超龄焦炉升级改造恢复先进指标过程中关键技术的选择与应用

李咏昕

（宣化钢铁集团有限责任公司设备能源部，河北 张家口 075000）

0 引言

河钢宣钢焦化厂1 号、2 号焦炉分别于1989 年、1993 年投产，炉型为JN60—82 型顶装焦炉，炭化室数为2×43 孔，设计产能为90 万t。目前1 号、2 号焦炉炉龄均已超第一代焦炉炉龄，因炉体老化变形，设备设施腐蚀严重，生产过程中经常发生烟尘无组织外溢，不能满足日益严格的安全及环保要求。

为贯彻执行低碳绿色、循环发展的企业环保观，解决源头无组织排放和降低末端有组织排放，加快实现创建环保A 级绩效企业的目标，宣钢焦化厂决定对两座6 m 焦炉进行节能环保超低排放改造。

1 工程概况

原地改造现有2×43 孔炭化室高6 m 复热式顶装焦炉及配套设施，建设年产焦炭90 万t 焦炉，采用2×43 孔6 m 复热式顶装焦炉，焦炉实现自动测温和自动加热，焦炉地下室及烟道自动巡检，上升管自动放散点火装置，机车实现有人值守无人操作。

利旧现有焦炉基础、烟道、烟囱、推焦车和熄焦车轨道基础、端台、煤塔、端间台、炉前外线管廊，对利旧部位进行土建基础鉴定，对荷载量不足部位进行加固。

项目改造新建废气回配系统，新建装煤除尘地面站、出焦除尘地面站、焦炉机侧除尘地面站，各除尘站配脱硫系统，保证二氧化硫排放达标，新建上升管余热利用装置，实现焦炉生产高效、节能、智能、清洁、环保等目标[1]。

2 关键技术的选择与应用

宣钢1 号、2 号焦炉大修工程自2022 年3 月开始动工，历时10 个月的建设期，开始进入烘炉阶段。经过80 多天的烘炉之后，这座更环保、更高效、更智能的现代化焦炉成功生产出了第一批高质量清洁型焦炭。建设期间，对旧焦炉的不可利用部分进行拆除，对炉墙重新砌筑、更换焦炉机械，通过引入先进的余热利用、除尘、自动化控制等技术，保证修复后的焦炉所有指标达到国内先进水平。

2.1 焦炉炉体材料、结构性能的选择与应用

结合了对原焦炉33 年的运行维护维修经验，在新焦炉砌筑方面择优选用高性能的品牌耐火材料，由专业施工队伍严格按照施工顺序进行。

1）焦炉炉体采用双联火道、废气循环，焦炉煤气下喷、空气（高炉煤气）侧入，复热式焦炉。

2）小烟道采用扩散型篦子砖，利用扩散型的特性使大小孔径的正反方向所造成的不同阻力，克服小烟道内变量气体所产生的内外压力差，达到调节小烟道内变量气体流量的目的，从而使蓄热室内气体分布均匀，实现焦炉长向加热均匀性。

3）为了提高边火道温度，增加蓄热室封墙的严密性，减少热损失，降低地下室及烟道走廊的温度，在蓄热室封墙及斜道炉头部位采用隔热效果好且在高温下不易龟裂的新型保温隔热材料。

4）炭化室铺底砖采用新型致密硅砖，大大提高耐磨强度，炭化室墙采用“宝塔”砖结构，消除炭化室与燃烧室之间的直通缝，使炉体结构更加严密，便于炉墙剔茬维修。

5）燃烧室炉头为高铝砖砌筑的特殊结构，可以防止炉头火道倒塌，高铝砖与硅砖之间的隐蔽缝采用小咬合结构，预防炉头变形。

6）炉顶装煤孔和上升管孔砌体采用带有沟舌的异型砖砌筑，保证其整体性，使炉顶结构更加严密，减少荒煤气的窜漏，防止了炉顶横拉条的烧损。

7）对立火道底部的斜道口断面面积和调节砖进行计算和设计，通过合理排列调节砖，使燃烧室各火道的气量分配合理，横排温度分布均匀，保证焦炭质量和焦炉热效率。

2.2 焦炉配套工艺

2.2.1 单炭化室压力调节技术（GIPRO 单集气管压力调节系统）

GIPRO 单集气管压力调节系统包括带执行器的水封成套装置、液压系统、现场检测控制设备、控制柜和专门的PLC 高端冗余控制系统。

为有效保证焦炉炭化室内部在结焦全周期内始终保持微正压，焦炉底部压力保持+5～+30 Pa 状态，防止空气在炼焦过程最后阶段进入焦炉，保障焦炉在结焦期间炭化室底部稳定在微正压状态，同时还保障了每段集气管对应的多个炭化室可在不同工艺状态下生产，每个炭化室单独控制并与装煤车配合有效消除装煤时烟尘。

2.2.2 焦炉自动巡检技术

焦炉自动巡检技术包括悬挂式轨道分烟道巡检机械人和地面式轨道煤气交换巡检机械人两种。机械人巡检系统主要由机械人控制系统、信号传输通信系统、承载机械人的驱动机构、机械视觉系统、传感器单元、数据采集系统、轨道支撑系统及综合管理平台软件等组成；焦炉地下室自动巡检机械人的功能主要包括高精度实时定位功能、人员识别与监视功能、视觉与视频图像分析功能、远程指挥功能、热成像测温功能等。

2.2.3 焦炉自动加热技术（含炉顶自动测温）

焦炉自动加热技术可实现焦炉加热过程控制，最终达到降低氮氧化物排放、节约煤气、提高焦炭质量、减少现场作业人员的目的。当炭化室火落后，综合考虑相关燃烧室立火道温度、孔火落时间与全炉平均火落时间偏差，以及相邻炭化室结焦状态判断，调节相关燃烧室的煤气支管，提高全炉各孔火落均匀性以及减少火落后的煤气供给，保证温度稳定和节省煤气量。

2.3 节能降耗技术

在材料和结构方面采用高性能保温隔热材料。如炉柱采用H 型钢，沿焦炉高向设置七线小弹簧，在纵横拉条的端部设有弹簧组，实现炉体施加压力均匀，保证了焦炉整体结构的完整性和严密性。

在控制方面采用碳化室压力自动调节和自动调温加热系统等多项技术融合，以提高焦化产业自主创新能力为核心，促进焦化产业转型升级，充分发挥科技创新与管理创新在焦化行业结构调整、转变发展方式中的支撑和引领作用，提高焦化生产自动化、智能化水平[2]。

在工艺方面，通过对上升管余热回收利用，节约炼焦工艺能耗（标准煤）10 kg/t 以上。上升管余热回收系统在焦炉建设期内同步安装，可最大程度回收荒煤气显热，将870 ℃的荒煤气降温至450 ℃，同时减少循环氨水的使用量，向外输送0.6 MPa 蒸汽10 t/h。

2.4 环保除尘技术

本工程对焦炉生产过程中阵发性烟尘和连续性烟尘的治理采取了有效的治理措施，对焦炉技术、装备的先进性及完善的除尘设施都有显著提升，有效降低了对环境的污染。

2.4.1 阵发性烟尘治理

1）焦炉装煤除尘治理：使用装煤车导套密封系统与单炭化室压力调节系统相结合，可使焦炉在装煤过程中无烟尘外逸。

2）焦炉出焦除尘治理：采用干式除尘地面站方式实现出焦烟尘的治理。在拦焦机上设有大型集尘罩，将出焦时产生的烟气通过集尘罩、集尘干管抽吸到地面站进行净化处理，大大增加了出焦烟尘的捕集率。

3）机侧烟尘治理：通过推焦机上的烟尘收集装置，可有效收集机侧启闭炉门、炉门炉框等烟尘，经机侧水封式集尘管道，再送到机侧地面站进行净化处理。

2.4.2 连续性烟尘治理

1）炉顶采用水封式导烟孔盖，大大增加了导烟孔盖的严密性。

2）炉门采用弹簧刀边、弹簧门栓的腹板式挠性结构炉门，小炉门改为上开式，其密封性好，可有效实现降尘效果。

3）炉顶上升管盖、桥管及阀体承插处均采用水封结构，杜绝上升管盖和桥管承插处的冒烟现象。

3 实施效果

焦炉大修升级改造工程采用大量先进节能技术、环保技术，自动化、智能化程度得到大幅提升，其中智能化主要体现在智能加热调温技术、上升管单孔调压、四大车无人驾驶等关键工艺上。新焦炉采用了更为先进、高效的炼焦生产工艺，用相同的能耗指标和操作人员，单孔出焦率更高、焦炭性能更好。焦炉大修升级改造完成后，新焦炉改为负压运行，增加机侧除尘系统，机侧推焦、平煤产生的烟尘经净化后达标排放[3]。

实践证明宣钢1 号、2 号焦炉大修工程，以氢能源开发以及示范项目配套焦炉技术改造为载体，最终实现了企业用工人数减少10%～30%；能耗、物耗比行业先进水平低2%～4%；生产操作费用降低3%～5%；产品质量、环保排放实现全时在线100%达标。