1993年5月，正当德国巨型炼焦反应器(Jumbo Coking Reactor简称JCR）示范装置投产一个多月时，我院专门组团进行了实地考察。1996年，我们应欧洲炼焦技术中心的邀请，于10月下旬再次组团考察了JCR示范装置。在考察过程中我们详细地考察了JCR装置的各个生产单元，认真地了解了试验情况，坦诚地探讨了有关的技术问题，受益非浅。现将两次的考察情况介绍如下，以飨国内同行。
1 巨型炼焦反应器设计思想的提出
20世纪80年代以来，以德国为主的欧洲焦化专家们认为，对传统的多室式焦炉而言，要想提高劳动生产率和减轻环境污染，就应该尽量减少推焦次数，增加每孔炭化室的焦炭产量。为此，首先要将炭化室的尺寸增加至极限值，其次是采用预热煤炼焦，因为预热煤炼焦可比湿煤炼焦增加1/3的焦炭产量。
然而，增加炭化室尺寸会受到许多因素的制约。煤料在炼焦过程中产生的压力会使炉墙变形，且炭化室高度对炉墙变形的影响存在三次方关系，因此，随着炭化室高度增加会大大削弱炉墙的强度。而炭化室的长度则受到平煤杆长度、炭化室锥度以及从机侧到焦侧火道温度升高等因素的限制。由于炉顶需承受装煤车的静荷载和走行时的动荷载，要求炉顶有足够的强度，增加炭化室宽度就必须相应增加炉顶的厚度，所以炭化室宽度的增加会受到炉顶强度的限制。
采用预热煤炼焦虽能大幅度提高焦炉的生产能力、扩大炼焦用煤的范围和降低炼焦耗热量等多方面的效益，但在炼焦过程中煤料产生的膨胀压力要比湿煤炼焦时大得多，易使炭化室墙因变形而降低其使用寿命。故至今未能在传统焦炉中成功地采用预热煤炼焦。
正是由于传统焦炉既不能大幅度增加炭化室尺寸，又不适宜采用预热煤炼焦，因此唯一的解决办法是大胆地改进上百年来广泛采用的传统炼焦系统，于是在20世纪80年代后期开始提出了单炉室式巨型反应器的设计思想，同时提出了煤预热与干熄焦直接联合的方案，即用来自干熄槽的高温惰性气体，在蒸汽发生器中回收部分热量后作为煤预热和干燥装置的热源，从干燥管出来的冷惰性气体在分离掉煤尘后，部分返回干熄槽循环使用。这样，将循环的惰性气体直接用作干熄焦和煤预热－干燥的热载体要比先将红焦热量变成蒸汽，再用蒸汽预热煤的间接法具有更高的热效率，煤预热与干熄焦直接联合流程见图1。
图1 干熄焦与煤预热联合的单室系统流程图
1985～1987年间，专家们以分开且独立的炼焦单元为基础进行了第一次工业性试验。1989～1990年间又进行了第二次工业性试验，并开展了必要的初步设计工作。1990年，为推动新型炼焦系统的开发工作，并使之工业化，由德国、法国、意大利、荷兰和奥地利等8个欧洲国家的13家公司共同组成了“欧洲炼焦技术中心”(European Cokemaking Technology Center，简称ECTC)，由德国鲁尔煤业公司提供4000万马克的试验资金，德国的Krupp-Koppers、Still-Otto和Didier等3家焦炉设计公司提供技术，每家承担一部分设计。由于该研究项目涉及到多种形式的合作，又具有高技术的特性，故被命名为尤里卡（EUREKA）工程。
2 巨型炼焦反应器简介
2. 1 巨型炼焦反应器的结构
巨型炼焦反应器实际上是一个完全独立的单炉室布置的巨型炭化室，其主要的技术特征既保留了传统焦炉的技术特性，又克服了诸多传统炼焦技术的缺点。对于传统的多室式焦炉，因炭化室与燃烧室间隔排列，一座有n孔炭化室的焦炉，就有(n十1)个燃烧室，只在焦炉组两端部设有隔热层和抵抗墙。而JCR则是在每个炭化室的两边各有一个燃烧室、隔热层和由大型H型钢组成的抵抗墙。若炼焦车间有n个JCR，就有2n个燃烧室、2n个隔热层和(n－1)个抵抗墙（图2)。
图2 巨型炼焦反应器的结构图
2. 2 巨型炼焦反应器的示范装置
欧洲炼焦技术中心在德国埃森（Essen)市的普罗斯佩尔（Prosper）焦化厂内建成了JCR示范装置。示范装置有两个JCR组成，左边的为JCR-B型，右边的为JCR-S型。两个炭化室的尺寸相同，即高10m、宽850mm、长10m（为节省投资，长度仅为商业规模的一半），设计结焦时间25h，炭化室锥度为零。这样，除两个炉头火道外的所有火道的温度均相同，示范装置只采用高炉煤气加热。炭化室与燃烧室间的隔墙厚度为60mm，图3为示范装置的全景图。
JCR-B型的蓄热室位于炭化室底部，其布置方式与焦炉结构相似。炭化室两侧各有一个燃烧室，为保证加热的均匀，立火道设计成三段燃烧。燃烧室的外侧是隔热层，在隔热层外由20根（在每个立火道隔墙外安装一根）腹板高l m的H型钢排列成抵抗墙，亦称刚性侧墙，见图4。
JCR-S型的蓄热室位于炭化室的侧面，这是一种具有废热利用功能的全新结构。炭化室两侧是燃烧室，为使燃烧达到最佳化，立火道设计成两段供热。左燃烧室的外侧是蓄热室，蓄热室的外侧和右燃烧室外侧是厚度1. 2m的钢筋混凝土抵抗墙，见图5。
JCR-B型左侧是采用两段预热的Precarbon煤预热装置。预热后的煤送入高于炉顶的钢框架上的料斗内，料斗的出煤口连接位于炉顶的钢框架上的料斗内，料斗的出煤口连接位于炉顶的方型不锈钢埋刮板运输机，将预热煤送入炭化室。
JCR的机侧是推焦机，焦侧有两个长10m、高10m、宽850mm的钢质焦箱。出焦时，焦箱对准炭化室，将焦饼推入焦箱后密封，在焦箱外面喷水冷却，将红焦闷在焦箱内间接冷却20h。将熄焦后的焦箱倾斜，倒出箱内焦炭。今后的工业装置将采用干熄焦。
图3 JCR示范装置的全景图
图4 B型巨型炼焦反应器断面
图5 S型巨型炼焦反应器断面
3 示范装置的试验概况
JCR示范装置试验的主要目的是：
(1) 对所有生产单元进行满负荷生产的考验；
(2) 研究其生产特性，找出结焦时间与加热火道温度的关系曲线；
(3) 测定能耗，研究节能措施；
(4) 在煤料对炉墙产生的高压力下检验薄炉墙的承载能力；
(5) 利用常规配煤进行传统炼焦和JCR炼焦的对比试验，比较其焦炭质量，测定其荒煤气组成；
(6) 利用德国和海外多种煤料的配煤进行试验，寻求降低生产成本的途径；
(7) 利用煤料对炉墙产生的高压力，进行破坏性试验。
示范装置于1993年初开始烘炉，JCR-B型巨型炼焦反应器顺利地按计划达到了装煤条件，并于1993年4月18日推出了第一炉焦炭，正式开始了试验工作。但JCR-S型在烘炉温度提高到1000℃时发现蓄热室膨胀过大而出现了大裂缝。1. 2m厚的钢筋混凝土抵抗墙的变形量高达25mm，蓄热室的两个边墙向中间倾斜，蓄热室与燃烧室发生串漏，致使试验工作无法继续进行。因此，三年多的试验只在JCR-B型上进行。1996年10月我们去考察时，JCR-S型仍处于冷态，烘炉时产生的变形和裂缝均历历在目。
试验期间，湿配煤经胶带输送机送入煤预热装置的湿煤槽中，经干燥和预热至180～200℃的热煤送入热煤槽。再用方型埋刮板运输机将煤送入炭化室。因装煤系统的设备和管道非常严密，装煤时不会有粉煤喷出，所以炉顶很干净。每孔装煤时间为6min，因预热煤在炭化室内的流动性很好，故不用平煤就能装满煤。
炼焦试验分为两部分。第一部分用5种德国煤按不同配比配成11种配煤，分别对5种单种煤和11种配煤进行了炼焦试验，并对原料煤及其焦炭进行了全面的分析测定。第二部分是用5种海外煤配成8种配煤后进行炼焦试验，表1列出了5种海外煤的特性，表2为8种配煤的特性，表3为由8种配煤炼制的焦炭特性。
表1 5种海外单种煤的特性
|
指 标 |
美国
Blue Creek7煤 |
美国
Pinnacle煤 |
澳大利亚Curagh HCC煤 |
南非
Kromdraai煤 |
哥伦比亚Primero煤 |
|
灰分，％ |
7.8～8.4 |
6.1 |
7.0～7.5 |
14.9 |
3.3 |
|
挥发分Vdaf,% |
22.1～23.7 |
18.3 |
24.1～25.5 |
28.3 |
38.2 |
|
流动性DDPM |
301～764 |
19 |
16～85 |
－ |
3 |
|
膨胀度，％ |
46～115 |
27 |
－11～16 |
只收缩 |
只收缩 |
|
Fe2O3含量，％ |
7.8～9.8 |
9.7 |
9.9～11.5 |
3.8 |
9.7 |
|
评 价 |
中挥发分的上等焦煤 |
低挥发分的中等焦煤 |
中挥发分的劣等焦煤 |
高挥发分的不结焦煤 |
高挥发分的不结焦煤 |
表2 用5 种海外煤配成的8种炼焦配煤的特性
|
炼焦用配煤号 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
单种煤配比
％ |
Blue Creek7煤 |
20 |
20 |
20 |
20 |
－ |
70 |
60 |
50 |
|
Pinnacle煤 |
20 |
20 |
20 |
－ |
－ |
－ |
－ |
－ |
|
Curagh HCC煤 |
30 |
50 |
60 |
80 |
100 |
－ |
－ |
－ |
|
Kromdraai煤 |
30 |
10 |
－ |
－ |
－ |
－ |
－ |
－ |
|
Primero煤 |
－ |
－ |
－ |
－ |
－ |
30 |
40 |
50 |
|
配煤
特性 |
灰分，％ |
9.8 |
8.0 |
7.2 |
7.6 |
7.0 |
6.6 |
6.2 |
10.2 |
|
挥发分，％ |
24.5 |
23.7 |
23.3 |
25.3 |
24.1 |
28.5 |
29.7 |
30.6 |
|
流动性DDPM |
2 |
5 |
25 |
65 |
85 |
8 |
5 |
3 |
|
膨胀度，％ |
只收缩 |
－18 |
8 |
27 |
3 |
－4 |
－14 |
只收缩 |
|
Fe2O3含量，％ |
7.5 |
9.5 |
10.0 |
9.9 |
9.9 |
9.0 |
9.2 |
8.5 |
|
表3 用8 种配煤炼制的焦炭特性
|
配煤号 |
M20
% |
M10
% |
I20
% |
I10
% |
米库姆
斜率 |
无裂纹粒度，mm |
Sar
% |
Cr
% |
|
1 |
86.0 |
13.2 |
67.9 |
29.7 |
1.25 |
39.4 |
55.3 |
33.2 |
|
2 |
93.8 |
6.1 |
79.6 |
18.5 |
0.73 |
44.4 |
62.0 |
32.3 |
|
3 |
93.5 |
5.3 |
80.8 |
17.4 |
0.68 |
48.4 |
60.8 |
33.2 |
|
4 |
JCR |
93.0 |
5.4 |
79.8 |
17.9 |
0.68 |
47.9 |
65.8 |
30.2 |
|
常规 |
92.3 |
6.2 |
77.7 |
20.4 |
0.74 |
51.7 |
58.2 |
34.4 |
|
5 |
JCR |
94.2 |
5.7 |
80.9 |
17.6 |
0.47 |
51.1 |
66.0 |
31.3 |
|
常规 |
92.3 |
6.6 |
77.2 |
20.8 |
0.74 |
50.3 |
56.2 |
35.3 |
|
6 |
JCR |
92.7 |
6.0 |
79.9 |
18.1 |
0.68 |
49.6 |
63.8 |
30.8 |
|
常规 |
92.6 |
6.0 |
79.3 |
18.8 |
0.72 |
52.7 |
60.0 |
32.5 |
|
7 |
JCR |
93.5 |
5.6 |
80.3 |
18.3 |
0.76 |
60.1 |
64.0 |
34.4 |
|
常规 |
91.5 |
7.2 |
78.0 |
20.1 |
0.82 |
49.8 |
61.0 |
32.6 |
|
8 |
JCR |
88.8 |
9.3 |
71.5 |
25.3 |
1.23 |
49.7 |
55.3 |
37.4 |
|
常规 |
因生产原因，试验未进行 | |
JCR示范装置的试验期间，在炉墙内安装有很多传感器，以测定预热煤在炼焦过程中产生的压力，同时鉴定炉墙能否承受此压力。实测结果表明，炭化室的内部压力一般小于0. 3MPa，个别情况稍高于0. 3MPa，但没有发现炉墙和H型钢抵抗墙的永久变形。
通常，在装煤后煤料的静压力可使抵抗墙的有些部位变形达到0. 8～1.0mm，随后此值缓慢增大。当达到30％左右的结焦时间时，因炭化室内部气体压力的增大而使抵抗墙的变形值增至2. 5mm。当软化层形成裂缝时，变形值再次增大到2. 7mm，最大处可达5. 6mm。在形成半焦后，变形逐渐减小，推焦结束后又恢复至原来的状态。试验表明，示范装置抵抗墙的变形值在3mm左右是允许的。
对于传统的多室式焦炉，当采用预热煤炼焦时经常会产生炉墙损坏的现象，但在JCR上至今还未发现。这是由于JCR的炉墙能承受住煤在炼焦时产生的高膨胀压力，故能适应预热煤炼焦。试验期间，曾用挥发分为17％的德国煤进行炼焦试验，抵抗墙的变形量达到7mm,试验最后一炉时采用了100％的强粘结性煤，因膨胀压力太大，使抵抗墙的变形值达16mm 。又因收缩太小，使焦饼几乎全靠在炉墙上而无法推焦。我们参观时，最后一炉的焦炭仍塞在炭化室内留作纪念。试验中还发现，燃烧室、隔热层和H型钢抵抗墙组成了一个具有弹性的整体结构。
由于JCR炭化室的容积有了大幅度增加，又采用了预热煤炼焦，因此，人们对推焦情况尤为关注，试验表明，机焦两侧的焦饼端部完整稳定，尽管炭化室没有锥度，但推焦仍然很容易，推焦电流亦较低。
4 示范装置的试验结果
JCR示范装置于1996年内基本完成了全部试验研究工作，在三年多的试验期间，共试验了650炉，生产了近3万吨焦炭，取得了满意的结果。
(1) JCR装置的Precarbon煤预热系统及装煤系统、JCR-B型炼焦反应器、炉门和推焦机等全部生产单元均在满负荷条件下平稳安全地生产。
(2) 在加热火道温度为1380℃时，结焦时间达到了24～26h的试验目标，见图6。
图6 结焦时间与火落温度的关系
(3) 改善了焦炭质量。通过对传统焦炉和JCR生产的10个焦样反应后强度Sar的测定结果表明，JCR生产焦炭的Sar有较大增加，这点正是改善大量喷吹煤粉的大型高炉操作的前提，具有很好的经济意义，见表4。
表4 传统焦炉焦炭和JCR焦炭特性的比较
|
配煤号 |
焦炭反应性Cr |
焦炭反应后强度Sar |
|
传统焦炉 |
JCR |
传统焦炉 |
JCR |
|
A |
21.9 |
21.6 |
69.8 |
73.0 |
|
B |
30.5 |
27.1 |
60.0 |
66.0 |
|
C |
24.8 |
21.9 |
65.3 |
73.6 |
|
D |
28.0 |
30.8 |
56.1 |
56.0 |
|
E |
23.2 |
23.1 |
67.1 |
70.0 |
|
F |
34.0 |
29.4 |
55.0 |
66.7 |
|
G |
32.8 |
27.1 |
57.9 |
69.2 |
|
H |
29.9 |
31.1 |
59.7 |
59.2 |
|
I |
29.8 |
26.6 |
58.1 |
66.7 |
|
J |
26.0 |
22.6 |
62.3 |
71.7 |
(4) 扩大了炼焦煤种的选择范围。配煤试验的结果表明，JCR可比传统焦炉配用更多的高膨胀性、低挥发分煤和弱粘结性或不粘结性高挥发分煤，从而扩大了煤种的选择范围，这也是JCR所能取得效益的原因所在。
(5) 更佳的节能降耗效果。与传统焦炉的固定加热不同，JCR采用了程序加热，即可根据不同炼焦阶段所需热量进行供热，从而更有效地利用热量，以达到节能效果。另外，由于JCR采用了预热煤炼焦，因此可大幅度降低能耗。当原料煤的含水量为10%，并采用预热煤炼焦和贫煤气加热的条件下，对于JCR装置，即使包括预热煤料和炼焦耗热量在内的平均炼焦耗热量也只有2510 kJ/kg，大大低于用含水10%湿煤炼焦的传统焦炉的耗热量（2600～2680 kJ/kg)，这表明，除了补偿JCR装置增加的表面散热损失外，还可节省8％的能量。
(6) 增加了装炉煤的堆积密度。由于JCR示范装置采用了Precarbon法煤预热技术，大大增加了煤料的堆积密度，其平均值可达860kg/m3，有时能达到880kg/m3。众所周知，随着煤料堆积密度的增加，不仅可提高炼焦系统的生产效率［焦炭产量／(炭化室·h)］，而且可改善焦炭的机械性能、孔壁强度、气孔率和Sar值等质量指标。
(7) 降低了污染物的排放量。为降低污染物的排放量， JCR装置采取了以下的环保措施：炉门采用了宽炉门衬和两道薄膜密封，减少了烟尘的泄漏；预热煤装炉采用固定连接的埋刮板输送机，可做到完全密封，不会有烟尘泄漏；由于预热煤装炉不需要平煤，不用开启小炉门，减少了烟尘泄漏点；超大型的炭化室可大大减少炼焦单元数和推焦次数，使污染物的散发量大为减少；煤预热装置的废气引入集气管，消除了污染物的散发源；因炼焦耗热量低，加热煤气量也相应减少，还可减少NOx和CO的排放量；因焦炭推入与炭化室相连且密闭的焦箱中，也可减少污染物的排放量。与当今世界上技术最先进和环保设施最完善的德国凯泽斯图尔焦化厂相比，当焦炭的生产规模相同时，JCR装置的污染物散发总量可减少约一半。
(
降低了生产成本。经初步预测，生产成本约下降10%，其中的一半是由于人员、能源、环保和劳动保护等操作费用的降低；另一半是由于JCR可更多地使用廉价的结焦性差或不结焦煤料所节约的费用。
(9) 投资稍有增加。以德国凯泽斯图尔焦化厂的投资额作参考，经几家工程公司共同预测，JCR装置的投资额要比相同规模的传统焦炉稍有增加。
5 应用前景
JCR示范装置的试验工作已全部结束，现正在进行全面的试验总结，示范装置将于1997年拆除。欧洲炼焦技术中心的专家认为，日本正在开发的型焦技术还不能满足大高炉对焦炭质量的要求。而美国提倡的无回收焦炉因存在生产规模小、资源浪费大和热效率低等问题，故在经济上并不划算。只有JCR最有前途。
欧洲炼焦技术中心与Krupp-Koppers和Still-Otto公司的专家一致认为, JCR工艺是可行的，世界上各种炼焦煤料均能在JCR上使用。但要将其正式用于工业生产，仍需做许多具体工作。为此，建议最好先建设5～8孔的JCR装置，炭化室宽度可在450～850mm范围内选择，开始时可先用湿法熄焦，但必须采用煤预热技术，否则就会失去JCR的优越性。该中心的专家在寻找JCR的使用厂家时，世界第一产焦大国的中国则是主要的选择对象，故在1996年8月，他们主动邀请中国的焦化专家考察JCR示范装置，并共同探讨JCR工艺。
总之，JCR示范装置的试验不仅证实了其工艺效果，而且也初步证实了它的商业前景，但商业化的进程尚受到以下诸因素的制约：
(1) 随着单个JCR装置变为由多个JCR单元组成的炉组，就必须将推焦和出焦操作的机械设计为移动式，这样，将会大幅度增加该机械的重量。
(2) 随着煤预热装置能力的大幅度提高，对系统的可靠性要求也随之提高。
(3) 干熄焦与煤预热联合的大型生产装置还有待于进一步开发。
虽然解决上述问题已不存在技术障碍，但仍需投入大量的资金，并需依托大规模的工程才能实施。有鉴于此，国际上的焦炉工程公司对JCR的商业化仍持谨慎态度，可以预见，商业化的进程将是缓慢的。
