SCP機上的切煤裝置切掉部分煤餅，再用機側操作臺外的膠帶輸送機送至煤槽；或者使用緊急事故煤槽處理不裝爐的剩余煤餅。
    ⑤ 配置了增大軌距的兩條走行軌道的攔焦機：內側軌道位于焦側操作臺柱子上方，外側軌道位于焦側除塵干管的支撐鋼結構上。這種新型結構的攔焦機具有車體長度短、穩定性好、焦側操作臺負荷小、不受爐體膨脹的影響等優點。
    ⑥ 炭化室的錐度設計為40mm，減小推焦阻力，減少推焦對焦爐爐墻的損壞。
    ⑦ 具有極為完善的環保措施。
    國產炭化室高為6.25m的搗固焦爐基本尺寸見表2.
表2 國產炭化室高為6.25m的搗固焦爐基本尺寸
炭化室全長/mm
17000
兩爐門襯磚之間的距離/mm
16170
炭化室全高(冷)/mm
6170
炭化室平均寬/mm
530
炭化室機側寬度/mm
510
炭化室焦側寬度/mm
550
炭化室錐度/mm
40
炭化室中心距/mm
1500
立火道中心距/mm
480
炭化室墻厚度/mm
100
立火道數量/個
34
加熱水平高度/mm
806
爐頂坡度/mm
50
2.2.3國外大型焦爐
   ① 德國UHDE7.63m焦爐
   德國伍德UHDE7.63m焦爐爐體的主要尺寸見表3。
表3 德國伍德UHDE 7.63m焦爐爐體的主要尺寸(熱態)
炭化室全長/mm
18800
炭化室有效長/mm
18000
炭化室全高/mm
7630
炭化室有效高/mm
7180
炭化室平均寬/mm
590
炭化室機側寬/mm
565
炭化室焦側寬/mm
615
炭化室有效容積/m3
76.25
炭化室錐度/mm
50
炭化室中心距/mm
1650
炭化室墻厚/mm
95
爐頂厚/mm
1768
基礎平面到炭化室底的距離/mm
5500
每個燃燒室火道數/個
36
   ② 國外超大型焦爐
   20世紀80年代初，聯邦德國的曼內曼斯公司建成炭化室高為7.85m的焦爐?，F階段，一些技術較為發達的國家所建的焦爐的炭化室高度多為6.0～7.5m，而且焦爐機械化、自動化程度不斷提高。進入21世紀，德國蒂森·克虜伯(TKS)公司在萊茵河史威爾根港新建了一座年產260×104t焦炭的現代化超大型焦爐組，炭化室容積為93m3(尺寸為20.8m×0.6m×8.4m)，每孔裝濕煤79t，每孔產焦炭54t，于2003年投產。2套干熄焦裝置由蒂森·克虜伯·因考克公司設計，每套處理紅焦能力為170t/h。采用了世界上先進的生產過程控制模型和自動化操作，排放氣體中氮氧化物質量濃度＜500mg/m3，氣體含塵質量濃度＜20mg/m3，利于環保，經濟效益高。史威爾根焦化廠焦爐部分技術指標見表4。
表4 史威爾根焦化廠焦爐部分技術指標
炭化室高度/m
8.4
炭化室長度/m
20.8
炭化室寬度/m
0.6
炭化室有效容積/m3
93.O
煤料堆密度/(kg·m-3)
845.0
每孔裝煤量/t
78.6
冶金焦產量/(t·a-1)
260×104
結焦時間/h
25
煤氣產量/(m3·h-1)
15×104
凈煤氣中H2S質量濃度/(g·m-3)
0.5
3 國外焦爐技術的發展
   開發目標為開發適應21世紀低污染、高效率、寬煤種的煉焦新技術。
    德國：倡導巨型焦爐系統。德國蒂森·克虜伯(TKS)公司在萊茵河史威爾根港開發興建的一座現代化超大型焦爐組，炭化室高度為8.4m，是世界上最大的頂裝焦爐。還開發了炭化室高度為6.25m并配備SCP搗固機的搗固焦爐。
    日本：2008年5月在新日鐵公司投產了采用新一代煉焦技術(簡稱Scope21)的環保超大型焦爐。Scope21生產工藝的關鍵是在焦爐裝煤前對煉焦煤進行陜速加熱(至330～380℃)預處理。此工藝可大幅度縮短煉焦時間；將低品位煤炭利用比例提高到50%；煉焦產生的氮氧化物可減少30%；與傳統焦爐相比，相當于年產100×104t焦炭可減少C02排放量40×104t。目前日本JFE公司正在開發鐵焦生產工藝，進一步減少C02排放，充分利用低品位煤炭，節約能源，改善環境。
4 我國焦爐技術展望分析
   我國積極發展焦爐大型化、搗固煉焦、煤調濕和型煤、干熄焦等技術，以擴大煤源和提高焦炭質量。
    發展成效：新建和改造焦爐數量直線上升，大型焦爐已有多家生產；干熄焦、搗固煉焦、配型煤、焦爐加熱控制、管理信息化等一批新技術得到推廣和應用。擴大弱黏結煤利用、配煤理論與方法、提高焦炭性能等理論研究取得可喜的成績。在引進、吸收和消化的基礎上，再創新，形成了具有自己特色的煉焦新工藝和新技術。
    ① 我國煉焦煤需求分析
    目前，我國鋼產能達5×108t/a，生鐵產量達4.7×108t/a，從而帶動了煉焦行業快速發展，我國焦炭產能達3.8×108t/a。
    按煉焦煤1.3t洗精煤生產1t焦炭計算，需洗精煤4.23×108t/a，再按照煉焦配煤比，焦煤配50%，肥煤配30%計算，則焦煤需2.12×108t/a，肥煤需1.27×108t/a。這樣，需要焦煤及肥煤原煤產量為(2.12+1.27)/0.5=6.78×108t/a。
    我國已探明的焦煤及肥煤儲量在整體煤炭品種中的比例僅為4%左右，2008年我國煤炭原煤產量為28×108t/a，按照平衡采煤的原則計算，焦煤及肥煤原煤的產量僅為1.12×108t/a，遠遠不能滿足煉焦生產需要的6.78×108t/a。
   ② 常規頂裝焦爐用煤分析
   我國煉焦煤資源中強黏結煤只占30%～40%，如果采用常規頂裝焦爐煉焦，需要配入2/3的強黏結煤，按2008年焦炭產量計算，需要配入6.78×108t/a強黏結煤來煉焦，才可保證煉焦質量。隨著我國大容積煉鐵高爐增多，焦炭質量要求更高，需要更多強黏結煤，然而我國優質煉焦煤資源緊張。搗固焦爐煉焦可以直接大幅度提高入爐煤的堆密度，提高焦炭的冷、熱強度，可以配入2/3的弱黏結煤而不影響焦炭質量，從而可減少焦煤及肥煤年用量3.39×108t/a，既緩解煉焦煤緊張局面，又可降低成本。
    ③ 我國搗固焦爐技術分析
    我國搗固焦爐技術，多是國外淘汰技術，采用固定站式搗固裝煤，裝煤煙氣處理采用消煙車方式，幾乎全是人工手動操作及移動搗固。煤餅倒塌率高達1%～10%，難推焦多，焦爐連續生產困難，搗固裝煤機械技術水平低。由于固定站式搗固焦爐沒有備用設備，機械檢修和發生事故時無法生產。采用國內搗固裝煤機械技術，不能滿足高爐煉鐵對焦炭不間斷的需要。因此國內大型鋼鐵聯合企業不愿建大型搗固焦爐。我國多在獨立焦化廠建搗固焦爐。
    我國自主設計建設的炭化室高為6.25m的搗固焦爐配備引進德國柯赫(KOCH)公司的世界最先進的SCP搗固機技術，搗固、裝煤、推焦一體化，即車載搗固，在車上同時完成搗固、裝煤、推焦全過程。SCP搗固機是德國KOCH公司的技術，運行采用二點定位方式，主要設有煤料儲存和皮帶輸送機構、搗固機構、鋼結構、走行機裝置、裝煤裝置、推焦裝置、啟閉爐門裝置、爐門及爐框清掃裝置、密封框裝置、機側爐頭煙氣除塵裝置及設置于推焦桿上的壓縮空氣管吹掃炭化室頂部及側面石墨的裝置，另設手動切煤餅裝置。搗固煤餅相對密度在1.12～1.15，強度高，倒塌率低(為1×10-4)，搗固焦爐可連續生產，可滿足高爐煉鐵對焦炭不間斷的需要。目前德國迪林根焦化廠、印度塔塔鋼鐵公司及中國青島煤氣公司使用SCP搗固機技術多年沒有出現問題，KOCH公司還將為我國日照鋼鐵公司及大同富嘉公司提供炭化室高為5.5m的搗固焦爐的SCP搗固機。
    KOCH公司與伍德(UHDE)公司開發的導煙技術，解決了搗固焦爐裝煤煙氣污染問題。
    SCP搗固機主要技術參數如下：全高為28000mm，全寬為26000mm，全長為34200mm，設備總質量為1250t，每天推焦裝煤循環次數為120次。
    搗固焦爐可以大幅度提高入爐煤的堆密度，生產的焦炭質量高，如M40、M10、CSR、CRI明顯提高，入爐煤可配入60%～70%弱黏結煤而不降低焦炭質量。
    在大型鋼鐵聯合企業建大型現代化SCP機搗固焦爐，可以保證高爐煉鐵對焦炭不間斷供應的需要，是一項降低成本、緩和煉焦煤資源緊張的重要技術。
5 結語
    我國已形成常規頂裝焦爐、搗固焦爐、熱回收焦爐、直立干餾爐世界上最為完整的焦爐體系，其工藝技術裝備大型化已成為發展的主方向。焦爐發展趨勢是逐步向現代化大型焦爐(如炭化室高度為7.63、8.4m焦爐)邁進。
    在大型鋼鐵聯合企業建設大型現代化SCP機搗固焦爐，可以保證高爐煉鐵對焦炭不間斷供應的需要，搗固焦爐煉焦可以直接大幅度提高入爐煤的堆密度，提高焦炭的冷、熱強度，可以配入2/3的弱黏結煤而不影響焦炭質量，從而可減少焦煤及肥煤用量，是一項可供選擇的降低成本、緩和煉焦煤資源緊張、提高焦炭質量和煤氣產量、環境友好的重要技術。
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(本文作者：高建業 沙鋼集團沙桐化學有限公司江蘇泰興 225400)