现代炼焦科技发展趋势的研究分析

印文宝，徐 列，韩 冬，钱虎林，张 赟

（1.华泰永创（北京）科技股份有限公司，北京100176；2.马鞍山钢铁股份有限公司煤焦化公司，安徽 马鞍山243000；3.攀钢集团煤化工公司，四川 攀枝花617023）

最早的炼焦是将煤成堆干馏，后来发展成为用砖砌的窑干馏，此类方法的特点是成焦和加热合在一起，靠干馏煤气和一部分煤的燃烧将煤直接加热而干馏成焦炭，所以焦炭产率低、灰分高、成熟度不均匀。为了克服上述缺点，19世纪中叶出现了将成焦的炭化室和加热的燃烧室用墙隔开的窑炉，隔墙上部设通道，炭化室内煤的干馏气经此直接流入燃烧室，同来自炉顶通风道的空气会合，自上而下地边流动边燃烧，故称倒焰炉。随着化学工业的发展，要求从干馏产生的粗煤气中回收化学产品，为此将炭化室和燃烧室完全隔开，粗煤气抽出，经回收设备分离出化学产品后，净煤气再送到燃烧室内燃烧，1881年建成了第一座副产化学产品的焦炉。此后，为了减少能耗、降低成本和满足冶金、化工等工业的燃料和原料的需要，开发出了具有废热回收装置的换热式或蓄热式焦炉，换热式焦炉靠耐火砖砌成的相邻通道及隔墙，将废气热量传给空气，不需要换向装置，但容易漏气，回收废热效率差，故近代焦炉均采用蓄热式。

综上所述，炼焦炉构造的发展可分为4个阶段，即成堆干馏与窑、倒焰炉、废热式焦炉和现代蓄热式焦炉，其中现代蓄热式焦炉由蓄热室、斜道区、炭化室、燃烧室和炉顶区构成。自1884年建成第一座蓄热式焦炉以来，焦炉在总体上没有太大变化，但在筑炉材料、炉体构造、装备技术等方面都有显著进展[1]。

1 现代炼焦科技的发展趋势

1.1 焦炉的大型化

炼焦工业属于离散型和连续型结合的生产过程，增加单孔炭化室有效容积，有利于在相同焦炭产能的条件下减少出焦、装煤次数，即减少阵发性污染物排放。炭化室宽度受到配合煤指标和膨胀压力的制约；炭化室高度受到高向加热和炭化室炉墙的高向抗弯刚度制约；炭化室长度受到推焦杆和平煤杆的刚度和炭化室炉墙长向抗弯刚度制约，因此焦炉大型化是综合运用工程技术克服和解决上述技术难题的结果。

1.2 焦炉的高效化

传统概念下，焦炉高效化是指通过采取技术措施，提高传热强度，缩短结焦时间，使生产能力提高，因此传统意义上的焦炉高效化更侧重于通过提高火道温度、采用高导热炭化室炉墙砖和减薄炭化室炉墙厚度等方法强化生产、提高产能。现代焦炉的高效化概念包括能源利用效率和生产效率，其中能源利用效率由焦炉热工效率衡量；生产效率由焦炉机械作业率和自动化操作水平衡量。现代焦炉的高效化更加注重通过先进的技术措施、设计理念和数字智能，实现能源介质的高效综合利用、源头减少CO2、NOx、SOx排放和智能化生产。

1.3 焦炉的清洁化

根据炼焦过程污染物排放特征，依据燃烧理论和污染物形成机理，确定科学合理的温度制度和压力制度，并通过焦炉燃烧系统结构创新，可实现焦炉废气中污染物的源头减排；另外，基于第一性原理，应用创新技术对炭化室压力在整个结焦周期进行调节，可使装煤、出焦和生产过程中的阵发性污染物排放得到有效控制，从而实现焦炉的清洁化生产。

1.4 焦炉的智能化

焦炉不仅结构复杂，而且生产工况随着配合煤质量、加热煤气种类、焦炉炉体状态、生产调试、产能提高或压缩和气象条件等因素的变化而变化，因此焦炉的生产调节是一个复杂的过程。焦炉的加热包括焦炉纵向、横向和高向气流的调节，且调节和控制点数量众多，同时因焦炉的热惯性大，导致调节反应滞后，所以亟需一种以上述变化因素为变量的，包括前馈控制和负反馈控制的焦炉自动加热控制系统。

2 现代炼焦科技的难题

2.1 配合煤质量频繁变化

煤源受市场和非市场因素的影响，导致配合煤质量频繁变化；另外受季节影响，配合煤的含水量也会有较大幅度的波动，上述因素导致炼焦耗热量存在差异，要求焦炉制定不同的加热制度，以满足焦炭质量的要求。

2.2 加热系统的调节

加热煤气种类、煤气热值及组分的波动，对焦炉加热系统的压力和气流分配调节也提出了更高的要求。不同的加热煤气和煤气热值及组分，其燃烧释放的热能和产生的废气量存在很大的差别，但焦炉横排温度的调节砖和高向温度的调节砖均放置在燃烧废气温度约1 700℃的立火道底部和中上部，无法实现人工调节；焦炉纵向的煤气孔板、焦炉小烟道顶部的调节砖、焦炉地下室的横排管和支管内的煤气喷嘴等因数量众多，难以在短期内快速准确的调节和更换以适应上述因素的改变（上述焦炉横向、纵向和高向的各类调节装置的排列只能适合原始设计参数），当实际生产的工艺参数偏离设计参数较大时，上述调节装置将无法适应实际工况[2]。

2.3 特殊生产工况

焦炉的全寿命周期内，存在着烘炉、生产调试、生产试运行、延长结焦时间、强化生产和生产事故等各种特殊工况，因特殊生产工况的工艺参数偏离设计参数较大，导致焦炉的各个气体流量调节装置不能适应实际工况。

2.4 炭化室压力波动

焦炉炭化室是配合煤高温干馏的空间，配合煤在干馏过程中析出荒煤气，因干馏过程中传热传质的非稳态和非线性特征，致使荒煤气的发生规律无法用精确的数学模型描述，因此炭化室压力在整个结焦周期内存在较大的变化。炭化室压力过大，将造成荒煤气窜漏到负压的燃烧室内，或者从炭化室炉门密封面处外逸到环境中；炭化室压力过低，易导致空气吸入炭化室烧损焦炭，或者集气管内荒煤气倒流进入炭化室顶部空间。上述情况不仅造成环境污染，而且损失能源和影响产品质量。

焦炉大型化致使单孔炭化室装煤量大幅度的增加，在成焦速度不变的情况下，荒煤气的发生量也发生由量变到质变的转折；炭化室高度的不断增加，炭化室内荒煤气在高温下产生的热浮力致使炭化室内部压力，特别是上部和炭化室顶部空间的压力大幅攀升。上述情况是焦炉大型化必须解决的难题。

2.5 焦炉的表面散热

焦炉炉体暴露于环境中，焦炉炉体和附属设备的表面积大且与环境存在温差，其以对流和辐射的形式与环境交换能量，造成焦炉热工效率降低。

3 现代炼焦科技发展趋势的研究

3.1 焦炉气流分配的自适应能力

焦炉气流分配的自适应能力包括焦炉全炉性的和焦炉每个立火道气流分配的自适应。自适应控制目标：每个燃烧室依据配合煤参数和加热煤气参数均匀分配气体流量，同时每个立火道依据标准火道温度和横排温度曲线要求，合理分配气体流量，其中配合煤指标和加热煤气参数为前反馈参数，标准火道温度和横排温度为负反馈参数。

焦炉全炉性流量控制的目的是保证进入焦炉的煤气体积流量和参数恒定。回炉煤气是经过脱硫、除尘和净化处理后的煤气，包括焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气和发生炉煤气等，其中焦炉煤气经过气体分离膜或者变压吸附（PSA）装置将氢气脱出，用于化工加氢单元、氢冶金或者氢能源等领域[3]。首先根据配合煤参数计算，确定焦炉的总热量消耗，然后根据回炉煤气参数计算，确定回炉煤气体积流量，配合煤参数和回炉煤气参数作为前反馈参数决定回炉煤气的增减（+/-）；最后根据回炉煤气参数和标准火道温度/焦饼温度，用烟道废气、氮气等惰性气体对回炉煤气进行掺混，以稳定进入焦炉的掺混煤气体积流量和热值，回炉煤气参数和标准火道温度/焦饼温度决定惰性气体的掺混量的增减（+/-）。焦炉全炉性流量控制逻辑图见图1。

图1 焦炉全炉性流量控制逻辑图

燃烧室气流分配受配合煤参数和加热煤气参数控制，属于整体性的流量控制，另外焦炉地下室煤气主管的首末端压差影响每个燃烧室进气量，依据水平流动变量气流方程式可以确定煤气流量孔板排列，确保进入每个燃烧室的气量均匀。

距离水平开端x处的截面变量气流示意图见图2[1]，其微积分方程式见式（1）。

图2 距离水平开端x处的截面变量气流示意图

式中：dPx——运动气体的静压力变化；

dhx——运动气体经lx距离的摩擦阻力；

A——气流通道截面积，m2；

ρ——气体密度，kg/m3；

wx——运动气体流速，m/s；

根据上述数学模型可知，流量孔板排列是基于稳定的加热煤气参数的，因此实际工厂设计的关键首先是确定稳定的加热煤气的温度、压力、组分和热值等参数，即供入焦炉地下室煤气主管的加热煤气参数恒定，在此基础上，依据水平流动变量气流方程式计算，确定流量孔板排列。可见流量孔板的排列仅适应稳定的加热煤气参数和工况的需求，鉴于此，当配合煤参数或者生产工况发生变化时，孔板排列应相应改变。

综上所述，以配合煤参数为前反馈参数并且以标准火道温度为负反馈参数，通过回炉煤气掺混惰性气体的方法，达到进入焦炉的掺混煤气总体积流量和热值的稳定，以此控制方法实现以一种流量孔板的排列适应工况和配合煤参数的变化，具体方法如下：

（1）在回炉煤气主管上设置煤气参数在线监测装置，并设置煤气掺混调质装置，根据实际生产工况和配煤参数计算并确定炼焦耗热量，进而确定回炉煤气体积流量；以标准火道温度和焦饼温度为负反馈参数，在煤气掺混调质装置中将回炉煤气与惰性气体进行掺混，保证掺混煤气的体积流量和参数稳定。

（2）以稳定的掺混煤气参数为基准，根据水平流动变量气流方程式计算并确定流量孔板排列。

（3）根据掺混煤气体积流量及热值参数和标准火道温度计算交换时间，生产过程中，标准火道温度高于设计值时，可以通过控制系统程序设置“暂停加热时间”，即交换机关闭加热煤气旋塞和助燃空气盖板，其中暂停加热时间根据焦炉停止加热后的火道温度下降值确定。

上述技术措施可提高焦炉总的煤气体积流量的稳定性，可以根据实际工况和配合煤参数进行及时调节，且可增强流量控制的灵活性，实现焦炉的自适应能力。

在焦炉整体性流量分配基础上，焦炉立火道气流分配应根据炭化室锥度和炭化室炉墙及煤饼的传热速率综合确定，是实现焦炉横向温度均匀性的二次分配。焦炉立火道气量分配包括贫煤气和空气的气量分配，调节装置应设置在焦炉的低温区，以保证可调节，调节装置的阻力应占焦炉炉体内部燃烧系统总阻力的约75%，以确保调节的灵敏性，另外调节装置应同时适应上升和下降气流参数。

文献[4]介绍了一种气体流量双向调节装置的专利：该调节装置基于恒定的加热煤气和空气参数，应用水平流动变量气流方程式计算开孔大小和孔板排列。根据水平流动变量气流方程式可知，小烟道内压力分布除了与沿程阻力、局部阻力有关，还与小烟道入口处压力正相关。通过在小烟道入口处设置调节翻板或者百叶窗式折流板，并对来流压力自动调节，改变小烟道入口压力，并结合一种气体流量双向调节装置，实现焦炉横向气量分配的自适应能力。

该调节装置可同时适应上升和下降气流参数，实现上升和下降气量的合理分配，调节装置示意图见图3。

图3 一种气体流量双向调节装置示意图

通过局部遮盖上篦子板和下篦子板上的孔洞、增减上篦子板和下篦子板上孔洞的数量、改变孔洞的大小、形状以及位置，或者采用上述方法的组合，可实现气体流量的精细调节。

3.2 焦炉能源网络的构建

3.2.1 上升管表面热损失的利用

上升管余热利用不仅可以实现节能减排，而且可以为企业创造可观的经济效益。目前，以除盐水为工质的上升管表面热损失的回收和利用技术取得一些进展，但是在一代焦炉炉龄25 a且焦炉炉墙采用硅砖材质的条件下，不论上升管壳体水夹套结构制造工艺如何进步和提高，都存在着耐久性的问题，一旦发生泄漏，势必对焦炉炉墙造成不可挽回的损坏；另外，按照相关法律和技术标准规定，上升管采用夹套结构且以除盐水为工质，用来回收余热生产蒸汽的管路及设备属于压力容器的范畴，必须对上升管及其附属压力管道安排年检制度，这与焦炉连续生产存在矛盾。

此外，上升管是高温荒煤气的导出通道，且受到焦炉结构和炼焦工艺布置的硬约束，其通道长度有限，即荒煤气的流通路径短导致沿程释放的显热有限，因此，在有限的空间下，荒煤气与工质的换热面积有限。上升管内的荒煤气受到壁面摩擦阻力的制约，其流动速度较慢，处于层流状态，与上升管内衬有相对较长的换热时间，在以除盐水为换热工质的工况下，易致使贴近内衬壁面处的荒煤气温度降低至露点以下而发生凝结现象，进而堵塞上升管的荒煤气通道。

焦炉加热介质包括焦炉煤气、高炉煤气和发生炉煤气等气体燃料，加热介质中含有饱和水分，在温度降低时，会发生露点凝结现象，加热介质中含有的微量的Cl-、SO2和H2S等腐蚀性成分会随水分凝结形成酸性溶液，因此焦炉加热介质尤其是焦炉煤气必须设置换热设备，使其进入焦炉加热前高于露点温度，换热设备一般采用气-气换热器。另外，位于焦炉地下室的加热煤气分配管路系统，在换向期间，会通过交换旋塞自然吸入或者正压供入空气，用于置换管路系统中的残存煤气和燃烧掉沉积的石墨，空气同样会因露点凝结而形成液态水，且部分腐蚀性介质溶解其中，形成腐蚀性液体。

因此采用焦炉煤气、高炉煤气等作为换热工质回收上升管表面热损失，既可以提高煤气显热，又可以取消煤气换热器；采用空气为换热工质回收上升管表面热损失，可以避免空气中水汽凝结造成管路系统腐蚀，通过构建能源耦合网络，可以实现上升管低品位余热与煤气或空气预热的综合利用。

3.2.2 焦炉炉门热损失的利用

焦炉炉门与护炉铁件之间密封面外逸烟尘具有离散性和随机性，其治理难度大且投资和运行成本高。国际上普遍采用在焦炉炉门上方设置集尘罩的方式，将外逸的烟尘通过风机和管路抽吸到除尘地面站进行净化处理，此种方式只能处理炉门上部外逸的烟尘，炉门下部外逸的烟尘因环境风向的多变和集尘罩吸力不足等因素而无法收集。

文献[5]介绍了一种回收焦炉炉门表面热损失和控制烟尘外逸的方法，通过在焦炉炉门内衬中设置隔热和引流通道、应用低导热率冷却工质和冷却工质的对流和辐射换热，实现降低炉门表面温度的目的；另外，应用动量守恒原理，利用冷却工质的高速喷射力，抽吸干馏过程中产生的荒煤气和烟尘，可控制焦炉炉门密封面处的烟尘外逸。其中工质可选用焦炉煤气、烟道废气等，上述技术措施可降低炉门表面热损失，且可通过射流引流作用，减少阵发性污染发生的几率。

3.2.3 焦炉炉顶表面热损失的利用

暴露于环境中的高温装置表面与环境之间存在温差，根据能量守恒和传热原理，在温差推动力的作用下，高温装置必然存在表面热损失；另外，依据熵增原理，低温热源特别是表面散热损失的能量属于低品质热能。焦炉的热工效率在70%～75%，焦炉炉顶表面积大且表面温度在50℃～200℃，焦炉表面以对流和辐射的形式与环境交换热量，不仅导致焦炉的热工效率降低，而且致使工作环境高温，炉顶表面散失的热量属于低品质的低温热源，回收这部分热能在经济和技术上都存在难度，即经济技术指标差。

通过焦炉炉顶设计纵横网状通道形成气体隔热层和采用新型高效隔热材料等措施，可以降低炉顶表面温度，从而减少焦炉炉顶表面热损失和改善操作环境；另外，炭化室和燃烧室传导出的热量用于对纵横网状通道内工质进行换热，工质可以选用空气和废气，吸收了热量的空气或者废气重新供入焦炉，使这部分热量能封闭在闭合回路内，即系统内部循环，可以实现设计源头的节能减排。

3.3 焦炉阵发性烟尘的源头治理

炭化室装煤产生的烟尘来源：装入炭化室的配合煤置换出大量空气，开始装煤时空气和入炉煤的细煤粒不完全燃烧生成炭黑，并形成黑烟；配合煤和高温炉墙接触、升温，产生大量水蒸气和粗煤气；随上述水蒸气和粗煤气同时扬起的细煤粉，以及平煤时带出的细煤粉；因炉顶空间瞬间堵塞而喷出的煤气。

配合煤在焦炉炭化室内完成高温干馏过程，最终转化为产品焦炭和化学品。在炼焦过程中，配合煤在200℃以下主要蒸发表面水分，同时析出吸附在煤中的二氧化碳、甲烷等气体；随温度升高至250℃～300℃，煤的大分子端部含氧化合物开始分解，生成二氧化碳、水和酚类；至500℃时，煤的大分子芳香族稠环化合物侧链断裂和分解，生成脂肪烃，同时释放出氢。在600℃前从胶质层析出的和部分从半焦中析出的蒸汽和气体称为初次分解产物，主要含有甲烷、二氧化碳、一氧化碳、化合水及初焦油，氢含量低。鉴于配合煤高温干馏过程中荒煤气发生规律的非线性特点，炭化室内压力在整个结焦周期内呈现出周期性的变化。在荒煤气发生量比较集中的时段，炭化室压力急剧升高，易在炉门和上升管等处发生阵发性烟尘外逸，而在荒煤气发生量较少的时段，在热浮力和氨水喷射的作用下，易使炭化室局部处于负压状态，吸入空气烧损焦炭、护炉设备和炉墙。

炭化室装煤期间，特别是捣固焦炉装煤，炭化室内夹带大量的细颗粒煤粉的空气被装炉煤或煤饼置换出来，在高压氨水喷射力的引导下，被抽吸进入集气管，细颗粒煤粉与冷凝下来的焦油一起沉降下来，给焦油的进一步深加工带来困难；此外，夹带煤粉的高温荒煤气流经上升管的过程中，结焦的中前期由于部分煤焦油冷凝，易导致液态煤焦油黏附在上升管耐火材料内衬的壁面上，结焦的末期，大量烃类气体在高温下裂解生成石墨，沉积于上升管内衬的壁面上，上述两种情况极易导致上升管流通通道堵塞。

传统的技术措施是在上升管与集气管连接的阀体上用高压氨水喷射，依据动量原理、伯努利方程，在高压氨水喷射过程中，氨水蒸发、荒煤气中部分成分冷凝和温度降低导致的体积收缩的共同作用下，可使上升管根部产生400 Pa左右的负压，装煤过程中的烟尘逸散以此方式解决。文献[6]介绍了一种焦炉炭化室压力调节的新方法：结合传统的高压氨水喷射，以结焦周期内上升管根部压力为控制参数，应用流体旋流流动过程中产生的涡旋和涡环的离心力，抽吸荒煤气，同时燃烧掉装煤期间炭化室内被置换出来的空气中的氧气，且在离心力的作用下，清除气体中夹带的细颗粒煤粉，其中工质包括焦炉煤气、高炉煤气等，以此实现炭化室压力的调节和控制。用于调节炭化室压力的焦炉上升管结构示意图见图4。

图4 用于调节炭化室压力的焦炉上升管结构示意图

3.4 现代炼焦科技智能生产的研究

焦炉结构基础理论研究相当完善，之所以生产调节困难，在于焦炉测控点众多且生产外部条件多变，如：每个燃烧室对应28～36个立火道、每个煤气主管对应51～81个燃烧室，每个集气管对应50～80个炭化室，上述位置都需要设置调节或控制装置；外部条件包括煤源、配合煤指标、回炉煤气参数、气象条件和不可预见因素等。焦炉测控点是生产安全和产品质量的保证，因此测控点数量上是无法减少的且难以实现自动化测控；此外，焦炉的热惯性大，即加减煤气流量，焦炉炉体温度变化滞后，调节煤气流量后，至少需要等待24 h炉温才会变化。上述情况给焦炉生产带来了不确定性。

鉴于上述分析，焦炉智慧化和自动化势在必行。焦炉结构有成熟可靠的数学模型，唯一不确定的因素是数学模型的参数都是基于某一状态的，当状态发生变化时，数学模型的计算结果将随之改变，导致调节装置失效；此外，当外部条件发生变化时，导致炉温发生改变，此时供入焦炉的回炉煤气流量需要改变，由此同样导致各测控点处的调节装置失效，因此回炉煤气的参数控制和工况状态控制是实现智能生产的关键。

3.4.1 状态参数控制

焦炉小烟道篦子砖或调节板、斜道口调节砖、焦炉纵向煤气孔板、焦炉横向煤气喷嘴等的排列是应用一维水平流动数学模型计算确定的，该模型成熟，气流状态参数是唯一制约理论模型计算结果的因素，控制气流状态参数的稳定性是关键。因此，在焦化企业回炉煤气管线上配置煤气掺混和预热装置，可根据回炉煤气参数，通过掺混装置对煤气组分和热值进行调节，通过节流装置对煤气压力进行调节，通过预热装置对煤气温度进行调节，即可实现回炉煤气参数的稳定。

3.4.2 工况状态控制

因煤源、配合煤参数、强化或压缩生产和气象条件等外部因素变化导致的实际生产工况的改变对焦炉生产影响重大，以上述因素为前反馈控制参数，以标准火道温度作为负反馈参数，对焦炉加热交换系统进行联锁控制，同时设置暂停加热时间，从而实现各种工况条件下，焦炉各个主要测温测压控制点的调节装置在同一状态下工作，变化的仅是可以通过PLC和DCS实现自动操作的加热换向设备和稳定加热煤气参数的掺混调质装置。

随着状态感知技术和高速网络技术的发展，在保证网络数据实时可靠传输和系统可靠性仿真技术（SCADA）的支持下，工业设施逐步向自动化和智能化方向发展，特别是在基于数字孪生（Digital twins）、数值计算和3D参数化设计等技术逐渐成熟的条件下，建立物理模型（Prototype）和数字模型（Digital Model）的映射关系，通过仿真模拟技术，将由状态感知设备实时监测的状态参数进行处理和分析，实现工业装置和设备的远程诊断和管理，为工业生产安全和稳定提供保障。

4 结 语

现代炼焦科技的发展主要是围绕焦炉展开，焦炉的大型化、高效化、清洁化和智能化是总体的发展方向和目标。现代炼焦科技面临的难题有配合煤质量的频繁变化、各种特殊生产工况的复杂性、各种热损失导致的焦炉热工效率降低、炭化室压力波动的控制等。焦炉的自适应能力是焦炉智能化的基础；焦炉的能源网络构建是节能减排的根本；焦炉污染物的源头治理是炼焦行业可持续发展的保障。简而言之，焦炉的自适应能力、能源网络耦合和污染物源头治理是现代炼焦科技发展的必然趋势。