炼焦炉的结构

炼焦炉第四章炼焦炉第一节炉体构造第二节炉型特性第三节炉型举例第四节焦炉结构的发展方向炼焦炉第一节炉体构造一、炼焦炉的发展阶段及现代焦炉的基本要求焦炉是炼制焦炭的工业窑炉，焦炉结构的发展大致经过四个阶段，即成堆干馏（土法炼焦）、倒焰式焦炉、废热式焦炉和现代的蓄热式焦炉。我国早在明代就出现了用简单的方法生产焦炭的工艺，它类似于堆式炼制木炭，将煤置于地上或地下的窑中，依靠干馏时产生的煤气和部分煤的直接燃烧产生的热量来炼制焦炭，称为成堆干馏或土法炼焦。土法炼焦成焦率低，焦炭灰分高，结焦时间长，化学产品不能回收，还造成了环境污染，综合利用差。炼焦炉焦炉的发展趋势应满足下列要求：（1）生产优质产品为此焦炉应加热均匀，焦饼长向和高向加热均匀，加热水平适当，以减轻化学产品的裂解损失。（2）生产能力大，劳动生产率和设备利用率高。为了提高焦炉的生产能力，应采用优质耐火材料，从而可以提高炉温，促使炼焦速度的提高。（3）加热系统阻力小，热工效率高，能耗低。（4）炉体坚固、严密、衰老慢、炉龄长。（5）劳动条件好，调节控制方便，环境污染少。炼焦炉二、现代焦炉炉体各主要部位现代焦炉虽有多种炉型，但无非是因火道结构、加热煤气种类及其入炉方式、蓄热室结构及装煤方式的不同而进行的有效排列组合。焦炉结构的变化与发展，主要是为了更好的解决焦饼高向与长向的加热均匀性，节能降耗，降低投资及成本，提高经济效益。为了保证焦炭、煤气的质量及产量，不仅需要有合适的煤配比，而且要有良好的外部条件，合理的焦炉结构就是用来保证外部条件的手段。现代焦炉炉体最上部是炉顶，炉顶之下为相间配置的燃烧室和炭化室，炉体下部有蓄热室和连接蓄热室与燃烧室的斜道区，每个蓄热室下部的小烟道通过废气开闭器与烟道相联。烟道设在焦炉基础内或基础两侧，烟道末端通向烟囱，故也称焦炉由三室两区组成，即炭化室、燃烧室、蓄热室、斜道区、炉顶区和基础部分。炼焦炉图4–1焦炉炉体结构模型图炼焦炉1．炭化室炭化室是接受煤料，并对其隔绝空气进行干馏的炉室。一般由硅质耐火材料砌筑而成。炭化室位于两侧燃烧室之间，顶部有3～4个加煤孔，并有1～2个导出干馏煤气的上升管。它的两端为内衬耐火材料的铸铁炉门。整座焦炉靠推焦车一侧称为机侧，另一侧称为焦侧。顶装煤的焦炉，为顺利推焦，炭化室的水平呈梯形，焦侧宽度大于机侧，两侧宽度之差称锥度，一般焦侧比机侧宽20～70mm，炭化室愈长，此值愈大，大多数情况下为50mm。捣固焦炉由于装入炉的捣固煤饼机、焦侧宽度相同，故锥度为零或很小。炭化室宽度一般在400～550mm之间，宽度减小，结焦时间能大大缩短，但是一般不小于350mm。炼焦炉因宽度太窄会使推焦困难，操作次数频繁和耐火材料用量增加。炭化室长度为13～16m，从推焦机械性能来看，该长度已接近最大限度。炭化室高度一般为4～6m（国外可达8m或以上），增加高度可以增加生产能力，但受高度方向加热均匀性的限制。增大炭化室的容积是提高焦炉生产能力的主要措施之一，一般大型焦炉的炭化室有效容积为21～40m3，我国5.5m高的大型焦炉为35.4m3，6m高的大型焦炉为38.5m3。国外近年来的大型焦炉的有效容积已达50～80m3。炭化室尺寸的确定，通常受到多种因素的影响。下面分别叙述有关的影响因素。炼焦炉（1）炭化室的宽度炭化室的宽度对焦炉的生产能力与焦炭质量均有影响，增加宽度虽然焦炉的容积增大，装煤量增多，但因煤料传热不良，随炭化室宽度的增加，结焦速度降低，结焦时间大为延长。如表4-1所示（火道温度按1300～1350℃）。因此宽度不宜过大，否则反而降低了生产能力。宽度减小，结焦时间大为缩短，但不应太窄，否则推焦杆强度降低，推焦困难。且结焦时间缩短后，操作次数增加，按生产每吨焦炭计，所需操作时间增多，增加污染，耐火砖用量也相应增加，从而降低了生产能力。炼焦炉表4-1炭化室宽度与结焦速度的关系炭化室平均宽度/mm500450407350300结焦时间/h22181612.510结焦速度/(mm/h)2.272.52.552.83.0炼焦炉此外，炭化室宽度对煤料的炼焦速度、膨胀压力及焦炭的平均块度等因素均有影响，具体表现为：①干馏过程的传热，是炭化室两侧的燃烧室通过炉墙，向炭化室中心的单向不稳定传热。由于煤料的导热系数远低于硅砖，即干馏过程中传热的热阻主要来自煤料。当装炉煤水分、挥发分、堆密度保持不变时，炭化室越窄，炼焦速度就越快。炼焦炉②高温干馏过程中煤料给予炭化室炉墙的膨胀压力，起因于胶质体层内的煤气压力，其值大小因装炉煤料性质、颗粒组成、堆密度以及燃烧室温度不同而异，也与炭化室宽度有关。由于炭化室越宽，干馏速度越慢，所以胶质体层内煤气压力就越低。因此，同一煤料在不同炭化室内干馏时，炉墙实际承受的负荷是随着炭化室宽度增加而略有减小。如图4-2所示。炭化室膨胀压力危险值约15kPa左右，故允许承受的极限负荷约7～10kPa。因此当装炉煤的膨胀压力偏高时宜采用宽炭化室。炼焦炉③焦炭碎成小块，起因于裂纹。焦块的统计平均尺寸大小取决于裂纹之间的距离。而裂纹的间距与裂纹的深度取决于不均匀收缩所产生的内应力。在相同的结焦温度下，焦炭块度随着炭化室宽度增加而加大。与此同时，当煤料和干馏条件相同时，炭化室越宽，由于结焦速度减慢而使焦炭裂纹减少，故焦炭的抗碎强度也越高。但是，从生产能力与技术经济指标来看，由于随着宽度增加结焦时间将延长，每孔炭化室单位时间出焦率将随着宽度增加而降低。炼焦炉所以，在一定范围内，炭化室宽度越窄，生产能力将越高。故应综合考虑确定炭化室宽度，对黏结性好的煤料宜缓慢加热，否则在半焦收缩阶段，应力过大，焦炭裂纹较多，小块焦增加，因此炭化室以较宽些为宜。对于黏结性较差的煤料，快速加热能改善其黏结性，对提高焦炭质量有利，故以较窄的炭化室为好。58型焦炉炭化室的平均宽取407mm和450mm两种规格，大容积焦炉的平均宽度仍为450mm，目前有些新建焦炉宽度为500mm；小型焦炉炭化室的平均宽度为300mm左右。炼焦炉（2）炭化室长度焦炉的生产能力与炭化室长度成正比，而单位产品的设备造价随炭化室长度增加而显著降低。因此，增加炭化室长度有利于提高产量，降低基建投资和生产费用，但长度的增加受下列因素的限制：①受炭化室锥度与长向加热均匀性的限制，因为炭化室锥度大小是取决于炭化室长度和装炉煤料的性质。一般情况下，煤料挥发分不高，收缩性小时，要求锥度增加。而随着炭化室长度的增加，锥度也增大。国内大容积焦炉炭化室的长度为15980mm，锥度为70mm；卡尔斯蒂式焦炉炭化室长度为17090mm，锥度为76mm。随着炭化室长度和锥度的增大，长向加热均匀性问题就比较突出，导致局部产生生焦，这不仅使质量和产率降低，而且使粉焦量显著增加。炼焦炉②受推焦阻力及推焦杆的热态强度的限制。随着炭化室长度的增加，不仅由于长向加热不均匀使粉焦量增加而促使推焦阻力增大，还由于焦饼重量增加，焦饼与炭化室墙面、底面之间的接触面增加，从而使整个推焦阻力显著升高。随着炭化室长度的增加，推焦杆的温度在推焦过程中逐渐上升，而一般钢结构的屈服点随着温度升高而降低，到400℃时，约降低1/3。因此，炭化室长度增加也受此限制。此外，炭化室长度还受到技术装备水平和炉墙砌砖的限制。炼焦炉（3）炭化室高度大型焦炉一般为4～6m，增加炭化室高度是提高焦炉生产能力的重要措施，且由于煤料堆密度的增加而有利于焦炭质量的提高。但是随着高度的增加，为使炉墙具有足够的强度，就必须相应增大炭化室的中心距及炭化室与燃烧室的隔墙厚度。为了保证高向加热均匀性，势必在不同程度上引起燃烧室结构的复杂化。为了防止炉体变形和炉门冒烟，应有坚固的护炉设备和有效的炉门清扫机械。凡此种种，使每个炭化室的基建投资及材料消耗增加。因此，应以单位产品的各项技术经济指标进行综合平衡，选定炭化室高度的适宜值。目前大型焦炉的高度一般不超过8m。综上所述，由炭化室的长、宽和高度所决定的炭化室的容积，必须与焦炉的规模，煤质及所能提供的技术装备水平等情况相适应，因此不能脱离实际，片面的追求焦炉炭化室的大型化。炼焦炉2．燃烧室燃烧室位于炭化室两侧，其中分成许多火道，煤气和空气在其中混合燃烧，产生的热量传给炉墙，间接加热炭化室中煤料，对其进行高温干馏。燃烧室数量比炭化室多一个，长度与炭化室相等，燃烧室的锥度与炭化室相等但方向相反，以保证焦炉炭化室中心距相等。一般大型焦炉的燃烧室有26～32个立火道，中小型焦炉仅为12～16个。燃烧室一般比炭化室稍宽，以利于辐射传热。（1）结构形式与材质燃烧室内用横墙分隔成若干个立火道，通过调节和控制各火道的温度，以便使燃烧室沿长度方向能获得所要求的温度分布，而且又增加了燃烧室砌体的结构强度，并由于增加了炉体的辐射传热面积，从而有利于辐射传热。炼焦炉燃烧室的温度分布由机侧向焦侧递增，以适应炭化室焦侧宽、机侧窄的情况。因此燃烧室内每个火道都能分别调节煤气量和空气量，以保证整个炭化室内焦炭能同时成熟。用焦炉煤气加热时，根据煤气入炉方式不同，可以通过灯头砖进行调节或更换加热煤气支管上的孔板进行调节。贫煤气和空气量的调节是利用在斜道口设置人工阻力，大型焦炉采用更换和排列不同厚度的牛舌砖，可以达到调节气量的目的。燃烧室材质关系到焦炉的生产能力和炉体寿命，一般均用硅砖砌筑。为进一步提高焦炉的生产能力和炉体的结构强度，其炉墙有发展为采用高密度硅砖的趋势。炼焦炉（2）加热水平高度燃烧室顶盖高度低于炭化室顶部，二者之差称加热水平高度，这是为了保证使炭化室顶部空间温度不致过高，从而减少化学产品在炉顶空间的热解损失和石墨生成的程度。加热水平高度由以下三个部分组成：一是煤线距炭化室顶部的距离，即为炉顶空间高度，一般大型焦炉为300mm，中小型焦炉为150～200mm；二是煤料结焦后的垂直收缩量，它取决于煤料的收缩性及炭化室的有效高度，一般为有效高度的5%～7%；三是考虑到燃烧室顶部对焦炭的传热，炭化室中成熟后的焦饼顶面高应比燃烧室顶面高出200～300mm（大焦炉）或100～150mm（小焦炉）。因此不同高度的焦炉加热水平是不同的。如6m高的焦炉为900mm（1005mm），58型焦炉为600～800mm炼焦炉3．蓄热室从燃烧室排出的废气温度常高达1300℃左右，这部分热量必须予以利用。蓄热室的作用就是利用蓄积废气的热量来预热燃烧所需的空气量和贫煤气量。蓄热室通常位于炭化室的正下方，其上经斜道同燃烧室相连，其下经废气盘分别同分烟道、贫煤气管道和大气相通。蓄热室构造包括顶部空间、格子砖、蓖子砖和小烟道以及主墙、单墙和封墙。下喷式焦炉，主墙内还设有直立砖煤气道，如图4-3和图4-4所示。蓄热室小烟道直立砖煤气道炼焦炉图4-3焦炉蓄热室结构图4-4蓖子砖和砖煤气道1—主墙；2—小烟道黏土衬砖；1—扩散型蓖子砖；2—直立砖煤气道3—小烟道；4—单墙；5—蓖子砖；6—隔热砖炼焦炉图4-658型焦炉斜道区结构炼焦炉图4-1758-Ⅱ焦炉气体流动途径示意图炼焦炉当下降废气通过蓄热室时，即将热量传递给格子砖，废气温度由1200～1300℃左右降至300～400℃左右，然后，经小烟道、分烟道、总烟道至烟囱排出。换向后，冷空气或贫煤气进入蓄热室，吸收格子砖蓄积的热量，并被预热至1000～1100℃后进入燃烧室燃烧。由于蓄热室的作用，有效地利用了废气显热，减少了煤气消耗量，提高了焦炉的热工效率。当用焦炉煤气加热时，由于其热值高，不需要预热，故不通过蓄热室，直接由砖煤气道通入立火道燃烧。况且如焦炉煤气进入蓄热室预热，则会因受热分解而生成石墨，造成蓄热室堵塞，而且预热后会使燃烧速度增高，火焰变短，造成高向加热不均匀。炼焦炉蓄热室内堆砌的格子砖有九孔、六孔、蜂窝式及百叶窗式几种，其中目前较常用的是九孔格子砖，如图4-5。格子砖安装时上下砖孔要对准，高炉煤气含尘量应控制在15mg/m3以下，操作中应定期用压缩空气吹扫。蓄热室内温度变化大，故格子砖采用黏土砖，小烟道需设黏土衬砖，以保护硅砖砌筑的隔墙受温度变化的冲击。格子砖上部留有顶部空间，主要使上升或下降气流在此得到混匀，然后以均