基本介紹
- 中文名：煉焦爐
- 外文名：Coke oven
- 使用時長：25年左右
- 構造：炭化室、燃燒室、蓄熱室等
- 容積：50米3左右
- 領域：能源
煉焦爐簡介,煉焦爐的構造,炭化室和燃繞室,蓄熱室,斜道區,爐頂區,焦爐基礎和煙道,煉焦爐烘爐,焦爐爐型劃分,按燃燒室火道結構形式劃分,按對加熱用煤氣種類的適應性劃分,按加熱煤氣供入方式劃分,按蓄熱室的布置方式劃分,焦爐築爐材料,砌築焦爐用耐火材料的基本要求,焦爐用磚,無煙煤高溫煉焦爐,連續煉焦爐,
煉焦爐簡介
煉焦爐的一代爐齡一般為25年左右，在操作、維護好的情況下可達30年以上。
20世紀30年代以前，焦爐炭化室容積一般不超過20米3。
1927年炭化室高6米、有效容積達30米3的大容積煉焦爐首次在德國建成投產。
60年代起許多國家相繼建造了大容積爐。廣泛使用的大型煉焦爐尺寸為:炭化室高6～7.5米,長15～17米,平均寬0.4～0.46米，有效容積達50米3左右。
中國的第一批近代煉焦爐於1919年在鞍山建成投產，以後在石家莊、石景山、本溪、大連和吉林等地相繼建成。由於長期戰爭，大都遭到破壞，1949～1959年，恢復了11座、448孔舊煉焦爐;新建、改建24座、1239孔煉焦爐。1957年起自己獨立設計煉焦爐，1965年起開始研究設計大容積煉焦爐。1970年第一座36孔高5.5米,有效容積達35.4米3的大容積煉焦爐投產,生產中各項主要指標均達到較好水平。
煉焦爐的構造
現代煉焦爐由炭化室、燃燒室、蓄熱室、斜道區、爐頂、基礎、煙道等組成。炭化室中煤料在隔絕空氣條件下受熱變成焦炭。一座焦爐有幾十個炭化室和燃燒室相間配置，用耐火材料(矽磚)隔開。每個燃燒室有20～30個立火道。來自蓄熱室的經過預熱的煤氣（高熱值煤氣不預熱）和空氣在立火道底部相遇燃燒，從側面向炭化室提供熱量。蓄熱室位於焦爐的下部，利用高溫廢氣來預熱加熱用的煤氣和空氣。斜道區是連線蓄熱室和燃燒室的斜通道。炭化室、燃燒室以上的爐體稱爐頂，其厚度按爐體強度和降低爐頂表面溫度的需要確定。爐頂區有裝煤孔和上升管孔通向炭化室，用以裝入煤料和導出煤料乾餾時產生的荒煤氣。還設有看火孔通向每個火道，供測溫、檢查火焰之用，根據檢測結果，調節溫度和壓力。整座焦爐砌築在堅固平整的混凝土基礎上，每個蓄熱室通過廢氣盤與煙道連線，煙道設在基礎內或基礎兩側，一端與煙囪連線。
炭化室和燃繞室
焦爐的炭化室是一個帶錐度的長方形空間。炭化室的頂部有加煤孔和荒煤氣出口，炭化室的兩端裝有可打開的爐門。為了減少推焦的阻力，防止損壞爐牆，炭化室的焦側比機側略寬，此寬度差稱為炭化室的錐度。為了使荒煤氣順利導出，炭化室內的裝煤高度(由平煤桿拉平的煤線至炭化室底面距離)低於炭化室的總高，裝煤高度稱為炭化室的有效高度。
炭化室在長度方向上，由於爐門襯磚伸入爐內，使實際裝煤空間的長度（即有效長度）比炭化室的全長略小。炭化室的有效容積為有效長、平均寬和有效高度三者的乘積。在焦爐的實際命名中，往往以炭化室的高度尺寸反映炭化室的大小及焦爐的規模，如我國的JN43-80型焦爐,其炭化室總高度尺寸為4.3m。
焦爐的炭化室與燃燒室相間排列，燃燒室長度與炭化室相同，在寬度上具有與炭化室錐度大小相同方向相反的錐度，即燃燒室的機側寬度比焦側寬度大，這樣炭化室機焦兩側的中心距是相同的。
燃燒室內的頂端空間高度低於炭化室頂的高度，二者間的差值稱為加熱水平高度。焦爐設定加熱水平的目的是防止對炭化室頂部空間加熱過度，在保證焦餅上下均勻成熟的前提下，控制煤乾餾熱解產物的二次熱解，提高化學產品的質量和產率。
現代焦爐的燃燒室由若干垂直的立火道組成， 立火道底部有供煤氣或空氣的入口(或廢氣出口)。為了便於觀察、測溫和調火，每個立火道都有一個看火孔引向爐頂。立火道之間的相互連線方式有多種類型，立火道始終是分成兩大組，當一組立火道供煤氣和空氣燃燒時，另一組立火道則排燃燒產生的廢氣，每隔一定的時間，兩組立火道的氣流進行交換以維持加熱的均勻,同時也滿足焦爐設定蓄熱室的要求。
燃燒室與炭化室之間的隔牆稱爐牆，焦爐在生產時，爐牆燃燒室側的平均溫度約1300℃，炭化室側的牆面可達1100℃以上。在此高溫下，牆體還要承受一定的側向推力和上部的重力，要求牆體結構上要防止乾餾煤氣泄漏、導熱性能要好，整體結構強度要高，為此現代焦爐的爐牆普遍採用帶舌槽的異型矽磚砌築。
蓄熱室
蓄熱室的作用是回收高溫廢氣的廢熱，預熱燃燒所用空氣或煤氣。蓄熱室位於焦爐爐體的下部，現代焦爐幾乎都採用橫蓄熱室，橫蓄熱室與炭化室和燃燒室平行，內部一般都設定中心隔牆，將每個蓄熱室分成機側和焦側兩部分。蓄熱室由頂部空間、格子磚、蓖子磚、小煙道以及主牆、單牆和封牆構成，對於下噴式焦爐，主牆內設有垂直磚煤氣道。
蓄熱室主要靠格子磚交替地吸熱和放熱起到回收熱量的作用。當蓄熱室內通入下降的高溫廢氣時，格子磚被廢氣加熱，下一個周期，改變蓄熱室內的氣流方向，變成上升氣流，通入空氣或煤氣，這時被加熱了的格子磚又對空氣或煤氣進行加熱，使其溫度達1000℃以上，這樣，一座焦爐必須是半數蓄熱室處於下降氣流，半數蓄熱室處於上升氣流，每隔20～30min進行一次氣流交換。處於下降氣流的蓄熱室壓力小於處於上升氣流的蓄熱室壓力，這就要求分隔異向氣流蓄熱室的隔牆必須嚴密，對於兩分式火道結構的焦爐，該隔牆是中心隔牆，而對於雙聯火道結構的焦爐，主牆是分隔異向氣流的隔牆。
由於主牆分隔異向氣流，主牆兩側的靜壓差大，煤氣容易串漏，而且主牆還是焦爐下部的承重牆，這就要求主牆具有足夠的強度，氣密性好。單牆的作用是將蓄熱室分成兩個窄的蓄熱室，分別用於預熱空氣和煤氣，因為煤氣和空氣屬同向氣流，壓差小，因此對單牆的密封要求比對主牆的要求略低，且不要求單牆承重。對於單熱式焦爐或兩分火道結構的焦爐，蓄熱室不設單牆。蓄熱室機側和焦側的兩端是封牆，封牆的作用是密封和隔熱，焦爐生產時，蓄熱室內為負壓，若封牆不嚴會導致空氣漏入蓄熱室。
蓄熱室的底部是小煙道，其作用是將的空氣或煤氣均勻分配進入蓄熱室和匯集並排出從蓄熱室下降的廢氣。由於此處的溫度變化劇烈，矽磚小煙道內一般襯以粘土磚。在小煙道的頂部是篦子磚，其作用是支撐蓄熱室內的格子磚，並通過篦子磚上的分配孔將氣流沿蓄熱室長向均勻分布。蓄熱室內放置的格子磚分條形和異形兩種，現代焦爐都採用薄壁異型多孔格子磚。焦爐使用高爐煤氣加熱時，含塵量應控制在15mg/m3以下，並定期使用壓縮空氣在蓄熱室處於下降氣流時進行吹掃。蓄熱室的溫度變化大，格子磚採用粘土磚。
斜道區
斜道區位於蓄熱室和燃燒室之間，斜道是連線燃燒室立火道與蓄熱室的通道，不同結構類型的焦爐斜道區結構差異很大。燃燒室的每個立火道都與兩個斜道和一個磚煤氣道相連。下噴式磚煤氣道從蓄熱室主牆經斜道區進入火道，側入式焦爐是在斜道區設有水平煤氣道，煤氣分別由機焦兩側引入分配到各個火道。對於雙聯火道結構的焦爐，每個燃燒室需要與下方的4個蓄熱室相連線，故斜道區複雜，是焦爐使用磚型最多的區域。
斜道區的溫度達1000～1200℃，所以在設計和砌築斜道區時，必須考慮矽磚的熱膨脹性，在每層磚內都留有膨脹縫，縫的方向平行於抵抗牆(砌爐時縫內應充填可燃盡材料)，當焦爐烘爐開工時，靠膨脹縫吸收焦爐斜道區的縱向熱膨脹。
由於斜道傾斜，為防止積灰造成堵塞，斜道的傾斜角應小於30°。斜道的斷面收縮角一般應小於7°，以減少其阻力。同一火道內兩個斜道出口的中心線交角應儘可能小，以利於氣流平穩拉長火焰。對於靠改變斜道口的調節磚的位置或改變調節磚厚度來改變出口斷面大小，調節貧煤氣量和空氣量的爐型，斜道的出口收縮，使上升氣流時斜道口阻力占整個斜道阻力的75%，這樣可增加調節的靈敏性。
爐頂區
炭化室蓋頂磚以上部位為爐頂區，該區砌有裝煤孔、上升管孔、看火孔、烘爐孔以及拉條溝等。為減少爐項散熱，爐頂不受壓部位砌有隔熱磚。爐頂區的實體部位設定平行於抵抗牆的膨脹縫，烘爐孔在焦爐轉為正常加熱投產時用塞子磚堵死。為防止雨水對焦爐表面的侵蝕，爐頂表面用耐磨性好的缸磚砌築。
焦爐基礎和煙道
焦爐的基礎位於爐體的底部，支承整個爐體、爐體設備和焦爐機械的重量，並把重量傳到地基上。焦爐基礎的結構形式隨爐型和加熱煤氣供入方式而不同，下噴式焦爐的基礎有地下室，它是由底板、頂板和支柱組成，整個焦爐砌在焦爐頂板平台上。澆頂板時，按焦爐膨脹後的尺寸埋設好下噴煤氣管接口。
煙道位於地下室的機焦兩側，在爐端與總煙道相通，再匯人煙囪根部。在分煙道和總煙道匯合處，設有吸力調節翻板。
焦爐的兩端設有抵抗牆，其作用是約束焦爐組的縱向膨脹，在烘爐過程中，由於抵抗牆的制約，當磚體膨脹時，膨脹縫發揮“吸收”作用。抵抗牆有平板式和框架式兩種結構，現多採用框架式。焦爐的縱向膨脹在實體的部位產生，溫度較高的斜道區膨脹產生的推力最大。為此在抵抗牆的結構上，在爐項區和斜道區設有水平粱，增大抵抗牆的抵抗能力。在焦爐頂部設有縱拉條，加強抵抗牆的抗彎曲能力，約束抵抗牆的柱頂的位移。
為了降低基礎頂板的溫度。在焦爐砌體與基礎頂板之間，一般砌有4～6層紅磚隔熱，由於焦爐砌體沒有預留橫向的膨脹縫，這樣當焦爐烘爐時，頂板上的焦爐砌體必然向兩側膨脹而產生滑動，為了利於這種膨脹產生的滑動，在砌築焦爐之前，在隔熱層上沿機焦兩側向中心鋪置一定寬度的滑動層，然後再進行爐體砌磚。
焦爐的基礎與相鄰的構築物之間留有沉降縫，以防止因地基承壓力不同，各部位的承重差異導致產生沉降差，拉裂基礎平台。
煉焦爐烘爐
煉焦爐烘爐階段由於矽磚的膨脹是非線性的，上下部位膨脹速度不一，有被拉成階梯裂紋的可能。正常生產過程中，由於炭化室的周期性裝煤和出焦，爐溫波動很大，砌體也會產生一定程度的脹縮變化。再加各種機械設備對砌體的撞擊，均可能導致砌體變形和開裂。因此要利用可調節的彈簧勢能，通過護爐設備連續不斷地向砌體施加數量足夠、分布合理的保護性壓力，使砌體從烘爐、開工到正常生產的整個過程中始終保持完整和嚴密，一直到焦爐停產,均應維持這種保護性壓力,並定期檢查、調整。護爐鐵構件對焦爐施加的總負荷，按爐高計算，每米為1.5～2.0噸。由於矽磚的殘存膨脹和不可避免地產生的裂縫，將導致爐長逐年膨脹，正常的年膨脹量應不大於10毫米,護爐設備管理較好的焦爐,投產二、三年後年膨脹量可在5毫米以下。爐長的總膨脹量是爐體衰老的標誌之一。
焦爐爐型劃分
現代焦爐爐型可以按多種方法加以劃分，不同結構的焦爐其主要區別在於下列幾方面：燃燒室火道結構、對加熱用煤氣種類的適應性、加熱煤氣供入方式、蓄熱室的布置方式和改善高向加熱均勻性的措施等。
按燃燒室火道結構形式劃分
按火道結構型式劃分，焦爐分為水平火道和立火道兩大類，水平火道在現代焦爐中已基本不再採用。
立火道焦爐又分為兩分式、四分式、跨頂式、雙聯式等類型，其中以兩分式和雙聯式火道結構的焦爐套用最廣，也是國內的主要焦爐爐型。
兩分式焦爐的特點是在立火道上方砌有水平集合焰道，燃燒室的立火道分成機側和焦側兩組，並由頂部水平集合焰道連線。在一個交換周期內，一組立火道供空氣和煤氣加熱，另一組立火道排廢氣，交換後氣體流動方向變換。
四分式焦爐燃燒室用隔牆分成兩半，這樣每個燃燒室有兩個水平焰道。在一個交換周期內，外邊兩組立火道進行加熱，裡邊兩組立火道走廢氣，交換後，裡面的兩組立火道加熱，而外邊的兩組立火道走廢氣。
跨頂式焦爐的特點是，相鄰的兩個燃燒室由跨過炭化室頂部的大焰道相連，跨頂焰道兩則由3～4個立火道為一組的上部短集合焰道連線。在一個交換期內，一個燃燒室的所有立火道進行加熱，而相鄰燃燒室的所有立火道排出廢氣。交換以後改變氣流方向。對於整個焦爐來說，始終有一半燃燒室在加熱，另半數燃燒室排廢氣。
雙聯式火道結構的焦爐，其特點是，燃燒室中每個單數火道與相鄰的下一個雙數火道聯成一對，形成所謂的雙聯。在每對雙聯的立火道隔牆上部有一個跨越孔相通，在一個交換周期內，如果某個燃燒室的雙數立火道加熱，則單數立火道排廢氣，換向改變加熱方向後，變成該燃燒室的單數立火道加熱，而雙數立火道排廢氣。
目前國內建設的焦爐，火道主要採用雙聯和兩分結構。大型焦爐均採用雙聯火道結構。
按對加熱用煤氣種類的適應性劃分
焦爐加熱用的煤氣通常分成兩大類：富煤氣即焦爐煤氣和貧煤氣。貧煤氣主要包括高爐煤氣、發生爐煤氣等。焦爐煤氣的熱值高，供焦爐加熱時不需經蓄熱室預熱。而高爐煤氣或發生爐煤氣加熱焦爐時，必須經蓄熱室預熱。
焦爐的加熱系統若只能使用富煤氣加熱，這種焦爐稱為單熱式焦爐。加熱系統既可用富煤氣加熱，又可用貧煤氣加熱，這樣的焦爐稱為復熱式焦爐。復熱式焦爐有兩套煤氣供入系統，分別提供焦爐煤氣和貧煤氣。當採用貧煤氣加熱時，煤氣須經蓄熱室預熱。國內的大中型煉焦廠在建設焦爐時，一般選擇建設復熱式焦爐，通過向焦爐提供低熱值煤氣加熱，頂替出焦爐煤氣，增加城市煤氣供應。對於冶金企業焦化廠，為了回收利用高爐煤氣加熱，同樣推薦建設復熱式焦爐 。
按焦爐加熱煤氣供入加熱系統的方式不同，焦爐可分為以下幾種：
1）富煤氣下噴式焦爐；
2）富煤氣側入式焦爐；
3）貧煤氣側入式焦爐；
4）富煤氣、貧煤氣及空氣全下噴式焦爐。
按加熱煤氣供入方式劃分
在下噴式焦爐中，富煤氣由焦爐下部經蓄熱室主牆內的垂直磚煤氣道進入立火道。貧煤氣和空氣從焦爐下部基礎頂板進入蓄熱室分格，氣體出口位於小煙道的篦子磚上方。
側入式焦爐中，富煤氣從焦爐斜道區的沿燃燒室全長設定的水平磚煤氣道分配進入立火道。水平磚煤氣道可以由一側進氣，也可以兩側進氣。在兩側進氣的情況下，煤氣道分成兩段。對於雙聯火道結構的焦爐而言，在每個燃燒室下部有兩個水平磚煤氣道，其中一個與雙號立火道相連，另一個與單號相連。對於兩分火道結構的焦爐，燃燒室下方的水平磚煤氣道分成二半，一半與機側立火道相連，另一半則與焦側的立火道相連。
對於貧煤氣側入焦爐，煤氣和空氣是經過空氣和廢氣交換開閉進入蓄熱室的小煙道，然後進入蓄熱室，這種進氣方式為國內多數焦爐所採用。
按蓄熱室的布置方式劃分
焦爐蓄熱室的布置方式分為縱向蓄熱室和橫向蓄熱室兩類，焦爐發展的早期採用了縱向蓄熱室。現代焦爐都採用橫向蓄熱室，它分為以下幾種：
1）蓄熱室長向分成兩半，與兩分式立火道相對應，蓄熱室的機側一半與焦側一半始終處於異向氣流。雙聯火道結構的焦爐，蓄熱室橫向也分成兩半，但是中心隔牆的作用是分隔同向氣流，目的是為了分別調節機側和焦側的供熱量而設定的。唯一例外的是考伯斯(Koppers)焦爐，該焦爐是雙聯火道的結構，但蓄熱室分成兩半與兩分式焦爐的蓄熱室一樣，這樣在斜道區出現了交叉煙道。
2）蓄熱室的長向分格或分組，可對應於各種火道結構的焦爐，蓄熱室的分格或分組配合煤氣和空氣下噴或配合獨立分配小煙道，可以實現對燃燒室立火道供熱量的精確調節。
3）縱向分開的蓄熱室，它對應於雙聯火道的復熱式焦爐，且蓄熱室的長向不分格。一個寬蓄熱室分成兩個窄蓄熱室後，在用貧煤氣加熱焦爐時，每對上升氣流的兩個窄蓄熱室中，一個用來預熱貧煤氣，另一個用來預熱空氣。用焦爐煤氣加熱時，這兩個蓄熱室都用來預熱空氣或排廢氣。
焦爐築爐材料
焦爐的主體部位套用耐火材料砌築，一座焦爐要連續生產幾十年，在此期間，炭化室要經受上萬次的裝煤出焦作業，焦爐的大部分砌體不易熱修，因此除了施工質量外，築爐用耐火材料的選擇及其質量是非常重要的。目前焦爐使用的耐火材料主要有矽磚、粘土磚和高鋁磚等。焦爐用耐火材料的耐火度在1580℃以上。根據工藝要求和操作要求，焦爐不同的部位，由於其承擔的任務、所處的溫度、承受的結構負荷和遭受的機械損傷以及介質侵蝕的條件各有不同，因此對不同的部位的耐火材料性能要求也不相同。
砌築焦爐用耐火材料的基本要求
炭化室的牆在生產過程中既起傳熱的作用，又要承受上部砌體和爐頂裝煤車的重量，因此要求砌體具有良好的高溫導熱性能和高溫荷重不變形的性能，除此之外，炭化室牆面受煤灰分、熔渣、水分和酸性氣體的侵蝕以及甲烷滲入磚體空隙內發生石墨沉積的影響，因此磚體應具有高溫抗侵蝕性能。加煤時溫度變化的影響要求磚體具備在600℃以上能經受溫度劇變的性能。炭化室的底面磚還應具有較高的耐磨強度。炭化室部位使用強度高的矽磚砌築。
對於爐頭部位，內外溫差大，又受到保護板的壓力作用，要求具有良好的抗溫度急變性能及較高的耐壓強度。
蓄熱室的隔牆承重，故使用強度高的矽磚。而格子磚的作用是蓄熱，溫度變化大，因此要求體積密度大，抗溫度急變性能好，格子磚選用粘土磚。
焦爐用磚
（1）矽磚
SiO2含量在93%以上的耐火磚稱為矽磚。矽磚屬酸性耐火材料，有良好的抗酸性侵蝕能力，導熱性能好，荷重軟化溫度高，一般在1620℃以上，僅比其耐火度低70～80℃，矽磚的導熱性能隨工作溫度的升高而增大，沒有殘餘收縮。所以，矽磚是焦爐上較理想的耐火製品，現代焦爐的重要部位（燃燒室、斜道和蓄熱室）都採用矽磚砌築。焦爐用矽磚應符合GB2605-87。
除普通矽磚外，氣孔率在10%～13%範圍內的矽磚稱為高密度矽磚，它的特點是密度高、氣孔率低，因而導熱性能及強度均較普通矽磚好，這種磚是爐牆用磚的發展方向。
（2）粘土磚
粘土磚是指Al2O3含量30%～40%矽酸鋁材料的粘土質製品。粘土磚屬弱酸性耐火材料，能抵抗酸性渣侵蝕。其耐火度與矽磚接近，但荷重軟化開始溫度比耐火度要低得多，而且軟化變形溫度間隔很大。粘土磚的熱穩定性能好，但導熱性能和機械性能較矽磚差，粘土磚加熱到1000℃的總膨脹較小且均勻，但加熱到1200℃時，出觀殘餘收縮，因此粘土磚焦爐在高溫下長期使用過程中，磚縫可能產生空隙，破壞砌體的嚴密性。
在現代焦爐上，粘土磚主要套用於溫度較低且波動較大的部位，如爐門、小煙道襯磚、爐頂、蓄熱室封牆及格子磚等部位。焦爐用粘土磚應符合標準GB4415-84的要求。
（3）高鋁磚
高鋁磚是Al2O3含量大於48%的矽酸鋁或氧化鋁質的耐火材料，高鋁磚的耐火度及荷重軟化溫度比粘土磚好，抗渣性能也較佳，熱穩定性能比粘土磚差，但比矽磚好。在焦爐的燃燒室爐頭和炭化室鋪底磚爐頭部位，採用高鋁磚砌築，效果較好。焦爐用高鋁磚應符合標準GB2988-87的要求。
無煙煤高溫煉焦爐
無煙煤因沒有任何粘結性被世界各國列入煉焦非用煤，只能作民用煤和作合成氨造氣的原料。無煙煤的特點是固定碳高、揮發分低（小於或等於10%）、純煤真密度高（1.35-1.9）、無任何粘結性、燃點高（380度--420度）、燃燒時無煙。
連續煉焦爐
連續煉焦爐有一個碳化室，它被間隔為第一直接加熱式加熱區（2A；2A'），在區內的加料側裝有排氣口（3）；輻射管式加熱區（6；6'），區內裝有若干焦爐煤氣出口（8）；和第二直接加熱式加熱區（2B；2B'），區內的出料側裝有排氣口（3）。在第一（2A；2A'）和第二（2B；2B'）直接加熱式加熱區內裝有若干燃燒器（5），使之在低過量空氣比條件下燃燒。在這樣的連續煉焦爐內模製煤在連續傳送中進行碳化處理。
