关于宽炭化室焦炉在我国应用的商榷
作者：佚名发布时间：1970-01-01
摘要：回顾了我国焦炉的建设历程，论述了我国炼焦煤资源对宽炭化室炼焦的适应性。针对我国国情，对引进7.63m焦炉及PROven技术的利弊进行了剖析与探讨。建议我国尽快设计出炭化室长约18m、高约7m、宽500mm左右、有效容积为60m
3左右的大容积焦炉，以适应我国炼焦技术的发展。
近年来，我国一些焦化厂由于焦炉老化需要更新改建，或因炼铁需求焦炭产量随之扩增，考虑到建设用地和希望能减少推焦次数以减轻对环境的污染等因素，乃需建设高于炭化室6m焦炉容积的更大型焦炉。由于国内暂时没有这样的炉型设计，因此引进了德国设计的炭化室高7. 63m、长约18m、宽600mm左右的容积为79m３左右的大型焦炉（以下简称7. 63m焦炉）。这种炉型系80年代后期为德国凯萨斯图尔（kaiserstuhl )焦化厂设计的，并于1992年建成投产的一组2×60孔焦炉，年产焦炭为200万t。焦炉整体设计的装备水平很高，实际运行中的环保效果也有较大提高。
1 焦炉炭化室尺寸的演变
回顾新中国建立以来我国焦炉设计建设的进程，这是第3次引进国外设计。第1次是建国初期由苏联引进的∏BP型焦炉，开始了我国自行设计焦炉的历史，其设计出的代表作是58型焦炉。第2次是上海宝钢引进日本M型焦炉，推动我国设计建成JNX - 60和JN - 60两种炉型。这次引进的7.63ｍ焦炉（含相关装备）会给我国焦炉今后发展带来什么影响，是炼焦界共同关注的问题。
引进的7.63m焦炉其显著的特点是炭化室宽度达到了600mm，远大于我国主体焦炉450mm，也比国内近年建成的少数500mm焦炉增宽了20%。在炼焦界，通常将炭化室平均宽度达到550mm以上的焦炉称为宽炭化室焦炉。研究宽炭化室焦炉的使用情况，有必要了解焦炉的历史与现状（不含捣固焦炉使用）。
1． 1我国解放前焦炉状况及现在焦炉（不含炭化室高<4m焦炉）
从我国建国前留下的焦炉炭化室宽度情况，可以反映出当时世界上主要焦炉的设计状况。
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项目 |
焦炉型号 |
炭化室平均宽，mm |
|
1949年前留下的焦炉 |
奥托型 |
450 |
|
享塞尔曼型 |
400、420、460 |
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日铁型 |
400、407 |
|
黑田型 |
420、460 |
|
现在焦炉（不含炭化室高＜4m和捣固焦炉） |
JN43、JN60、JNX60 |
450 |
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5.5m大容积 |
450 |
|
JN50 |
430 |
1． 2日本现有焦炉
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厂名 |
炭化室高，m |
炭化室平均宽，mm |
|
広畑、八幡 |
4.0 |
400 |
|
釜石 |
5.0 |
410 |
|
和歌山 |
6.0 |
450 |
|
君津 |
5.5 |
450 |
|
室兰 |
6.5 |
430 |
|
大分 |
5.9 |
440 |
|
水岛 |
6.7 |
435 |
|
坂出 |
6.9 |
430 |
|
北九州 |
7.1 |
430 |
|
鹿岛 |
7.1 |
460 |
|
福山 |
|
430 |
1． 3法国索尔莫厂
炭化室高7.5m，平均宽450mm
1． 4独联体国家（含输出技术）
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已有炉型 |
炭化室高，m |
炭化室平均宽，mm |
|
|
4.3 |
407 |
|
|
5.0 |
407 |
|
|
7.0 |
410 |
|
|
4.3～5.0 |
450 |
|
|
7.0 |
480 |
|
供巴基斯坦，已建成 |
5.5 |
410 |
|
设计中 |
7.4 |
500 |
1．5德国（几个代表性厂）
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厂 名 |
炭化室高，m |
炭化室平均宽，mm |
投产时间 |
|
德国蒂森老厂 |
6.0 |
400 |
1971 |
|
德国萨尔吉特 |
6.2 |
470 |
1985 |
|
德国曼内斯曼 |
7.85 |
550 |
1984 |
|
德国普罗斯佩尔 |
7.1 |
600 |
1985 |
|
德国凯萨斯图尔 |
7.63 |
623（冷态） |
1992 |
|
德国斯韦尔根 |
8.43 |
603（冷态） |
2003 |
由此可见，当前世界各国建成焦炉炭化室宽度变化最大的是德国，除德国外，炭化室宽度基本上没有超过500mm。因此，引进宽600mm炭化室焦炉是否适合我国国情及焦炉今后的发展很值得探讨，我们就此提出一些看法与炼焦界同仁商榷。
1 炼焦煤资源的适应
炼焦煤资源条件是保证焦炭质量的关键所在，因此焦炉的工艺设计要符合炼焦煤的资源条件。对于我国炼焦煤资源，长期以来的概念认为：资源丰富、品种齐全。但实际情况并非如此。最近从国家资源勘探和煤炭部门获悉，过去报道我国煤炭总探明储量是略多于1万亿t，其中炼焦煤储量为2700余亿吨。但由于埋藏深度、目前开采技术条件和煤炭质量等诸多因素影响，今年来经评估认为，在今后相当长时期内，煤炭实际可开采储量在1100～1900亿吨，其中炼焦煤仅为660亿吨，约为原探明储量的24%，减少了3/4。
在原探明储量中，各煤种的比例为焦煤23.61%；肥煤、肥煤气12.81%‘气煤、1/3焦煤45.73%’瘦煤、贫瘦煤15.89%。在所有炼焦煤储量中粘结性好的煤所占比重很小，粘结性差的气煤类居多。我国气煤原煤的灰、硫含量较焦煤、肥煤低，其可洗选性能也优越于焦煤、肥煤。因此表现在洗精煤的灰、硫含量上气煤要优越于焦煤、肥煤。不同煤种的可洗选性能情况如下：
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|
难选、极难选占储量% |
中等可选易选占储量% |
高硫煤占本煤中 |
|
气煤 |
40 |
60 |
3.5 |
|
肥煤 |
61 |
39 |
29.6 |
|
焦煤 |
84 |
16 |
48.0 |
|
瘦煤 |
92 |
8 |
56.0 |
洗精选煤的灰、硫含量气煤要优越于焦煤、肥煤。2003年83家重点炼焦煤洗煤厂精煤按煤种平均分、硫分为：
|
|
瘦煤+
贫瘦煤 |
焦煤+
|
肥煤+
气肥煤 |
气煤+
1/3焦煤 |
|
平均灰分/% |
9.82 |
9.84 |
9.99 |
9.50 |
|
平均硫分/% |
0.43 |
0.65 |
0.92 |
0.60 |
其中气煤精煤硫粉小于0.6%占到75%，小于0.4%约占15%；1/3焦煤精煤硫分小于0.6%占到63%，小于0.4%约26%。两类精煤产量合计占精煤总量的50.9%。
从地域分布上也极不平均，在炼焦煤探明储量中有56%是在山西省，其次相继为安徽省8.5%、山东省6.1%、贵州省3.6%、黑龙江省3.5%、河北省3.3%。其他省、自治区、直辖市合计不足20%。山西省的肥煤、焦煤储量又各占探明储量的45%。概括以上可以得出，我国炼焦生产应立足于多用气煤类炼焦煤的工艺技术。
2 炭化室宽度对焦炭质量的影响
焦炉炭化室宽度对不同性质的炼焦煤所生成焦炭质量的影响较大。鞍山热能院和日本等国家都作过相关的试验，其结论为焦炉炭化室宽度超过500mm后，对不同性质炼焦煤所生成焦炭的质量具有明显的影响。即粘结性好的煤料所得焦炭的各项指标都较好；而粘结性差的煤料所生成焦炭的气孔率和气孔平均直径加大，气孔壁变薄导致耐磨性（M10）和显微强度变差，热反应后强度也出现变差的趋势。
探究使用粘结性差煤料产生的机理可以归结为，在宽炭化室中，随着炭化过程进展，逐步远离炉墙部分的煤料，特别是中心部位的煤料升温速度减缓，软化熔融范围变窄，煤料间膨胀性能变差，煤料颗粒之间的间隙缺少足够的胶质体予以充分充填，导致气孔率增大，气孔壁变薄。尤其是结焦时间延长，焦饼中心部位最终干馏温度低，与靠近炉墙部位的焖炉时间差距拉大，从而影响焦炭质量的不均匀性也增大。而在较窄的炭化室中，粘结性差的煤料由于快速加热，使裂解物的产出速度增快，致使非挥发性液相量较多，在其还来不及离开煤料表面前，进一步合成相对分子量高的液相反应物，有效地充填于煤颗粒之间，最终炭化形成兼顾的结构，从而获得较好冷强度质量的焦炭。
今年来对大型高炉用焦炭的研究和实践表明，以粘结性较差气煤类生成的焦炭，其光学组织中的各向同性含量高，他在高炉内有碱条件下，抗CO2浸蚀性药优于强粘结性煤种形成的各向异性。因此适当多配用气煤类，在适当的炭化室宽度焦炉中产生的焦炭，也可以使其热反应性（CSI）和反应后强度（CSR）保持在一定水平，以满足高炉炼铁工艺要求。
我国目前评价焦炭质量的有关技术指标，如M40、M10、CIS及CSR等都是在无碱的条件下确定的，而在高炉中有碱条件下，有些指标发生了差异。
日本由于国内资源缺乏，绝大部分炼焦煤都要进口，粘结性煤的价格高，所以日本在配合煤中就尽量多用粘结性较差的煤，配合煤的开发相对较高，而却仍得到符合大型高炉对焦炭质量的要求。独联体国家（原苏联）煤资源丰富，但为合理利用资源，长期在配合煤中使用较高比例粘结性差的煤。由此可以解释为什么日本和独联体国家的焦炉炭化室宽度多为410mm～450mm，而不宽于500mm。
反观德国，却在不断增加炭化室宽度，其原因是德国长期以来在配合煤中强粘结性煤的配比一般在70%或更高，配合煤挥发分一般在22%～25%。由于宽炭化室便于焦饼的收缩和推焦，所以近年来配合煤的挥发分已降到21%～22%。
正是由于我国炼焦用煤资源情况与德国有很大差别，因而对顶装焦炉是否向宽炭化室过度（≥550㎜）问题，应持十分谨慎的态度，还需作充分的论证工作。当然不排除个别或少数企业的采用，但在采用前应跟据对焦炭质量要求和拟定供应的炼焦煤品种，进行配煤试验，以确定其可行性。否则，一旦宽炭化室焦炉建成后，需要大量采购（或进口）强粘结性煤，不仅会给生产带来被动，也会增加企业的生产成本。
引进7.63m焦炉也反映出我国现有焦炉炉型系列还不能适应各类规模化焦炭产量的情况。从焦炉发展过程看，叫卢炭化室尺寸（或有效容积）由小到大的过程也就是焦炭产量规模由小到大的发展。实践表明，从基建投资到经营管理，最经济合理的焦炉布局应改是2座焦炉组成1个炉组，由1套机械和生产人员操作而达到需要的焦炭产量。我国现有焦炉炉型的最佳布局及基本情况见表1，德国的焦炉炉型及布局建表2。
表1 我国现有焦炉炉型的布局情况
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焦炭产量/万t.a-1 |
焦炉布局 |
炭化室尺寸 |
|
长×宽×高 |
有效容积/m3 |
|
50-60 |
2×45孔 |
14.08×0.45×4.3 |
24 |
|
100-110 |
2×（50-55）孔 |
15.98×0.45×6.0 |
38.5 |
表2 德国根据生产规模选用的炉型和布局
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厂名 |
焦炭产量/万t.a-1 |
焦炉布局 |
炭化室尺寸 |
|
长×宽×高 |
有效容积/m3 |
|
凯萨斯图尔 |
200 |
2×60孔 |
18.80×0.61×7.63 |
79 |
|
曼内斯曼 |
220 |
2×70孔 |
18.80×55×7.85 |
70 |
|
斯韦尔根 |
260 |
2×70孔 |
20.80×0.60×8.43 |
93 |
如果年需焦炭产量为150万吨左右，选择炭化室有效容积为38.5m3或70m3以上的焦炉，经济上是不合理的。我国目前大型钢铁企业的高炉煤粉喷吹量已达到200kg/t铁左右，焦比降至300㎏/t铁左右，生铁产量已达到1000万t/a左右。对于这样规模的生铁产量的高炉组，用年产焦炭150-170万吨的焦炉组予以配套是最经济的。
基于上述情况，我们建议应尽快设计出炭化室长约18m、高约7m、宽500㎜或稍宽于500㎜、有效容积为60m3左右的大容积焦炉。这种焦炉还可以根据需要采用高强度、高密度、低重烧膨胀率的优质薄炉壁砖，由这种尺寸组成2×60孔左右的焦炉组，年产焦炭量为150-170万吨。这种不超过550m炉宽的焦炉，仍然具备常规焦炉单位时间、单位有效容积较高的焦炭产出量，并且结焦速度恰当，能适应多用高挥发分，粘结性较差煤料优点。该型号炉的设计，在装备水平和环保水平上都应高于现有焦炉。
我国炼焦技术经历了波澜壮阔的发展，积累了丰富经验。炼焦技术水平有很强的创新能力，现已居于国际前列。随着改革开放，设备制造能力和自动化水平的不断提高，催生这种新型号的焦炉并使之稳定生产运行是完全可以实现的。
对PROven技术的探讨
随7.63m焦炉引进的还有PROven技术（即炭化室压力调节系统），这套系统是德国蒙坦技术公司（DMT）和蒂森-克虏伯公司合作开发的，1999年在德国奥古斯特蒂森焦化厂进行了生产试验。该系统是将集气管保持在-300Pa的负压，对应每个炭化室的桥管下端设有一个底部为锥形的水槽，水槽放入集气管内，水槽内设活塞杆等。在每个桥管外部都装有1套调节机构以及加水管等，按设计要求，该系统由3个功能。
第一个功能为现实无烟装煤。装煤时，水槽中的水全部都放空，使装煤炭化室与-300Pa的集气管联通，炭化室内呈负压，而不必再在桥管处喷高压氨水。这项功能对德国（包含西欧和北美）的焦炉有效，原因一如同前述，炼焦配煤中大部分是粘结性好的中、低挥发分煤，在装炉过程中挥发分析出量少；二是装炉煤水分稳定，一般在8%-9%。在我国多数厂的装炉煤水分高（尤其是在东北、华东），水分基本上都在10%以上，如平均水分按11%计（实际多数厂要超过），与水分8%相比，每吨装炉煤要多带入30㎏水。水汽化后的体积要增大1000多倍。在装炉的2.5-3min内，只要有1/10的水汽化，6m焦炉装煤水分增加的水量达900㎏左右，就可以发生上百立方米的蒸汽，这将促使装煤过程烟尘外泄加剧。这也是我国多年来依靠喷高压氨水，在较好的情况的下也只能控制60%左右装煤烟尘的原因。因而近年各厂都增设了地面站装煤烟尘净化装置，预计我国靠PROven系统实现无烟装煤的难度会较大。
此外，由于我国装炉煤中高挥发分煤料多，粉碎也较细，如按德国采用集气管压力为-300Pa，远高于我国采用高压氨水形成的-200Pa～-250Pa，则将吸入大量的煤粉，而影响焦油质量。而PROven系统中的锥形水槽放在集气管内，长期与荒煤气接触，其外壁不可避免地会附着粘稠物，清理会有困难。
基于前述情况，有的厂在引进这套系统时，担心难于实现无烟装煤而要求增设地面站装煤烟尘净化装置。如这样，则PROven系统和造价昂贵的夏尔克装煤车就失去意义。
第二个功能可单独调节每个炭化室压力。每个炭化室从装煤带推焦整个结焦过程，其压力是随煤气发生量变动而变化，PROven就是设法随时调节，使炭化室内的压力不过大，减少荒煤气外泄，而在结焦末期，又保证炭化室内部出现负压。
我国目前控制炭化室内压力是靠集气管调节，即保持集气管内的压力为定值。这一定值要保证在吸气管下部的炭化室底部，在结集末期的压力不低于5Pa。当结集出其，煤气发生量达，流入集气管的煤气量多，后期则流量减少，结集终了，靠集气管煤气返回，使炭化室底部压力保持在5Pa。用集气管控制调节炭化室压力，问题在于沿集气管长向各点的压力是不同的，吸气管处的压力最小，距离变远，其压力增大，则使其对应的炭化室内压力也相应增大，增加了荒煤气泄漏的机率。
实践表明，如将吸气管中部与集气管端部之间的最大压力差保持在20Pa以内，则对炉组内各个炭化室中压力变化影响最小。以宝钢50孔、6m单集气管焦炉的实测为例，从吸气管处到集气管两端的压力差，基本都保持在20Pa以内。所以，只要选择合适的集气管径，1座焦炉组成的炉孔数量适当，可以做到使集气管内的压力差保持在20Pa以内，这就完全达到同PROven系统相同的效果。
第三个功能实现了桥管端部水封。推焦时将水槽充满水，切断炭化室与集气管的联通，起到类似常规使用的桥管端部水封阀相同的作用。
从上述3个功能看，我国装炉煤的条件和已经采用的有关技术措施，完全可以达到PROven系统的目标。因而不必增加结构复杂、造价高昂的PROven系统（1套2×70孔焦炉的硬件费用就需240万欧元）。
总之，评价一项技术的先进性，不在于其复杂程度或造价高低，而在于其使用性，它是否付符合需要及能否解决相关实际问题。作者:董海 钟英飞
