超大容积焦炉设计的若干技术思想

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%& 与 ’( )*& 焦炉预加载力的高向分布
图#
结焦期间炉门密封线后煤气压力
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可控压力护炉系统与弹性炉门
实现上述预应力的合理分布，需采用弹性元件 传递 < 为保证足够的弹性力传递至炉墙，作为传递 力的部件，炉柱、保护板、炉门框均应有足够的刚 度。德国的超大容积焦炉均装备了“可控压力护炉 系 统 ” = (>?@A>B.ACDD EF,)0/+FG DH1I%* J 见 图 !。根据预应力分布的优化计算和生产实践经验， 上述弹性元件的布置间距以 7* 为最佳。
至于炉门框，其变形则不仅是热负荷的结果， 而且也是由于炉体膨胀和护炉系统的失效而致。通 常，对于刚性炉门，炉门框与炉门的变形量会有很 大的差异。德国焦炉设计公司对 >5 :( 焦炉的刚性 炉门和炉门框的热态变形量的实测结果见图 9。
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# 个门栓的弹性炉门与炉门框的受力与变形
图!
刚性炉门与炉门框的热变形量
的设计理念与创新要点。 关键词：焦炉 中图分类号 A BC6!!D #6
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1 F 炉门泄漏的部分原因是在其密封刀边后的 煤气压力过大。为减小该气压，炉门的耐火材料衬 砌块形状的设计应考虑在两侧形成沿高向的垂直气 道 ? 图 0 F ，使在炉门区产生的荒煤气可沿该气道不 受阻碍地流向炭化室上部的集气空间。
基于上述分析，炉门密封良好的基本条件是使 炉门变形能自动适应炉门框轮廓的实时变化，并尽 可能减小密封刀边后的煤气压力。 德国焦炉设计公司根据这种理念设计的弹性炉 门 ? !@ABCD E..- F ? 图 0 F ，用于超大容积焦炉，取 得令人满意的效果。这种弹性炉门的主要设计要 点： : F 有足够的弹性，适当减少腹板高度以减小 截面惯性矩，但又要保持其稳定性，因而采用球墨 铸铁。据对 >5 G9( 焦炉炉门、炉门框在生产条件 下热变形量的测量数据，弹性炉门的中部部位与炉 门 框 最 大 变 形 量 差 为 2((， 而 刚 性 炉 门 达 >5 9((。 0F 即使采用弹性炉门本体，由于门栓数量 ? 0 H 1 个 F 有限，炉门本体的变形不可能与炉门框 的变形吻合。它们之间的变形差须靠带刀边的弹性 膜板密封补偿。这种通过弹簧加载的弹性膜板仅 :5 9(( 厚，具有高度弹性，不仅能补偿炉门体与 炉门框变形的变化与差异，而且能在很大变形量情 万方数据
数量多，需密封的长度大，要保证在长时间焦炉生 产过程中炉门的良好密封状态并非易事。随着炭化 室高度增至 9* 以上，其难度更为突出。 为解决超大容积焦炉的炉门密封问题，德国的 焦炉设计公司在全面分析影响炉门密封性能的各种 因素基础上提出了合理的炉门结构设计。 = 7 J 针对荒煤气压力。在结焦初期荒煤气发生 量最大，因而炉门密封线需承受的煤气压力也最 大。德国矿冶研究所的测定表明：结焦初期，炉门 密封线后煤气压力最大值可达 452.-< 见图 "。为 减小结焦初期荒煤气压力峰值，在炉门密封区域应 考虑留有竖向气流通道，以分流部分荒煤气至炭化 室上部集气空间。
室平均宽度均为 995 E F:5((。 近 05 年 来 德 国 在 曼 尼 斯 曼 的 霍 津 根 A N+==#/(+==， O"*P)=Q#= B 钢 铁 厂 ， 凯 泽 斯 图 尔 A R+)/#-/?"’$ B 焦化厂以及史威尔根 A 2*’S#$Q#( B 焦化 厂建设的焦炉堪称当代超大容积焦炉的代表，其尺 寸和综合生产能力见表 :。
012 形量可达 :;5 <(( 和 16((= 见图 2 。
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况下保证足够的密封力。 图 ; 是设有 1 个门栓的超大容积焦炉弹性炉门 在工作状态下施加于炉门本体的门栓力与弹性密封 力的平衡情况。炉门体在这些机械力作用下的变形 与热变形平衡后的综合变形与炉门框的变形基本吻 合。
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护炉铁件
随着超大容积焦炉装煤堆密度的提高，结焦过
程中煤料的膨胀压力亦随之增大 L 会对炉墙产生很
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大的水平和垂直方向的弯曲应力。为保证炉墙在热 态工作条件下的稳定性，需从外部施加足够的预应 力来抵消上述弯曲应力。对于垂直方向，则通过增 加炉顶厚度实现 6 而对于水平方向，预应力则需由 横拉条、弹簧、炉柱和保护板施加于炉体。由于炉 墙沿高向的弯曲应力是变化的，因此通过护炉铁件 施加的预应力也应随之变化。图 7 是德国 8* 焦炉 与霍津根厂 9: ;5* 焦炉燃烧室沿高向所需加载力 分布及其设计值。
图! 不同高度的炉门热变形量
= ! J 炉门与炉门框的变形。由于热负荷引起的 炉门的变形不仅与温度绝对值有关，而且与温度梯 度和炉门高度有关。炉门的热变形量与温度梯度成 正比并与炉门高度的平方成正比。根据经验数据， 4* 高炉门热变形量为 9: 5**，8* 与 ;* 炉门热变
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炉门
炉门泄漏是焦炉的主要污染源之一。由于炉门 万方数据
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焦炉尺寸
就经济性而言，超大容积的焦炉主要应用于
生产能力为 #63 9 !:3 万 ; < . 的炼焦厂。如采用单 孔有效炉容为 :3 9 43+" 的超大容积焦炉，则 ! 座 焦炉既可取代单孔炉容小于 53+ 、炭化室高小于
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:+ 的多座焦炉，从而充分发挥其焦炉机械效率， 并取得经济与环境的综合效益。
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・煤炭高温干馏技术・
超大容积焦炉设计的若干技术思想
蔡承祐
摘
> 鞍山焦化耐火材料设计研究总院? 鞍山 ##533! @
要：介绍了德国 83 年代中期以来建设的超大容积焦炉设计中的若干技术思想 ? 阐述焦炉大型化中关键技术 超大容积 技术思想 文献标识码 A E 文章编号 A #33# = "734 > !33" @ 36 = 3!"# = 36
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炉体结构
自 :C0G 年德国在焦炉设计中首次采用双联火 道废气循环技术以来 L 实践表明，该技术有效地改 善了焦炉高向加热的均匀性 L 对于炭化室高度为 G( 以上的特大型焦炉，仅采用废气循环也能满足高向 加热的均匀性。由于循环废气可降低上升火道内的 火焰温度，从而减少了燃烧过程中 8HT 的形成。 因此 L 在特大型焦炉炉体设计中 L 至今仍普遍采用 该项技术。 然而，为保证特大容积焦炉的高生产率，需提 高火道温度。仅采用废气循环来减少燃烧废气中 8HT 含量尚不能满足德国于 :CMF 年颁布的大气污 染控制法规 A UVWX"@?WMF B 的要求。该法规要求焦炉 烟道废气中 8HT 的含量不得超过 955(Q Y (1 。经理 论分析与试验表明，除废气循环外，燃烧空气的分 段供给也能有效地降低废气中的 8HT 含量，而且二 者的效果可以叠加。据此，开发设计了既有废气循 环，又含燃烧空气分段供给的“组合火焰型” A &HNZ[!XVN\ B 焦炉。该炉型在保证焦炉高向加热 均匀性的同时， 废气中 8HT 含量可低于 155(Q Y (1。 德国 05 世纪 M5 年代后期以来建设的超大容积焦炉 普遍采用这种设计结构。
表#
炭化室尺寸 长度 Y ( 高度 Y ( 平均宽度 Y (( 有效容积 Y (1 单孔推焦量 Y ? 焦炉孔数 结焦时间 Y ’ 生产能力 Y 万 ? ・ +_:
Hale Waihona Puke 焦炉尺寸与生产能力霍津根厂 :M]M5 G]M9 995 G5 71 0 ^ G5 00]7 005 凯泽斯图尔厂 :M]M5 G]F1 F:5 GC 7F 0 ^ F5 09 055 史威尔根厂 05]M5 M]17 9C5 C1 97]9 0 ^ G5 09 0F5
AB2@60*@C O1+& ;&-*F1’1G,-.’ N*,’121N*H 0&L’&-;&J ,F &FG,F&&0,FG 1L 2%N&0P’.0G& -1I& 1Q&F R.;;&0,&2 R%,’; ,F S&0+.FH 2,F-& +,JJ’& 1L #483 T 2 ,2 J&2-0,R&JD B*& &FG,F&&0,FG -1F-&N; .FJ +.U10 ,FF1Q.;&J N1,F;2 1L ;*& I&H ;&-*F1’1G,&2 0&’.;&J V,;* 2%N&0P’.0G& -1I& 1Q&F2 .0& F.00.;&JD D(4 E&6F2C )1I& 1Q&F2 O%N&0P’.0G& -.N.-,;H /*,’121N*H 1F &FG,F&&0,FG 对 于 单 孔 有 效 容 积 大 于 :3+" 的 超 大 容 积 焦 炉，炭化室的合理尺寸应根据技术与经济的综合指 标确定。 !" ! 炭化室长度 炭化室长度与生产能力成正比。在一定范围内 增加炭化室长度是提高焦炉生产能力的经济措施。 然而，炭化室的长度受推焦杆结构强度与稳定性的 制约，其最大值约 !3+ 为好。 !" # 炭化室高度 炭化室高度亦与生产能力成正比。增加炭化室 高度也是提高焦炉生产能力有效而经济的措施。但 随着炭化室高度的增加，其炉体结构强度、高向加 热均匀性、炉门密封状况、铁件系统的适应性以及 焦炉机械结构强度、刚性等需采取相应的技术措 施。在综合技术的可能性与经济的合理性后，国际 焦化界似乎认同常规水平多室式焦炉的炭化室高度 约以 8+ 为限。 !" $ 炭化室宽度
A 式中 ?@ 和 ?* 分别为测温火道平均温度和焦饼 中心最终温度 B 。 根据上式，如焦饼中心温度为 C95D ，测温火 道平均温度为 : 155 E : 195D ，则指数 = ; :4 79C E :4 9F1。因此，传统理论认为增加炭化室宽度会致 使结焦时间大幅度延长，从而使建设投资大幅度增 加，是不经济的。然而，在上世纪 G5 年代末，在 西班 牙奥 维多 A HI)#J. B 炼焦厂 及在 德国 伯罗 斯帕 A ,-./3#- B 炼焦厂所作的系统试验表明，当火道平均 温 度 为 : 155 E : 195D 、 炭 化 室 宽 度 为 795 E F55(( 范围内时，上述指数 = ! :4 0。这意味着， 当炭化室宽度从 795(( 增至 F55(( 时，由于结焦 时间的延长，使焦炉生产能力降低约 9K L 但与此 同时，装煤堆密度增加了 0K E 1K ，从而补偿了 部分生产能力的损失。宽炭化室焦炉还具有以下效 益： : B 宽炭化室内温度梯度较小，煤料结焦速度 减缓，使焦炭块度增大。结焦时间的延长使焦饼的 收缩值增加，焦饼与炭化室墙之间的间隙加大，从 而更易于推焦。上述两厂的试验表明， F55(( 宽 炭化室与 795(( 宽炭化室相比，虽然焦饼质量增 加了 15K 以上，但推焦所需功率或推焦电流却有 所降低。 0 B 在同样的炼焦条件下，宽炭化室焦炉结焦 速度减缓，有利于改善焦炭均匀性，提高块焦率。 1B 煤料的膨胀压力与结焦速度的平方成正 比，结焦速度减缓，膨胀压力减小。该因素及推焦 力的减小均使炉墙所承受的机械载荷减小，从而有 利于延长炉体寿命。这对于超大容积焦炉是有重要 意义的。 基于上述原因， 05 世纪 M5 年代中期以后在德 国建成投产的大于 G5(1 容积的超大型焦炉，炭化 万方数据
焦炉大型化是上世纪 73 年代以来世界炼焦技 术发展的总趋势。 "3 多年来，焦炉炭化室高度已 由 5+ 增高至 8+ 以上，单孔炉容已由约 !3+" ，增 大至 83+" 以上。毋庸置疑，焦炉超大型化能带来 生产效率高、占地面积小、焦炭质量好、对环境 污染总量减少的综合效益。与此同时，超大容积 焦炉的设计必须妥善解决随着焦炉大型化而带来 的特殊问题。笔者在研究德国超大容积焦炉的设 计经验的基础上，总结、归纳出若干技术思想， 以期对我国焦炉大型化的设计有所裨益。
收稿日期：!33" = 3: = 36
万方数据
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传统的炼焦理论，结焦时间与炭化室宽度之间 的关系可用下式表达： !: ; < : = （ ） !0 <0 式中： !:、!0 —结焦时间， ’> <: 、<0 —炭化室宽度， (> = 指 数 ， 对 炭 化 室 宽 度 为 795(( 以 下 的 焦 炉，通常为 = ; :4 : ?@ ?*