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coke oven
简介
用煤炼制焦炭的窑炉。是炼焦的主要热工设备。现代焦炉是指以生产冶金焦为主要目的，可以回收炼焦化学产品的水平室式焦炉，由炉体和附属设备(见焦炉附属设备)构成。焦炉炉体由炉顶、燃烧室和炭化室、斜道区、蓄热室等部分组成，并通过烟道和烟囱相连。整座焦炉砌筑在混凝土基础上。一座现代化焦炉可有几十孔炭化室，年产焦炭数十万吨。世界已投产的最大焦炉在德国，它有炭化室70孔，炭化室高7.85m、有效容积70m3，年产焦炭可达百万吨。现代焦炉已定型，其基本结构大体相同，但由于装煤方式、供热方式和使用的燃料不尽相同，又可以分成许多类型。
简史 19世纪60年代以前，焦炭是用成堆干馏窑或蜂窝焦炉生产的。成堆干馏和蜂窝焦炉炼焦用的热量，都是由燃烧煤本身发生的煤气和部分炼焦煤料供给的，故称内热式焦炉。其热效率低下，成焦率低，焦炭产率最高只能达到煤料的55%，不仅将煤中大量珍贵的化学成分烧掉，还造成了对环境的污染。19世纪60年代，比利时人考培(E.Coppee)等开发了炭化室和燃烧室分开的倒焰焦炉，将煤料在炭化室中产生的煤气导入燃烧室，并由炉顶吸入空气，煤气在燃烧室中燃烧，通过炉墙传热在炭化室内进行炼焦，故称外热式焦炉。其焦炭产率可达75%，由于经济效益好，这种焦炉很快得到了普及，并逐步取代了早期的蜂窝式焦炉。1856年法国人克纳布(C.Knab)建造了从煤气中回收煤焦油和氨的焦炉，但由于各种原因，没有得到发展。1882年德国人奥托(C.Otto)建造了回收炼焦化学产品的焦炉，并得到推广。1883年，德国人奥托和霍夫曼(G.Hoffmann)一起，创建了纵蓄热室式焦炉，开始回收焦炉热废气中的余热，但由于纵蓄热室阻力大、气流分配不均匀，对减少炼焦用煤气的消耗作用不大，仅能剩余10%左右的焦炉煤气。1904年德国人考伯斯(H.Koppers)创建了带有横蓄热室的焦炉，使剩余的焦炉煤气量达到了煤气产量的一半左右。从此，焦炉向前发展了一大步。1910年，考伯斯和威尔茨(A.Wirtz)创造了既可使用高热值的富煤气又可使用低热值的贫煤气加热的复热式焦炉，从而可以替代出更多的焦炉煤气供应其他用户，这种焦炉特别适合钢铁厂和城市煤气厂使用。至此，焦炉结构方面已基本完善。在砌筑焦炉的耐火材料方面，1830年开始，焦炉用粘土砖砌筑，1870年以后，逐步改用酸性粘土砖(半硅砖)砌筑，使用性能虽有改善，但砖的荷重软化点低、导热性能差，当时焦炉的结焦时间长达30h以上，焦炉使用寿命也只有十余年。1908年，考伯斯在美国的乔利埃特(Joliet)首先用硅砖砌筑焦炉的主要部位，从而使焦炉能承受更高的加热温度，结焦时间大为缩短，焦炭质量也得到改善，焦炉生产效率提高了很多。到20世纪20年代，砌筑焦炉普遍采用硅砖，各种型式的焦炉结构进一步完善，出现了炭化室高4～4.5m，有效容积20～24m3，结焦时间15～20h的焦炉，至此，进入了现代焦炉阶段。50年代末期，随着钢铁工业的发展及高炉大型化，上述焦炉已不能满足需要，因此，炭化室高6m、有效容积30m3的大容积焦炉发展起来，并且炭化室有效容积不断扩大，生产效率日益提高。1984年，联邦德国投产了炭化室高7.85m、有效容积70m3的大容积焦炉。
中国于1919年在鞍山建成第一批现代焦炉，以后又在石家庄、北京、本溪、大连和吉林等地相继建成数座。1958年，中国设计了58型焦炉，以后几经改进，形成了JN43型焦炉，并在国内大量建设。1970年，投产了炭化室高5.5m、有效容积35.4m3的大容积焦炉，后来形成了JN55型焦炉。1987年投产了炭化室高6m、有效容积为38.5m3的JN60型焦炉(见JN型焦炉)。1983年设计了煤气和空气全部下调的JNX型焦炉。
焦炉炉体结构 现代焦炉炉体(图1)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连。烟道设在焦炉基础内或基础两侧，烟道末端通向烟囱。
燃烧室和炭化室 燃烧室是煤气燃烧的地方，通过与两侧炭化室的隔墙向炭化室提供热量。装炉煤在炭化室内经高温干馏变成焦炭。燃烧室墙面温度高达1300～1400℃，而炭化室墙面温度约1000～1150℃，装煤和出焦时炭化室墙面温度变化剧烈，且装炉煤中的盐类对炉墙有腐蚀性。现代焦炉均采用硅砖砌筑炭化室墙。硅砖具有荷重软化点高、导热性能好、抗酸性渣侵蚀能力强、高温热稳定性能好和无残余收缩等优良性能。砌筑炭化室墙的硅砖采用沟舌结构， 以减少煤气窜漏和增加砌体强度;所用的砖型有：丁字砖、酒瓶砖和宝塔砖。中国焦炉的炭化室墙多采用丁字砖，80年代以后则多用宝塔砖(砖型介于丁字砖和酒瓶砖之间)。炭化室墙厚一般为90～120mm，中国焦炉多为95～105mm。为防止焦炉炉头砖产生裂缝，有的焦炉的炉头部位采用高铝砖或粘土砖砌筑， 并设置直缝以消除应力， 中国新建焦炉多采用这种结构。
图 1 焦炉炉体结构图
燃烧室分成许多立火道， 立火道的型式因焦炉炉型不同而异。立火道由立火道本体和立火道顶两部分组成。煤气在立火道本体内燃烧。立火道顶是立火道盖顶以上部分。从立火道盖顶砖的下表面到炭化室盖顶砖下表面之间的距离， 称为加热水平高度， 它是炉体结构中的一个重要尺寸。如果该尺寸太小， 炉顶空间温度就会过高，致使炉顶产生过多的沉积碳;反之，则炉顶空间温度过低， 将出现焦饼上部受热不足， 因而影响焦炭质量。另外，炉顶空间温度过高或过低，都会对炼焦化学产品质量产生不利影响。加热水平高度可按下列经验公式确定：
H=h+△h+(0～200)
式中H为加热水平高度，mm; h为煤线(即炭化室中装炉煤的顶面)距炭化室顶的距离，mm;△h为装炉煤炼焦时产生的垂直收缩量，mm。炭化室主要尺寸有长、高、宽、锥度和中心距。(见表)焦炉的生产能力随炭化室长度和高度的增加而成比例地增加。但长度取决于推焦机的推焦杆和平煤杆的强度和稳定性， 并受炭化室道长向加热均匀性的限制; 高度则受焦炉高向加热均匀性和焦炉附属设备 (炉门和护炉铁件等) 的限制。有人认为， 炭化室太高在经济上不合理。增加炭化室宽度虽然能增加装煤量，但结焦时间因而延长很多， 而且粘结性较差的装炉煤在宽炭化室内炼成的焦炭质量较差。80年代以来， 也有人主张增加炭化室的宽度， 并认为对焦炭质量影响不大。对于焦炉炭化室长、宽、高之间的关系， 过去曾认为只有捣固焦炉才有炭化室高宽比的限制。80年代出现的新观点则认为顶装焦炉炭化室的长、宽、高之间也应保持一定的比例关系。为便于推焦， 炭化室长向须保持一个锥度。炭化室锥度是炭化室焦侧宽度减去机侧宽度的数值。顶装煤焦炉炭化室锥度一般按每米炭化室长度约4mm计算，捣固焦炉炭化室锥度要小得多。炭化室中心距指两个相邻炭化室之间的距离， 它是影响焦炉炉体强度的一个重要参数，增加焦炉炭化室高度必须同时增大炭化室中心距。
焦炉炭化室主要尺寸 (mm)
| 项 目 | 尺寸范围 | 中国大型焦炉的炭化室尺寸范围 |
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墙厚 长度 高度 宽度 锥度 中心距 |
90～120 12000～18000 4000～7000 400～460 40～76 (0～20) 1100～1500 |
90～105 14000～16000 4000～6000 407～450 50～70 (0～20) 1100～1350 |
注： 锥度项的括号内数字为捣固焦炉的尺寸范围。
蓄热室 为了回收利用焦炉燃烧废气的热量预热贫煤气和空气， 在焦炉炉体下部设置蓄热室。现代焦炉蓄热室均为横蓄热室 (其中心线与燃烧室中心线平行)，以便于单独调节。蓄热室有宽蓄热室和窄蓄热室两种。宽蓄热室是每个炭化室下设一个，窄蓄热室则是每个炭化室下设两个。有些焦炉的蓄热室，沿炭化室长度方向，分成若干独立的小格，以便单独调节气流。蓄热室墙一般用硅砖砌筑，有些国家用粘土砖或半硅砖代替硅砖砌筑温度较低的蓄热室墙下部。在蓄热室中放置格子砖，以充分回收废气的热量。格子砖要反复承受急冷急热的温度变化，故须采用粘土质或半硅质材料制造。现代焦炉的格子砖一般均采用异型薄壁结构，以增加蓄热面积和提高蓄热效率。蓄热室下部有小烟道，其作用是向蓄热室交替导入冷煤气和空气，或排出废气。小烟道中交替变换的上升气流(被预热的煤气或空气)和下降气流(燃烧室排出的高温废气)温度差别大，为了承受温度的急剧变化，并防止气体对小烟道墙的腐蚀，须在小烟道内面衬以粘土砖。
斜道区 位于燃烧室和蓄热室之间，它是连接燃烧室和蓄热室的通道。不同类型焦炉的斜道区结构有很大差异。斜道区布置着数量众多的通道(斜道、水平砖煤气道和垂直砖煤气道等)，它们彼此距离很近，并且上升气流和下降气流之间压差较大，容易漏气，所以斜道区结构要设计得合理，以保证炉体严密。为了吸收炉组长向产生的膨胀，在斜道区各砖层均预留膨胀缝。膨胀缝之间设置滑动缝，以利于膨胀缝之间的砖层受热膨胀自由滑动。斜道区承受焦炉上部的巨大重量，同时处于1100～1300℃的高温区，所以也用硅砖砌筑。
炉顶 位于焦炉炉体最上部。设有为立火道测温用的看火孔、装煤孔和从炭化室导出粗煤气用的上升管孔等。炉顶最下层为炭化室盖顶层，一般用硅砖砌筑，以保证整个炭化室膨胀一致;也有用粘土砖砌筑的，这种砖不易断裂，但易产生表面裂纹。为减少炉顶散热，在炭化室顶盖层以上采用粘土砖、红砖和隔热砖砌筑。炉顶表面一般铺砌缸砖，以增加炉顶面的耐磨性。在多雨地区，炉顶面设有坡度，以便排水。炉顶厚度按保证炉体强度和降低炉顶温度的要求确定，现代焦炉炉顶厚度一般为1000～1700mm，中国大型焦炉的炉顶厚度为1000～1250mm。
分类 现代焦炉分类的方法很多，可以按照装煤方式、加热用煤气种类、空气和加热用煤气的供入和气流调节方式、燃烧室火道型式以及拉长火焰方式等进行分类。
按装煤方式分类 有顶装焦炉和侧装焦炉。侧装焦炉又称捣固焦炉。捣固焦炉是先将装炉煤用捣固机捣成煤饼，然后从焦炉机侧将煤饼送入炭化室内。顶装焦炉是将装炉煤从炉顶经装煤孔装入炭化室，它又可分为装煤车装煤焦炉、管道化装煤焦炉和埋刮板装煤焦炉。各国主要采用装煤车装煤焦炉炼焦。后两种焦炉用于预热煤炼焦。
按加热用煤气种类分类 有复热式焦炉和单热式焦炉。复热式焦炉既可用贫煤气(热值较低)加热，又可用富煤气(热值较高)加热，这种焦炉多用于钢铁厂和城市煤气厂。单热式焦炉又可分为单用富煤气加热的焦炉和单用贫煤气加热的焦炉。
按空气和加热用煤气供入方式分类 有侧入式焦炉和下喷式焦炉。侧入式焦炉加热用的富煤气由焦炉机、焦两侧的水平砖煤气道引入炉内，空气和贫煤气则从废气开闭器和小烟道从焦炉侧面进入炉内。下喷式焦炉加热用的煤气(或空气)由炉体下部垂直地进入炉内。
按气流调节方式分类 有上部调节式焦炉和下部调节式焦炉。上部调节式焦炉采用从炉顶更换立火道底部烧嘴砖的方式来调节富煤气量，从炉顶更换调节砖(牛舌砖)来调节空气和贫煤气量。下部调节式焦炉则从焦炉底部更换煤气支管上的喷嘴或小烟道顶部的调节砖来调节煤气和空气量。20世纪50年代以前，焦炉炭化室高度只有4m左右，焦炉多为上部调节式。随着炭化室高度的增加，从炉顶调节愈来愈困难，所以逐渐发展了下部调节式焦炉。日本新日铁M式焦炉、苏联7m大容积ПВР式焦炉和中国的JNX型焦炉，都是下部调节式焦炉。
按燃烧室火道型式分类 可分为水平火道式焦炉和立火道式焦炉。水平火道式焦炉已很少采用。立火道式焦炉是用隔墙把燃烧室分隔成许多垂直的火道，根据垂直火道的组合方式，又可分为双联火道式、四联火道式、过顶火道式、两分火道式和四分火道式焦炉。(图2)属于双联火道式焦炉有奥托式焦炉、考伯斯式焦炉以及中国的JN型焦炉等;属于四联火道式焦炉有迪迪尔式焦炉;属于过顶式焦炉有考伯斯-贝克式焦炉和ПК式焦炉等;属于两分式焦炉有卡尔-斯蒂尔式焦炉和中国的小焦炉等;属于四分火道式焦炉有威尔浦特式焦炉等。
按拉长火焰方式分类 可分为多段加热式焦炉、高低灯头式焦炉、废气循环式焦炉、上下交替加热式焦炉和强化辐射式焦炉。多段加热式焦炉在立火道内沿高度方向分几次供应空气和贫煤气，进行多段燃烧以拉长火焰长度。属于这种炉型的有卡尔-斯蒂尔式焦炉和只分段供应空气进行多段加热的一些焦炉。高低灯头式焦炉采用不同高度的煤气灯头(烧嘴)，以改变立火道内燃烧点的高度，从而使高向加热均匀，这种炉型有奥托式焦炉。废气循环式焦炉有炉内废气循环式和炉外废气循环式两种炉型：炉内废气循环式焦炉，其废气在立火道内部循环，考伯斯式焦炉、ПВР式焦炉和中国大型焦炉均属这种炉型;炉外废气循环式焦炉，其废气经炉体外部循环，考伯斯-贝克下喷式焦炉属这种炉型。上下交替加热式焦炉在使用富煤气加热时，富煤气和空气从焦炉顶部和底部交替燃烧，以减少炭化室上下温差，从而使焦饼加热均匀，科林式焦炉采用这种加热方式。强化辐射式焦炉用加厚立火道顶部隔墙砖的办法，积蓄更多的热量传给炭化室上部炉墙，以保证焦饼上下加热均匀，德国的DKH型焦炉属于这种炉型。现代大容积焦炉常采用高低灯头、废气循环和多段加热等综合措施，来改善焦炉高向加热的均匀性。上下交替加热方式和强化辐射方式，在大容积焦炉上已不采用。
图2 焦炉加热火道型式图
a—双联火道式;b—四联火道式;c—过顶火道式;d—两分火道式;e—四分火道式
展望 尽管人们对大容积焦炉看法不尽相同，但20世纪20年代确立的现代焦炉结构，在一个相当长的时期内不会有重大改变。今后焦炉的发展方向仍将是扩大炉容和提高效能，在满足环境保护要求和可靠、长寿的基础上，更经济地供给高炉用焦炭。在1987年第一届国际焦化会议上，欧洲炼焦协会主席纳山(G.Nashan)提出了发展特大型焦炉的设想，这种焦炉炭化室高12.5m、长25m、宽0.85m、有效容积255m3，一孔炭化室的一次产焦量可达160t。现正在德国进行研究。