1992年年底，位于德国多特蒙德的具有目前世界上最大焦炉的凯泽斯图尔新焦化厂， 在与克虏伯赫斯冶金公司的密切配合下，经过约35个月的建设，终于投入了生产。这个安装有综合性设备、能大大改善环境的工厂也可认为是世界上最现代化的焦化厂。本文将介绍该焦化厂的焦炉加热系统及其操作情况。
1 凯泽斯图尔焦化厂概况
凯泽斯图尔焦化厂（属于鲁尔煤业公司）位于多特蒙德的克虏伯赫斯钢铁厂厂区的中央，与高炉和轧钢厂紧密相连。该冶金厂是凯泽斯图尔焦化厂所产焦炭和焦炉煤气的最大用户。冶金厂的高炉煤气和一些其它介质（N2、天然气和水）反过来又供给凯泽斯图尔焦化厂。
凯泽斯图尔焦化厂的年设计能力为：200万吨焦炭、10亿m3焦炉煤气、100万吨高压蒸汽、2亿度电、2. 5万吨粗苯、8.5万吨焦油，9000吨硫磺。蒸汽是干熄焦装置（CDQ）生产的，而电则由附属电站生产。
2 焦炉系统
焦化厂由2×60孔焦炉组成。设有1座煤塔（2700吨)、2套焦炉机械和1套世界上最大的干熄焦装置（250t/h)，其中包括1套热电站。每座焦炉约需2. 8万吨耐火材料。
焦炉操作采用采用2－1推焦串序。在满负荷时，周转时间为25h。炼焦炉既可采用焦炉煤气加热，也可采用混合煤气加热。混合煤气是由高炉煤气、干熄焦的剩余气和焦炉煤气组成，用焦炉煤气的掺入量来调节混合煤气的热值。
1号焦炉只能整座炉子更换加热煤气，而2号焦炉则可分为两段，即每段30孔炭化室可使用不同类型的煤气加热。燃烧用空气不靠烟道吸力吸入，而是通过风机送入，这样就不受大气变化的影响，焦炉地下室也都用风机强制通风。
按环保部门的要求，炉门冒出的烟火不得排入大气。为满足这一要求，在炭化时间的第一个小时内，须将炭化室与泄漏气体抽吸装置相连。这样，一旦炉门漏气，就能将泄漏的气体收集到位于炉门上方的固定罩内，其中的固体物质在袋滤器内分离，袋滤器排出的气体送入燃烧用空气中，在燃烧室中烧掉。在第一小时之后直到结焦终了之时，所有罩子上的抽吸装置即使以半负荷运行，也足以达到消烟的目的。
3 炭化室系统
焦炉的规格如下：
焦炉座数 2座
炭化室数 2×60孔
炭化室长度 18 m
炭化室高度 7630 mm
炉顶空间高度 450 mm
炭化室有效高度 7180 mm
炭化室有效容积 78.84 m3
炭化室宽度 610 mm
炭化室锥度 50 mm
火道温度 约1330℃
炉顶厚度 1750 mm
炭化室中心距 1650 mm
炉墙厚度 95 mm
炉墙导热率 2. 2 W/(m·K）
许荷值 1106 kg/m2
炭化室的有效容积约78.84m3, 其装煤量约67吨，每孔推出的焦炭量约49吨。1650mm的炭化室中心距使焦炉的许荷值达到了1106 kg/m2，这样的炭化室相当稳定，可以承受较高的内部气体压力。
除了采用高度可调的平煤杆以适应不同的装煤高度外，还采用了所谓的差热法，以适应垂直收缩差别很大的装炉煤（见图1)。在正常情况下，当炼制收缩性很小或中等收缩性煤时，废气通过位于立火道隔墙上部的两个跨越孔（一个在另一个上部）后从上升火道进入下降火道。在两个跨越孔之间设带有滑动板的圆凹槽，用以关闭上部火道。当炼制收缩性大的煤时，关闭差热火道，进入炉顶及炉顶空间及煤料的热量就会少些，这样，石墨就不易积聚在炉顶。
图1 加热火道示意图（富煤气）
图2 蓄热室布置图（混合煤气）
4 加热系统
每个燃烧室设有36个火道，两个相邻火道组成双联火道，上升火道与下降火道彼此轮换气流。蓄热室设在炭化室和燃烧室下面，用于预热混合煤气和燃烧用空气。蓄热室沿焦炉纵向布置。蓄热室用异型砖墙隔开（见图2)。
混合煤气或燃烧用空气经上升蓄热室进入上升火道燃烧加热焦炉，燃烧废气由下降火道排入下降蓄热室，再从蓄热室底部的小烟道进入机侧和焦侧的分烟道。对需要预热的各种气体的调节由位于蓄热室下部的可调孔板（篦子砖）进行。
用混合煤气加热时，在蓄热室预热到1000℃的混合煤气通过火道底部的斜道口送入（见图3)。每个火道分三段供入燃烧用空气，第一段的空气入口设在底部，第二个空气入口设在隔墙距火道底部约2.5m的高度，第三个空气入口设在距火道底部4.5m处的隔墙上。当使用焦炉煤气加热时，煤气通过灯头砖供入，灯头砖的煤气出口距炉底364mm。由于在使用焦炉煤气加热时与上升火道相连的所有蓄热室都预热燃烧用空气，所以，每个火道的两个底部孔和隔墙上的两个孔都用于供空气。为了分别往各段供应热空气，故用隔墙沿纵向将空气蓄热室分隔开，并与各自的小烟道连通。部分蓄热室将燃烧用空气送入火道底部的斜道口，另一部分蓄热室则将空气供入隔墙上的孔，所供空气的量都可以在炉外进行精确调节，当煤气种类改变时又可随时调回。焦炉产生的废气通过位于焦侧的废气瓣从焦炉的一端排出，经164m高的烟囱排入大气。
加热火道中各加热段空气出口的几何尺寸都是根据施工图设计前所做的冷模型流动试验确定的。采取三段式供入空气后，既有利于多段燃烧，以达到炭化室高向均匀加热，又有利于大幅度降低氮氧化物的生成量。这是因为下部燃烧带是在低火焰温度下以低于理论空气量的条件进行燃烧的，废气的内、外回流系统保证了进一步降低NOx的形成。废气的内部回流指的是下降立火道中的部分废气从双联火道进入上升火道。在每个中间隔墙上设有两个孔。在必要时，可用一个辊形砖将这两个孔堵上，此砖可沿火道底移动。除了下降火道的废气直接回流至上升火道外，从烟囱来的比较冷的废气及其混合气则以“外部烟气回流”方式回送到燃烧用空气中。
这种工艺技术要求将燃烧空气用强制方式送入蓄热室，可使焦炉煤气加热所产生的废气回送率达30 ％。在加压情况下送入焦炉的燃烧用空气是由下列3部分气体组成的混合物，即由直接吸入的新鲜空气、焦炉泄漏气吸入并袋滤后的废气和来自焦炉烟囱的废气组成。
通向各燃烧室的连通装置设在废气瓣内，而供入的空气则由一个单设的往复拉杆、活柄联动装置（配有相应的考克）进行控制。如果燃烧用空气供应系统出了问题，可行的办法是打开废气瓣上的活门，将燃烧室改为自动吸入燃烧用空气的方式，然而，在此情况下，炉门上方的抽吸和外部烟气的回流操作就不能进行了。
变更煤气种类（混合煤气变为焦炉煤气或相反）是通过有关考克和阀门的自动切换进行的。焦炉加热的各种变换和全部的控制和调节都是在焦炉操作控制站内进行的。安装在焦炉区域内的换向牵引机都是无人操作的。
设备操作人员可利用键盘将所有设定值数据输入到视频显示装置上，并在此装置上对全部测定值、控制值进行检查。诸如各种焦炉机械的使用及状态、供煤及筛焦站的情况都集中在此进行检查。整个炼焦车间的自动化系统结构示于图4。各个操作区都配备可编程逻辑控制系统，并通过总线系统相互连接，以便进行控制、调节和收集测量数据。“焦炉组”控制站也纳入此系统中。
图3 加热火道示意图（混合煤气）
图4 自动化系统的结构
1－PG750编程器；2－发电厂（4×PLC S5-155U)；3－化产车间；4－干熄焦；5－煤处理；6－焦炉；
7－焦炉机械；8－筛焦；9－SINEC H1。
由于控制站设在较高的位置，在焦炉周围发生的一切情况都可通过几个大窗口用肉眼进行观察。为达到最佳的加热，如更换了煤气种类，则送往焦炉内各处的流量都可自动调整。
5 焦炉系统的操作
焦炉投产后，各个操作区就逐渐达到满负荷，同时，按照最佳运行方式进行调整。为使蓄热室内介质达到良好分布所进行的篦子砖的调节以及富煤气喷头的调节必须不断改进。
图5示出了投产初期按经验对篦子砖进行“非最佳调节”时燃烧室的温度分布曲线。混合煤气加热时的最佳调节结果示于图6。
图5 投产初期的燃烧室温度分布曲线
与此同时，以这种调节方式使火道高向的加热状态也达到了标准，即△T约为40K。从机侧到焦侧50K的温差接近于理想值。用富煤气加热时的情况与上述类似。
由于炼焦用煤的收缩率为6％～8％，所以差热火道都是打开的，在炉顶空间内未形成大量的积碳，甚至用于内部焰道气回流的辊子砖也是打开的。废气中的NOx值完全满足了500mg／m3的限值。用富煤气加热时的废气组成：
NOx <200mg/m3
O2 6.8%
用混合煤气加热时的废气组成：
NOx ～110mg/m3
O2 5.2%
废气平均温度 250℃
当使用外部烟气回流时（回送量30%), 废气中的NOx的值还可再降低30%。使用混合煤气及富煤气加热时，焦炉各处的表面温度和热耗量的操作数据如下。
焦炉表面温度
炉顶温度 55℃
装煤孔盖温度 150℃
炉门温度 75℃
火道温度 ＜1330℃
炼焦耗热量（水分10%）
混合煤气加热时 ～2.64MJ/kg煤
富煤气加热时 ～2.45MJ/kg煤
加热均匀性ΔK
火道高向 ～40
燃烧室长向 ～50
炉顶空间温度 ～800℃
实际的平均火道温度与设计值（1350℃）相比，该火道温度足以使煤料在25小时内完成炭化过程（按目前的操作条件）。火道温度和炉墙温度的测定至今仍以人工方式采用光电法进行。焦炉纵向温度每班测量两次，在5/6、18/19和31/32号火道内进行（图7)。在某些燃烧室内每天测一次横墙温度。另外，在废气瓣中设有温度测量仪表。目前正在安装一种测量炉墙温度（在三个高度上）的自动测量装置，这种装置是在水冷式推焦杆在推焦通过炭化室时测定的。
所用加热煤气的种类主要取决于整个钢铁厂的高炉煤气供应情况。自焦化厂投产后，用纯富煤气加热的比例仅占约25％，所以，一般要有一座半炉子用低热值的混合煤气（3.35～3.77MJ/m3）加热。
图7 焦炉纵向的温度分布曲线
6 结束语
1992年底，位于多特蒙德的凯泽斯图尔新焦化厂正式投产，从那时起，它一直和与之相邻的钢铁厂紧密配合。根据德国设计人员设计并经验证的焦炉结构设计，一个由斯蒂尔奥托、狄迪尔OFU（筑炉公司）和克虏伯考伯斯组成的小组设计出了复热式“凯泽斯图尔焦炉”，并完成了整个焦化厂的规划和建设。
燃烧室分36个火道，使用了改变跨越点的差热式焰道，还设有内部气体回流的循环孔。在双联火道冷模型中进行了气体流动状态和介质混合的试验，并将这些试验结果用于优化分段供入空气的加热系统和火道结构的设计。焦炉设计成既能用混合煤气也能用富煤气以自动加热方式进行操作，达到了最佳的热利用和较低的废气排放，焦炉的加热主要是使用低热值混合煤气，当然，也可使用自产的焦炉煤气。
为优化煤气在火道中的燃烧和降低NOx的排放量，设置了外部和内部气体的回流通道。在使用内部废气回流操作时，已能轻而易举地满足NOx排放限值（< 500mg/m3）的要求，外部气体回流时则能将这种污染气量再降低约30％。由于在投产时就进行了基本调节，所以，焦炉在达满负荷时，加热系统已逐步地达到了优化，焦炉纵向温差在50℃以内，高向温差约40℃。
