焦爐大型化是我國煉焦技術發(fā)展的必然趨勢，10余年來，我國通過系統(tǒng)優(yōu)化與設備改進，在大型焦爐操作方面取得了顯著效果，促進了煉焦技術的進步。
1我國焦爐大型化的發(fā)展歷程
大型焦爐的界定是隨著焦爐炭化室容積的不斷增加、煉焦技術的進步而改變。在上世紀80年代中期，我國焦爐以炭化室高4.3m頂裝焦爐為主流，攀鋼建成的炭化室高5.5m頂裝焦爐以及1985年寶鋼引進炭化室高6m的頂裝焦爐，促進了焦爐大型化的發(fā)展進程。隨著我國自行設計建設的炭化室高6m的JN60型頂裝焦爐在北京焦化廠投產，6m頂裝焦爐逐步成為我國90年代焦爐的主力爐型。
2006年6月，山東兗礦國際焦化公司引進德國7.63m頂裝焦爐，拉開了中國焦爐大型化發(fā)展的序幕。隨后中冶焦耐工程公司研發(fā)出7m頂裝及唐山佳華的6.25m搗固焦爐，值此，6m以上的頂裝焦爐及5.5m以上搗固焦爐，成為我國的主流爐型。目前已研發(fā)出的炭化室高8m特大型焦爐，可實現沿燃燒室高度方向的貧氧低溫均勻供熱，可降低NOx生成，標志著我國大型焦爐煉焦技術的成熟。
2014年重新修訂的《焦化行業(yè)準入條件》規(guī)定，頂裝焦爐準入的最低門檻是炭化室高6m、搗固焦爐炭化室高5.5m，故把炭化室高6m以上的頂裝焦爐以及5.5m以上的搗固焦爐，界定為大型焦爐是適宜的。
截至2016年底，我國運行的7m頂裝焦爐共計66座，7.63m焦爐共計17座，6.0m及以上搗固焦爐共計22座，其焦炭的總產能占2016年全國焦炭總產量的15.8%。
2大型焦爐技術管理的特殊性
2.1大型焦爐的優(yōu)勢分析
1）勞動生產率高
大型焦爐的四大車采用自動定位聯鎖系統(tǒng)，PLC采用UPS供電對位，7.63m焦爐四大車操作模式可實現全自動、半自動、聯鎖及手動模式，單個炭化室壓力具備自調功能，勞動生產率高。
大型焦爐由于炭化室高度、寬度的增加，焦炭產量也隨之增加。對頂裝4.3m、6m、7m、7.63m焦爐來說，一孔炭化室的焦炭產量是不同的，7m頂裝焦爐每孔推出焦炭量是4.3m頂裝焦爐的2.05-2.37倍，是6m焦爐的1.28-1.49倍；7.63m焦爐每孔推出焦炭量是6m頂裝焦爐的2.04倍，是7m焦爐的1.38-1.59倍。6.25m搗固焦爐每孔推出焦炭量是5.5m搗固焦爐的1.20倍。
2）環(huán)保水平高
同等產能下，大型焦爐出爐次數少，裝煤和推焦的陣發(fā)性污染較輕。以年產焦炭200萬噸的焦化廠為例：7.63m、7m、6m及4.3m頂裝焦爐，每天推焦次數分別為113、172、255、357次，出爐次數越少，裝煤和推焦的陣發(fā)性污染物排放量越少。
爐門、上升管和裝煤孔等泄露點環(huán)保措施完善，泄漏點少，非陣發(fā)性污染減少。以年產110萬噸焦爐為例，炭化室高7m焦爐泄漏口數量比6m焦爐減少23.6%，密封面長度減少8.5%，每天打開各泄漏口次數減少31%，從而大大減少了有害氣體排放量，改善了煉焦生產操作環(huán)境。
JNX3－70型焦爐采用加大廢氣循環(huán)量、設置焦爐煤氣高低燈頭和空氣分段供給的措施，減少NOX產生，煙道廢氣中NOX濃度小于500mg/m3。
2.2大型焦爐爐體結構差異性
我國已成為世界煉焦技術強國，目前幾乎擁有了世界上所有頂裝焦爐爐型。
對于頂裝焦爐來說，4.3m焦爐炭化室的平均寬度0.407m，6m焦爐炭化室的平均寬度0.45m，寬度增加了10.57%；7m焦爐炭化室平均寬度為0.50m，寬度增加了22.85%；再到7.63m焦爐的炭化室平均寬度0.60m，寬度又增加了47.42%。也就是說，與4.3m焦爐相比，7.63m焦爐炭化室寬度增加了近1/2，炭化室高度增加了39.76%，有效容積是4.3m的3.53倍。
現代大型焦爐是一座結構復雜的熱工爐窯，7.63m焦爐與6m焦爐爐體結構有極大差異，主要體現在7.63m焦爐是：貧煤氣及空氣均側入，蓄熱室分格、單側煙道；用低熱值混合煤氣加熱時，煤氣和空氣均用小煙道頂部的金屬噴射板調節(jié)；單側小煙道；3段供給空氣進行分段燃燒，焦爐推焦作業(yè)采用2-1串序。
大型焦爐裝煤量的增加，并不是簡單的提高爐溫，由于其焦炭收縮率與結焦時間、結焦速率成函數關系，結焦速率及焦餅的收縮性能也隨之變化，需要配入較多緊缺的主焦煤。中鋼鞍山熱能院及武鋼進行了炭化室寬度對裝爐煤、焦炭、推焦影響的研究，以往的配煤理論已不適用，炭化室寬度不同，配煤結構必須相應調整。
2.3大型焦爐裝備的復雜性
焦爐大型化后，焦爐砌體的受力狀況變得復雜化，推焦過程中對爐墻機械震動力及爐體結構熱應力、對護爐三大鐵件的材質、抗熱變性能以及所提供的保護力及其分布的合理性提出更高要求。
焦爐爐門是焦爐炭化室最重要的密封設備，其密封效果直接影響到焦爐連續(xù)性煙塵的排放量。隨著焦爐大型化，爐門本身的變形量會大幅增加，爐內煤氣的壓力會更大，大大增加了爐門密封的難度。焦爐爐門的材質及結構必須優(yōu)化，特別是7.63m、7m頂裝焦爐及6.25m搗固焦爐，其爐門磚槽和腹板、刀邊等關鍵部件，其強度、剛度、變形量必須在高溫環(huán)境下具有最佳結構型式。
大型焦爐生產工藝作業(yè)十分緊湊，操作過程精準可靠，就要求具備完善的自動化程序和高材質的硬件設備。
3大型焦爐生產技術管理的難題
7.63m及6m頂裝焦爐的裝爐煤堆積比重（干煤計）分別為0.778t/m3、0.740t/m3，前者是后者的1.05倍，由此帶來焦爐加熱制度、調節(jié)手段的截然不同，若按傳統(tǒng)的常規(guī)調節(jié)方法，是不能滿足焦爐生產需要的。
3.1部分工藝系數較低
大型焦爐推焦作業(yè)采用2-1串序，7m及7.63m焦爐燃燒室火道橫排溫度的均勻性依靠小煙道頂部的金屬噴射板來調節(jié)，這就使得7.63m焦爐的直行溫度均勻系數Kb、燃燒室火道均勻系數K橫墻及生產作業(yè)總系數K3，遠低于中小型焦爐的指標。
2-1推焦串序使推焦炭化室距離裝煤炭化室間隔變小，對于A座70孔的7.63m焦爐，一個作業(yè)班8h內，需要推出40余爐焦炭，剛裝煤爐室集中在1座焦爐，燃燒室需要大量供熱，立火道溫度相對偏低；而另外B座焦爐的焦餅處于半焦或已經成熟，立火道溫度相對偏高一些，這樣就導致直行溫度Kb的不均勻。
大型焦爐機械化和自動化水平高，程序復雜，維護困難，且焦爐機車故障頻繁，操作稍有不慎就會引起K3失常。
大型焦爐蓄熱室頂部無測壓孔，溫度及吸力不能測量，進入各立火道煤氣及空氣量主要靠煤氣孔板、噴嘴板、摻混比控制的粗調節(jié)；況且高爐煤氣從焦側小煙道進，依靠煤氣支管壓力漸進到機側，在至1＃邊火道時，煤氣壓頭大大降低，會直接影響機側邊火道的煤氣分配量，橫墻溫度曲線產生“鋸齒型”、“多峰型”，K橫墻系數小于0.85。
武鋼、太鋼更改了噴嘴板尺寸，太鋼還更換了變形的蓄熱室格子磚，才使Kb、K橫墻系數略有改觀。沙鋼7.63m焦爐在投產初期，在使用高爐煤氣加熱時，機焦側溫差普遍偏大，在80-100℃，經過調整第二塊至第七塊噴嘴板尺寸，溫差逐漸穩(wěn)定在30-50℃。
3.2部分熱工指標不能測調
7.63m、7m焦爐蓄熱室頂部不設測溫孔，焦爐調節(jié)所需要的6大壓力制度、8大溫度制度中的蓄熱室頂部吸力、蓄熱室阻力、五點壓力及蓄熱室頂部溫度不能測量，況且在焦爐使用貧煤氣加熱時，上升與下降蓄熱室頂部壓力差是一重要的精細調節(jié)手段。焦爐調溫重要的6大壓力指標中的3個指標都不能測量，使焦爐熱工管理陷入粗調的原始階段。
3.3爐頂空間溫度制約化產品收率
沙鋼研究表明，焦餅收縮率每上升1%，爐頂空間溫度就會升高10℃。這是因為隨著炭化室的加寬，焦炭收縮量增加，使炭化室具有較大自由空間。這種狀況導致炭化室自由空間溫度升高和爐頂區(qū)積石墨，進而影響焦油質量、粗苯產量和質量、煤氣指標等。
武鋼、馬鋼的7.63m焦爐燃燒室加熱水平為1210mm，太鋼1110mm，爐頂空間溫度普遍高達900℃。沙鋼的7.63m焦爐的加熱水平為1500mm，在投產初期，爐頂空間溫度偏高，后經過制定合理的加熱制度，控制裝煤量，改善煤的密度等方法，爐頂空間溫度基本控制在830-850℃，爐頂積碳現象趨緩。
大多7.63m焦爐的運行數據表明，焦油產率低于3.3%，粗苯產率低于0.8%，而且焦油質量差，其粉塵及甲苯不溶物含量明顯增加。
3.4大型搗固焦爐生產秩序紊亂
1956年我國第一座3.2m搗固焦爐出現，1970年3.8m搗固焦爐的出現，使得搗固煉焦技術在我國得到了迅猛發(fā)展，但同國外搗固焦爐一樣，存在諸多生產問題，當煤水分大于13%時，煤餅倒塌率增加，煤餅掉角和倒塌；裝煤煙塵，敞開機側爐門推送煤餅時，機側嚴重冒煙；搗固裝煤膨脹壓力大，煙塵外泄且影響爐體壽命。
4大型焦爐煉焦工藝技術的改進實踐
4.1爐況操作必須“穩(wěn)定”
現代大型焦爐的爐況與配合煤指標變化、熱工制度波動、結焦時間變更以及大氣因素的影響密切相關，必須確保這些外部條件的穩(wěn)定性。
沙鋼焦化穩(wěn)定爐況的做法是，嚴格按照結焦曲線進行操作，不無故縮短或延長結焦時間，合理編排出爐計劃、減少非正常檢修時間，規(guī)范熱工管理。針對煉焦煤水分偏高的難題，沙鋼投巨資修建64個貯煤筒倉，完善電子秤自動化配煤工藝，配煤準確率明顯提高，使焦炭質量得到改善，近三年來焦炭抗碎強度由88.0%提高到89.2%。
馬鋼焦化應用統(tǒng)計技術對7.63m焦爐實施流程管控，過程中的各個階段均實施評估和監(jiān)控，對焦爐主要運行參數進行檢查評分，準確判斷焦爐運行狀況，有效地對焦爐工況進行多層次、全方面監(jiān)控，同時強化標準化作業(yè)，配合煤細度控制在73.5%±0.5%，焦爐K3系數2016年平均值達到0.87，較往年有了顯著提升。保證焦爐順產穩(wěn)產和焦炭質量的穩(wěn)定。
武鋼、馬鋼還采用測量焦爐小煙道廢氣盤處溫度、吸力來代替原蓄熱室頂部溫度、吸力的測調，以滿足焦爐直行溫度的均勻性要求，直行溫度機、焦側溫差在60℃
太鋼、馬鋼以較低標準溫度的方法來降低爐頂空間溫度，沙鋼、馬鋼把煤線調高到小于480mm，同時馬鋼還注重通過增加裝煤量的方法來控制爐頂石墨的生長。
首鋼京唐西山焦化開展單因子結焦時間方差分析，以最佳結焦時間來改善焦炭冷熱性能，三年來焦炭抗碎強度一直在90%以上，耐磨強度在6.0%以下，焦炭熱強度處于較好狀態(tài)，借鑒一期焦爐生產實踐，將二期的7.65m焦爐加熱水平調高至1550mm，來控制爐頂空間溫度。
平煤神馬集團首山焦化借鑒6.25m搗固焦爐的運行實踐，攻破煤餅密度和裝煤煙塵治理兩大瓶頸，研發(fā)出高效彈性輪和摩擦板，采用固定小間距的搗固錘及低噪音、抗磨損導向技術，將煤餅密度提高到1.1t/m3，煤餅的高寬比達13.5；裝煤車上設置可靠密封框，并借助相鄰炭化室上升管Prove系統(tǒng)產生的負壓，把煙氣導入相鄰炭化室，成功把7.63m頂裝焦爐改造為搗固焦爐，并于2013年10月投產，是世界上第一座特大型搗固煉焦爐，實現了煤源的多元化，降低了煉焦成本。
4.2熱工指標強調“細調”
焦爐熱工管理是一門科學，焦爐壓力制度和溫度制度呈相輔相成的關系，壓力和溫度的各項參數指標必須勤測細調，并實時進行分析調節(jié)，以壓力制度的穩(wěn)定性來保障溫度制度的均勻性。
以7.63m焦爐為例，由于加熱水平過低、三段空氣加熱及單個炭化室壓力調節(jié)系統(tǒng)，導致爐頂空間溫度大于850℃，焦炭過火，直立磚煤氣道竄漏，化產品收率低。
武鋼在熱工調節(jié)中，關閉了部分二三段空氣口，使空氣完全從底部進入，降低火焰燃燒高度，穩(wěn)定配合煤的水分、揮發(fā)分，適當擴大噴射板尺寸；對20多個竄漏磚煤氣道進行灌漿密封，利用半干法噴補技術進行噴補處理，這些技術措施使直行溫度均勻系數Kb達到0.88。
首鋼京唐西山焦爐在橫向加熱溫度調節(jié)上，輔以“火落”智能化專家控制系統(tǒng)，自動判定焦爐火落溫度，避免生產大幅波動，提高了焦爐日常生產組織安排及管理效率，使煉焦能耗降低2.91%。
4.3環(huán)保設施保證“完善”
大型焦爐炭化室壓力單調PROven系統(tǒng)能否正常運行，關鍵是做好系統(tǒng)設備的維護，保持循環(huán)氨水潔凈，加強橋管清掃，除此之外太鋼還為循環(huán)氨水增加了過濾器，確保炭化室底部在結焦過程中一直保持微正壓狀態(tài)。
中冶焦耐公司開發(fā)了大型搗固焦爐CGT導煙車，帶兩個導煙U型管，配高壓氨水裝煤噴射，使裝煤煙塵導入三個炭化室，在裝煤推焦機上安裝有活動的爐門密封框，減少煙塵外泄；增加炭化室寬度，降低煤餅高寬比，增加煤餅的穩(wěn)定性，減少煤餅倒塌的幾率。
對6.25m搗固焦爐，中冶焦耐采用三位一體的搗固裝煤推焦機，由皮帶輸送機往SCP車煤斗給煤；單側上升管、單集氣管、雙吸氣管設置于焦側；設置除塵地面站，用于處理推焦除塵和處理機焦側爐門冒出的煙塵。
4.4控制系統(tǒng)需要“智能”
大型焦爐各移動機車之間聯鎖性強，熱工程序關聯因素多，單臺設備操作時間即使推遲幾秒時間，也會導致下一工序設備被鎖定，設備正常及機車“智能化”作業(yè)是關鍵。
大型焦爐的安全技術措施至關重要，太鋼對焦爐加熱設備的煤氣短缺自動充氮、煤氣超壓自動放散、地下室光柵檢測、CO在線檢測、以及焦爐四大車網絡信號確認、速度自動調節(jié)這些本質化安全技術進行再優(yōu)化，其可靠性在生產實踐中得到充分檢驗，三年來冶金焦率由89.80%提高到90.40%。
5結語
1）隨著焦爐爐型的進一步大型化，炭化室煤餅高度隨之增高，對焦爐高向加熱效果的評價尤為重要。7.63m焦爐炭化室煤餅高度比4.3m焦爐高出3.18m，即79.5%，因此，應該將對其高向加熱效果的要求和評價擺在突出的位置上。
2）組織業(yè)內大型焦爐焦餅中心溫度測調難題的技術攻關，探索引入對立火道高向溫度的測量項目。馬鋼7.63m焦爐投產初期測定了立火道的高向溫度狀況，還在攔焦車上安裝焦餅表面溫度測量儀，以評價燃燒室加熱橫向和高向的均勻性，實現焦炭均勻成熟。
3）焦爐護爐鐵件管理是焦爐管理的重要內容，也是控制焦爐壽命的重要手段。隨著焦爐的大型化，爐體的長、寬、高進一步加大，對大型焦爐護爐鐵件的要求也更加嚴格。目前國內尚無6m以上焦爐的鐵件管理規(guī)程，制定7m焦爐（頂裝）和5.5m及以上搗固焦爐護爐鐵件統(tǒng)一管理規(guī)程，是焦化生產企業(yè)所企盼的。
4）7.63m焦爐上部橫拉條焦側彈簧測定項目，因測定十分困難，馬鋼采取減少對其測定頻次，并在確保橫拉條機、焦側串動性良好的前提下，定期通過測調機側彈簧噸位，以控制橫拉條機、焦側彈簧噸位的合理性。
近20年來，隨著我國焦爐大型化的發(fā)展，焦爐爐體結構、工藝技術發(fā)生了質的飛躍，完全顛覆了傳統(tǒng)的4.3m、6m焦爐的管理方法，焦爐的基本操作制度和管理、爐溫的調節(jié)、爐體護爐設施的管理需要重新確立。工藝技術指標如何界定，爐頂空間溫度、煉焦耗熱量、爐室掛結石墨以及部分熱工指標的測調，需要業(yè)內同行共同攻關、研究和探索。
來源:煉鋼雜志
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