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1、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
2、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
3、，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。为此，需从焦炉结构的各个部位加以分析，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。如图4-1。,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
4、质耐火材料砌筑而成。炭化室位于两侧燃烧室之间，顶部有34个加煤孔，并有12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2070mm，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400550mm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1316m，从推焦机械性能
5、来看，该长度已接近最大限度。炭化室高度一般为46m（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2140m3，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5080m3。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
6、。如表4-1所示（火道温度按13001350）。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,炼焦炉,炼焦炉,炼焦炉,炼焦炉,焦炭产量W=15*6*x/1000炭化时间T=3.1706e0.0039x焦炭产率V=W/T=0.02839x.e-0.0039x当：dV/dx=0.02839e-0.0039x(1-.0.0039x)=0即：0.0039x=1时，V有极大
7、值即：x=256.4mm时，焦炭产率最大,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： 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，结焦时间与炭化室宽度之间的关系，可由下式近似计算： （4-1）,炼焦炉,式中 bl、b2 炭化室宽度，mm； 1、2 宽度分别为bl、b2的炭化室内煤料的结焦时间，h； tf 平均火道温度，； t 焦饼中心温度，。通常将炭化室宽度与结焦时间的比值称为干馏速度。 （4-2）式中 V
8、C 炼焦速度，mmh。,炼焦炉,将上式代入式（4-1），并整理后得： （4-3） 因为，1； 所以，当blb2时，则VC1VC2。 也就是说在相同的火道温度条件下，炭化室越窄，炼焦速度就越快。,炼焦炉,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710kPa。因
9、此当装炉煤的膨胀压力偏高时宜采用宽炭化室。,炼焦炉,图4-2膨胀压力与炭化室宽度的关系,炼焦炉,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
10、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： 受炭化室锥度与长向加热均匀性的限制，因为炭化室
11、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, 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
12、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46m，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
13、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2632个立火道，中小型焦炉仅为121
14、6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
15、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150200mm；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200300mm（大焦炉）或100150mm（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600800mm，66型焦炉为524mm。加热水平高度按下列经验式确定：H=h+h+（200300），mm式中 h 煤线距炭化室顶部的距离（炭化室顶部空间高度），mm；h 装炉煤炼焦时产生的垂直收缩量，mm；200300 考虑燃烧室的辐射传热允许降低的燃烧室高度，mm。,
