7.5m顶装焦炉技术的开发与应用
作者：化小北 来源：煤化工信息网 浏览次数：2449次 更新时间：2021-05-06
本文结合7.5m焦炉投产后的生产指标，全面介绍了中钢设备有限公司自主开发设计的7.5m顶装焦炉的技术特点。7.5m焦炉的顺利投产和稳定运行，是中钢设备有限公司在自主开发的7.1m顶装焦炉成功投产后的又一成功实践，是对焦炉大型化和绿色低碳发展进行的有益探索和尝试。
1、开发背景
为更好适应高炉大型化和焦炉绿色低碳发展的需要，针对3000m³以上大型高炉对配套焦炉的焦炭产能和质量的需求，同时吸收国内外各方先进技术，广泛结合实际生产操作经验，中钢设备自主开发设计了ZG7.5×3-1型7.5m顶装焦炉，单孔焦炭产量达到40.51吨，单炉组焦炭产量可达到160-190万吨/年，填补了7m和7.63m焦炉之间的产能空白，与市场上主流在建大型高炉对焦炉产能的需求完美匹配。
2、应用案例
2018年10月，中钢设备有限公司成功中标柳钢集团防城港钢铁基地备煤焦炉工程EPC总承包项目，采用4座60孔7.5m顶装焦炉，年产焦炭350万吨。2020年5月21日，第1座焦炉顺利投产，2020年12月30日，4座焦炉全线投产。项目全貌详见图1，焦炉机侧详见图2。截至2021年4月，7.5m焦炉生产稳定，焦炭质量优良，焦炭主要技术指标超过一级焦标准。柳钢7.5m焦炉生产的焦炭技术指标如表1。柳钢7.5m焦炉生产的焦炭粒度指标如表2。
3、7.5m顶装焦炉炉体及工艺参数
7.5m顶装焦炉主要结构采用双联火道、废气循环、焦炉煤气下喷、贫煤气及空气侧入、蓄热室分格、贫煤气及空气分段供给的复热式设计。炉体结构参数如表3所示。
ZG7.5×3-1型顶装焦炉单组设计最大产能为190万t/a，主要工艺参数见表4。
4、7.5m顶装焦炉技术特点
4.1炉体结构
1）采用分段加热与废气循环相结合的技术。该炉型在废气循环系统的基础上融合了分段加热技术，燃烧室隔墙设有分段空气和煤气的供入孔，煤气和空气均分三段，通过实验并结合模拟仿真计算，最优布置了分段高度及开口尺寸。通过调节每段气量的分配比例，在实现焦炉高向加热均匀性的同时还有效控制了燃烧温度，进而减少氮氧化物的生成。炉体三维总览详见图3，分段加热详见图4。
2）采用双侧废气烟道结构。在分析国内外大型焦炉烟道布置特点，对比单、双侧烟道优缺点基础上，7.5m焦炉采用了成熟可靠的双侧烟道布置，空气和贫煤气均从机焦两侧供入，可分别计量和调节，有利于机、焦侧不同煤气和空气流量的控制，确保蓄热室气流分配更加均匀，烟道断面布置更加合理，生产过程中调节更简便、准确。
3）采用蓄热室分格结构。为了保证焦炉长向加热的均匀性，蓄热室沿焦炉机、焦侧方向分18个小格，并且蓄热室下部设置可调篦子砖，通过调节篦子孔断面大小，调节混合煤气和空气的长向气流分布，实现焦炉长向加热均匀性。蓄热室分格使气流分配更加合理，减少了气流的偏析，增加了格子砖的换热效率，最大程度吸收燃烧废气的显热。
4）改进砖型设计。蓄热室主墙采用带有三条沟舌的异型砖相互咬合砌筑，而且蓄热室主墙砖煤气道管砖与蓄热室无直通缝，保证了砖煤气道的严密性。蓄热室单墙是采用单勾舌结构，用异形砖相互咬合砌筑，保证了单墙的整体性和砌体严密性，提高焦炉的热工效率。蓄热室封墙在硅砖和粘土砖之间增设整块的不锈钢板和硅酸钙板，使封墙严密性更好。封墙的粘土砖外抹无石棉保温材料，保温效果好，热工效率高。蓄热室封墙砖型设计详见图5。
5）改进炉顶结构。炉顶采用滑动层结构，上部低温区采用黏土砖，下部高温区采用硅砖。在黏土砖和硅砖之间设置滑动层，防止下部硅砖快速膨胀时拉裂上部的黏土砖结构，保证炉顶密封效果。增加炉顶隔热层厚度，减少炉顶散热，改善炉顶的操作环境；炉顶中心线至机、焦侧正面，设置坡度，方便炉顶排水。炉顶耐火材料示意图详见图6。
6）增加炉体强度。通过加大炭化室中心距、增加炉顶厚度等措施，提高炉体强度，使SUGA值达到了10.5kPa，高于炼焦工艺设计规范要求的9.0kPa，满足炉体强度要求；在保证炉体强度的前提下相应减薄炉墙，增加传热效率，减少结焦时间，节约耐火材料用量，节省加热煤气耗量。
7）改进炉门衬砖。采用封釉大砌块砌筑，便于后期生产维护。与常规炉门相比，炉门厚度减薄但隔热效果更好。
8）设计合理的加热水平。根据炼焦配合煤参数，设计合理的焦炉加热水平，可保证炉顶空间温度适中，正常生产时不大于850℃，既避免炭化室顶部空间及上升管结石墨过厚，也防止炭化室顶部焦炭不熟。
9）护炉铁件优化。传统的护炉铁件设计采用类比法，即根据炉型和经验，参考近似炉型的铁件结构开展设计。我公司设计人员综合考虑7.5m顶装焦炉炉体结构及国内特大型焦炉护炉铁件设计经验，利用3D仿真技术配套设计护炉铁件，对铁件结构进行合理设计和改进。从源头上解决了局部高应力区和过分放大安全系数等问题，从而在提高铁件的强度、刚度和稳定性的同时，降低了铁件重量，控制了投资成本。具体措施如下：炉门采用不锈钢弹性刀边、腹板可调、弹簧门栓、悬挂式空冷炉门，内衬封釉大砌块炉门砖；保护板采用大保护板结构形式，适当增加了保护板的厚度；炉头保护板配合炉顶滑动层与横拉条设计，保护砌体结构。
4.2绿色低碳方面
1）相同产量的情况下，7.5m焦炉采用大容积炭化室，可减少出焦次数，大大降低污染物的排放量。与7m焦炉相比，在同等产量的情况下推焦次数降低了近22%，明显降低了阵发性烟尘排放，减少了焦炉机械的操作次数，从而降低了装煤、出焦及熄焦过程中产生的污染物排放总量。
2）炉体采用废气循环与分段加热相结合的技术，在提高热效率、节省煤气用量的同时，还能够实现最优化燃烧，并有效降低燃烧过程中氮氧化物的生成量。同时，针对护炉铁件进行优化设计，大大提高了炭化室的严密性，基本消除了炉门处污染物的泄漏。
3）装煤、出焦及机侧炉头烟气除尘均采用干式除尘地面站，烟尘捕集率超过95%，布袋除尘效率达到99.5%以上。焦炉机侧炉头烟尘除尘系统采用水封式除尘干管，水封装置沿推焦车外轨平行布置，与推焦车用U型管连接，有效减少了除尘系统的泄漏量，降低了除尘系统风量和电机功率，降低了除尘系统能耗。
4）采用盘管式上升管余热回收系统，上升管本体采用盘管式换热装置，内筒采用耐高温耐腐蚀合金无缝结构，有效地阻止了水向炉内泄露，本质化地确保不漏水到焦炉炭化室；与夹套上升管相比，不存在胀管后汽水混合物进入炭化室的风险。大幅回收荒煤气热量，吨焦产1.0MPa蒸汽90-100kg。同时该上升管本体不属于压力容器，也不属于锅炉部件，不需要强制年检，便于生产管理。
5）根据业主需要，7.5m焦炉还可以设置炭化室单孔压力调节系统。结焦阶段和结焦末期，通过自动调节特制的水封阀开度来调整该孔炭化室压力，满足结焦周期内炭化室底部压力保持微正压，防止结焦末期由于炭化室负压而吸入空气，提高焦炭质量、减少炉体串漏、增加荒煤气中焦油和粗苯的产量及质量；装煤阶段，配合无烟装煤车和高压氨水喷射，减少装煤过程中冒烟、冒火现象，减低污染排放。水封阀调节、上升管水封盖启闭及高低压氨水切换等实现自动操作。与德国PROVEN系统相比，本炭化室单孔压力调节系统的初装和维护成本降低超过40%。
6）焦炉烟气设脱硫脱硝系统，有效去除烟气中的硫和氮氧化物，减少了环境污染。烟气排放满足GB16171-2012《炼焦化学工业污染物排放标准》要求。
4.3炉体自动化方面
1）开发了焦炉自动加热系统。通过立火道温度自动测量技术，实时监测焦炉立火道温度。通过监测到的立火道温度与目标温度的偏差，结合从煤气热值仪与煤水分分析仪测量得到的煤气热值和煤水分作为温度反馈调节的前馈，辅以火落温度，来计算并修正煤气流量设定值。分烟道吸力模型结合计算出的煤气流量设定值和期望的烟道废气含氧量确定最优机、焦侧分烟道吸力设定值。采用自动加热系统后，可从源头上削减和减少污染物的产生，焦炉加热煤气消耗量可降低约2%-5%，提高了资源的综合利用效率。焦炉自动加热控制系统界面详见图7。
2）焦炉机械设自动对位及地面协调系统，用于焦炉车辆的位置检测、炉号识别、自动对位及联锁控制，并能完成自动走行、自动操作。通过中控室收集、分析处理各车送来的信息，形成各种记录和报表，同时根据推焦计划形成控制命令指挥各车工作。车辆之间设自动检测防碰撞装置，确保焦炉和设备的安全。焦炉机械自动对位及地面协调系统减少了工人劳动强度，提高了工作效率。全套焦炉机械是按一次对位，2-1推焦串序进行操作。2-1推焦串序具有加热均匀，延长炉体寿命，减少走行距离，提高操作效率，减少焦炉机械车体长度等优点。焦炉机械能实现手动操作、单元自动操作，最终目标实现有人值守、自动操作。
3）开发直行温度自动测温机器人系统。每个炉组配置两台机器人，一台负责测量“机侧直行温度”，另一台负责测量“焦侧直行温度”。采用独立轨道和专用看火孔盖设计，采用红外探头测温，自动打开看火孔盖，可以实时获取立火道温度数据，有助于减少危险区域的人工作业，降低劳动强度和人工成本，提高测量的准确性。数据服务器设置在焦炉中控室。煤塔下设置无线通信基站。机器人与数据服务器的通信通过无线基站及现场工业以太网完成。直行温度自动测温机器人详见图8。
4）采用装煤孔盖自动浇浆技术。过去装煤车装煤完毕后，为防止装煤口冒烟，由人工对炉盖逐一进行浇浆密封，劳动繁琐，条件恶劣。采用自动浇浆技术，有效减少了工人的劳动强度，提高了工作效率。自动浇浆系统主要由制浆系统、储浆系统、输浆系统、浇浆系统等组成。制浆系统和储浆系统布置在炉顶制浆室，粉料在制浆罐内经过高速搅拌器与水混合制成浆料，输送到储浆罐内储存，再通过输浆系统输送到装煤车浇浆罐内，浇浆罐设有搅拌器，随着装煤车一直在工作。泥浆通过输送泥浆的管路靠重力作用浇在炉盖上，浇完之后向输浆管内吹入压缩空气以清除管内残留物，防止堵塞。输送管材料为防挂料镀膜管道。
5）推焦杆自动测温技术。在推焦杆上固定安装6台光学温度计，推焦过程中实时检测炉墙温度。为防止温度信号传输电缆烧损，采用特殊保温材料防护并持续通压缩空气冷却。可以替代炉顶横排温度的人工测量，减轻恶劣环境下的工人工作量，同时提高炉墙温度检测的稳定性和准确性。另外，该技术的实施，有利于及时发现炉墙存在的问题并及时处理，有利于焦炭的均匀成熟和炉体的长期稳定运行。同时，结合直行温度自动测温机器人收集的数据，作为焦炉炉体自动加热的煤气流量调整的主要参数，可以提高焦炉自动加热系统调节的及时性和准确性。
5、结语
中钢设备自主开发的7.5m顶装焦炉，在总结国内外生产经验的基础上，做了大量的改进和优化，在保证焦炭质量、提高能源利用效率的同时，不断提高焦炉自动化水平，有效降低污染物排放。7.5m焦炉的成功投产和稳定运行，填补了顶装焦炉单炉组产量在160-190万吨的空白，是焦炉大型化和绿色低碳发展的有益探索和尝试。中钢设备作为经验丰富的大型焦炉EPC总承包单位，已经成为国内外钢铁企业客户的可靠选择。
