coke oven
简介
用煤炼制焦炭的窑炉，通常由炭化室、燃烧室及蓄热室组成，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，并回收炼焦化学产品的水平室式焦炉，由炉体及附属设备构成。
简史 用窑炉生产焦炭渊源甚早，但具有工业意义的大规模生产是1709年英国人达比(A·Darby)用焦炭在高炉中炼铁成功，使焦炭的需求迅速增加。19世纪中叶，焦炉的主要形式是成堆干馏和蜂巢焦炉。19世纪末，中国钢铁工业发展后，曾使用圆窑和长方窑成堆干馏炉生产焦炭。圆窑多用于粘结性较好的煤，如山东枣庄炼焦用的“中兴窑”;长方形窑多用于粘结性稍弱的煤，如用萍乡煤炼焦用的“萍乡窑”。成堆干馏法生产焦炭，成焦率低，焦炭灰分高，炼焦化学产品无法回收，结焦时间长，炉窑拆砌频繁，人力、物力浪费大，污染严重。为克服上述缺点，用耐火砖砌成一种圆拱形、无副产品回收、可多次使用的固定窑室，称为蜂巢焦炉(图1)。其特点是靠煤料燃烧和煤干馏时生成的煤气燃烧提供热源，燃烧室与炭化室分开，连续生产过程中无须拆砌炉体。生产规模较大时，改用机械出焦和装煤，并将若干炉窑排成一组进行生产，烟气导出用于加热锅炉，等等。这是现代焦炉与操作方式的雏型。
图1 蜂巢焦炉
首次将炭化室与燃烧室分开设置的是倒焰焦炉。炭化室内产生的粗煤气经炭化室顶部两侧炉墙的孔道直接进入垂直焰道，同时由炉顶空气中吸入空气，使粗煤气燃烧，火焰由垂直焰道上部倒焰而下，热量通过炭化室墙传给炭化室中的煤料，使之干馏成为焦炭。焦炭产率可以与现代焦炉相当，达75%左右。缺点是焰道温度不易调节，炭化室一般长8m，高1.2m，宽0. 9m。结焦时间长达40h左右; 焦炉热工效率低; 化学产品不能回收等。
1860～1920年期间，焦炉出现了一系列重要技术变革。如炭化室与燃烧室分开，蓄热室配置，复热式焦炉的出现和炉体用硅砖砌筑，等等，使炼焦技术发生根本性的转变。到1980年前后，由于解决了焦炉砌体强度和高向温度分布以及推焦机械、炉门封闭等技术问题，一些技术发达国家大量建造大容积焦炉，炭化室高度多数在6m以上; 炉顶与炉侧实施多种装炉煤预处理和干法熄焦技术，焦炉热工的自动化控制，焦炉机械连锁及操作自动化，使焦炉朝着提高效能，可靠、长寿、满足环境保护要求和更经济地供给高炉用焦的方向发展。
一座现代化焦炉可有几十孔炭化室，年产焦炭数十万吨。德国曼内斯曼公司已投产的最大容积的焦炉炭化室高7.85m，有效容积70m3，炭化室70孔，年产焦炭达百万吨。中国自行设计的有58型、JN43型、JN55型和JNX型焦炉。1987年投产了炭化室高6m、有效容积38.5m3的JN60型焦炉。现代焦炉已定型，其基本结构大体相同，按装煤方式、供热方式和使用燃料不同，可分成许多类型。现代焦炉炉体(图2)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。
图2 焦炉炉体结构图
燃烧室是煤气燃烧的地方，通过与炭化室的隔墙向炭化室供热。装炉煤在炭化室经高温干馏变成焦炭。燃烧室墙面温度高达1300～1400℃，炭化室墙面温度约1000～1150℃。现代焦炉通常都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、高温热稳定性好和无残余收缩等优良性能。为了减少煤气窜漏和增加砌体强度，砌筑炭化室墙的硅砖大都采用沟舌结构，如丁字砖、酒瓶型砖和宝塔砖等。中国焦炉墙砖多采用丁字砖，80年代后则多采用介于丁字砖和酒瓶型砖之间的宝塔砖。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，有时炉头部位采用高铝砖或粘土砖砌筑。
燃烧室内分成许多立火道，型式因焦炉炉型而异。煤气在立火道本体内燃烧，主火道盖顶以上部分称立火道顶。从立火道盖顶砖的下表面到炭化室盖顶下表面之间的距离，称为“加热水平高度”，是炉体结构中的 一个重要尺寸。它的大小直接影响炭化室炉顶空间温度，对焦炭质量和炼焦化学产品收率和质量都会产生影响，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。长度受制于推焦杆和平煤杆的强度和稳定性以及长向加热的均匀性; 高度则受高向加热均匀性和炉门、护炉铁件的限制;宽度受煤结焦时间延长以及影响焦炭质量的制约。一般认为长、宽、高之间应保持一定的比例关系，以使焦炉便于操作。锥度一般按每米炭化室长约4mm计算，捣固焦炉炭化室锥度要小许多。炭化室中心距是指两个相邻炭化室之间的距离，它是影响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。
为回收利用焦炉燃烧废气的热量，并预热贫煤气和空气，在焦炉炉体下部设置蓄热室。现代焦炉蓄热室都为横蓄热室以便单独调节。蓄热室分宽、窄两种。宽蓄热室是每个炭化室下设 一个，窄蓄热室则是在每个炭化室下设两个。蓄热室墙 一般用硅砖砌筑，有些国家也有用粘土的或半硅砖砌筑。蓄热室内放置格子，一般均采用粘土质或半硅质材料制成异型薄壁结构，能适应反复承受急冷急热的温度变化和增加蓄热面积，提高蓄热效率以充分回收废气的热量。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，或排出尾气。为了承受温度的急剧变化并防止气体对小烟道墙的腐蚀，必须在小烟道内面衬粘土砖。位于燃烧室和蓄热室之间并相连的通道称斜道区。不同类型焦炉的斜道区结构有很大的差异。斜道区布置有许多通道，又因上升气流和下降气流间的压差较大，容易漏气，要求斜道结构设计合理，保证炉体严密。为了抵消炉组长向产生的膨胀，各砖层都要预留膨胀缝。考虑到斜道区承受焦炉上部的巨大重量，同时处于1100～1300℃高温区，所以要用硅砖砌筑。
焦炉炉体最上部称炉顶，设有测立火道温度用的看火孔和装煤孔，以及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。为减少炉顶散热，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。为保证炉体强度和降低炉顶温度，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。
炉型与分类 现代焦炉炉型与分类的方法很多。可以按原料、装料方式、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来进行分类。
(1)按装煤方式有顶装焦炉与侧装焦炉。侧装焦炉(又称捣固焦炉)是先将装炉煤用捣固机捣成煤饼，然后将煤饼从机侧送进炭化室内。顶装焦炉是将装炉煤从炉顶经装煤孔装入炭化室，有装煤车装入、管道化装入和埋刮板装入三种，后两种方式主要用于预热煤炼焦。
(2)按加热用煤气种类分复热式和单热式。复热式焦炉既可用热值较低的贫煤气加热，又可用热值较高的富煤气加热。单热式焦炉又分用富煤气加热的焦炉和单用贫煤气加热的焦炉。
(3) 按空气和加热用煤气供入方式分为侧入式焦炉和下喷式焦炉。按气流调节方式又分为上部调节式焦炉和下部调节式焦炉。随着炭化室高度增加，上部调节越来越困难，逐渐发展下部调节式焦炉。日本新日铁M式焦炉、前苏联7m大容积ΠΒΡ式焦炉和中国JNX型焦炉都是下部调节式焦炉。
(4) 按燃烧室火道型式分为水平式和立火道式焦炉。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。双联火道式焦炉有奥托式焦炉、考伯斯式焦炉以及中国的JNX型焦炉等，四联火道式焦炉有迪迪尔式焦炉;过顶式焦炉有考伯斯—贝克式焦炉和前苏联的ΠΚ式焦炉等; 两分式焦炉有卡尔—斯蒂尔式焦炉; 四分火道式焦炉有威尔浦特式焦炉等。
(5)按拉长火焰方式可分为多段加热式、高低灯头式、废气循环式、上下交替加热式和强化辐射式焦炉。多段加热式焦炉的立火道内沿高度方向分几次供应空气和贫煤气，进行多段燃烧拉长火焰长度，如卡尔—斯蒂尔式焦炉。高低灯头式焦炉采用不同高度的煤气灯头，改变立火道内燃烧点的高度，使高向加热均匀，属于这种的有奥托式焦炉。废气循环式焦炉又分为炉内废气循环式和炉外废气循环式两种。炉内废气循环式指废气在立火道内部循环，如考伯斯炉、ΠΒΡ焦炉和中国大型焦炉等;废气经炉体外循环的考伯斯—贝克式下喷式焦炉，其废气经炉体外部进行循环。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，减少炭化室上下温差，如科林式焦炉。强化辐射式焦炉用加厚立火道顶部隔墙砖的办法，以积蓄更多的热量传给炭化室上部炉墙，保证焦饼温度和质量上下均匀，德国的DKH型焦炉就属于这种炉型。为了改善焦炉高向加热的均匀性，现代大容积焦炉常采用多种措施如综合采用高低灯头、废气循环和多段加热等方法进行改造。