現(xiàn)代煉焦科技發(fā)展趨勢的研究分析

印文寶，徐 列，韓 冬，錢虎林，張 赟

（1.華泰永創(chuàng)（北京）科技股份有限公司，北京100176；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司煤焦化公司，安徽 馬鞍山243000；3.攀鋼集團(tuán)煤化工公司，四川 攀枝花617023）

最早的煉焦是將煤成堆干餾，后來發(fā)展成為用磚砌的窯干餾，此類方法的特點(diǎn)是成焦和加熱合在一起，靠干餾煤氣和一部分煤的燃燒將煤直接加熱而干餾成焦炭，所以焦炭產(chǎn)率低、灰分高、成熟度不均勻。為了克服上述缺點(diǎn)，19世紀(jì)中葉出現(xiàn)了將成焦的炭化室和加熱的燃燒室用墻隔開的窯爐，隔墻上部設(shè)通道，炭化室內(nèi)煤的干餾氣經(jīng)此直接流入燃燒室，同來自爐頂通風(fēng)道的空氣會合，自上而下地邊流動邊燃燒，故稱倒焰爐。隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，要求從干餾產(chǎn)生的粗煤氣中回收化學(xué)產(chǎn)品，為此將炭化室和燃燒室完全隔開，粗煤氣抽出，經(jīng)回收設(shè)備分離出化學(xué)產(chǎn)品后，凈煤氣再送到燃燒室內(nèi)燃燒，1881年建成了第一座副產(chǎn)化學(xué)產(chǎn)品的焦?fàn)t。此后，為了減少能耗、降低成本和滿足冶金、化工等工業(yè)的燃料和原料的需要，開發(fā)出了具有廢熱回收裝置的換熱式或蓄熱式焦?fàn)t，換熱式焦?fàn)t靠耐火磚砌成的相鄰?fù)ǖ兰案魤?，將廢氣熱量傳給空氣，不需要換向裝置，但容易漏氣，回收廢熱效率差，故近代焦?fàn)t均采用蓄熱式。

綜上所述，煉焦?fàn)t構(gòu)造的發(fā)展可分為4個階段，即成堆干餾與窯、倒焰爐、廢熱式焦?fàn)t和現(xiàn)代蓄熱式焦?fàn)t，其中現(xiàn)代蓄熱式焦?fàn)t由蓄熱室、斜道區(qū)、炭化室、燃燒室和爐頂區(qū)構(gòu)成。自1884年建成第一座蓄熱式焦?fàn)t以來，焦?fàn)t在總體上沒有太大變化，但在筑爐材料、爐體構(gòu)造、裝備技術(shù)等方面都有顯著進(jìn)展[1]。

1 現(xiàn)代煉焦科技的發(fā)展趨勢

1.1 焦?fàn)t的大型化

煉焦工業(yè)屬于離散型和連續(xù)型結(jié)合的生產(chǎn)過程，增加單孔炭化室有效容積，有利于在相同焦炭產(chǎn)能的條件下減少出焦、裝煤次數(shù)，即減少陣發(fā)性污染物排放。炭化室寬度受到配合煤指標(biāo)和膨脹壓力的制約；炭化室高度受到高向加熱和炭化室爐墻的高向抗彎剛度制約；炭化室長度受到推焦桿和平煤桿的剛度和炭化室爐墻長向抗彎剛度制約，因此焦?fàn)t大型化是綜合運(yùn)用工程技術(shù)克服和解決上述技術(shù)難題的結(jié)果。

1.2 焦?fàn)t的高效化

傳統(tǒng)概念下，焦?fàn)t高效化是指通過采取技術(shù)措施，提高傳熱強(qiáng)度，縮短結(jié)焦時間，使生產(chǎn)能力提高，因此傳統(tǒng)意義上的焦?fàn)t高效化更側(cè)重于通過提高火道溫度、采用高導(dǎo)熱炭化室爐墻磚和減薄炭化室爐墻厚度等方法強(qiáng)化生產(chǎn)、提高產(chǎn)能。現(xiàn)代焦?fàn)t的高效化概念包括能源利用效率和生產(chǎn)效率，其中能源利用效率由焦?fàn)t熱工效率衡量；生產(chǎn)效率由焦?fàn)t機(jī)械作業(yè)率和自動化操作水平衡量?，F(xiàn)代焦?fàn)t的高效化更加注重通過先進(jìn)的技術(shù)措施、設(shè)計理念和數(shù)字智能，實(shí)現(xiàn)能源介質(zhì)的高效綜合利用、源頭減少CO2、NOx、SOx排放和智能化生產(chǎn)。

1.3 焦?fàn)t的清潔化

根據(jù)煉焦過程污染物排放特征，依據(jù)燃燒理論和污染物形成機(jī)理，確定科學(xué)合理的溫度制度和壓力制度，并通過焦?fàn)t燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，可實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t廢氣中污染物的源頭減排；另外，基于第一性原理，應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)對炭化室壓力在整個結(jié)焦周期進(jìn)行調(diào)節(jié)，可使裝煤、出焦和生產(chǎn)過程中的陣發(fā)性污染物排放得到有效控制，從而實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t的清潔化生產(chǎn)。

1.4 焦?fàn)t的智能化

焦?fàn)t不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且生產(chǎn)工況隨著配合煤質(zhì)量、加熱煤氣種類、焦?fàn)t爐體狀態(tài)、生產(chǎn)調(diào)試、產(chǎn)能提高或壓縮和氣象條件等因素的變化而變化，因此焦?fàn)t的生產(chǎn)調(diào)節(jié)是一個復(fù)雜的過程。焦?fàn)t的加熱包括焦?fàn)t縱向、橫向和高向氣流的調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)和控制點(diǎn)數(shù)量眾多，同時因焦?fàn)t的熱慣性大，導(dǎo)致調(diào)節(jié)反應(yīng)滯后，所以亟需一種以上述變化因素為變量的，包括前饋控制和負(fù)反饋控制的焦?fàn)t自動加熱控制系統(tǒng)。

2 現(xiàn)代煉焦科技的難題

2.1 配合煤質(zhì)量頻繁變化

煤源受市場和非市場因素的影響，導(dǎo)致配合煤質(zhì)量頻繁變化；另外受季節(jié)影響，配合煤的含水量也會有較大幅度的波動，上述因素導(dǎo)致煉焦耗熱量存在差異，要求焦?fàn)t制定不同的加熱制度，以滿足焦炭質(zhì)量的要求。

2.2 加熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)

加熱煤氣種類、煤氣熱值及組分的波動，對焦?fàn)t加熱系統(tǒng)的壓力和氣流分配調(diào)節(jié)也提出了更高的要求。不同的加熱煤氣和煤氣熱值及組分，其燃燒釋放的熱能和產(chǎn)生的廢氣量存在很大的差別，但焦?fàn)t橫排溫度的調(diào)節(jié)磚和高向溫度的調(diào)節(jié)磚均放置在燃燒廢氣溫度約1 700℃的立火道底部和中上部，無法實(shí)現(xiàn)人工調(diào)節(jié)；焦?fàn)t縱向的煤氣孔板、焦?fàn)t小煙道頂部的調(diào)節(jié)磚、焦?fàn)t地下室的橫排管和支管內(nèi)的煤氣噴嘴等因數(shù)量眾多，難以在短期內(nèi)快速準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)和更換以適應(yīng)上述因素的改變（上述焦?fàn)t橫向、縱向和高向的各類調(diào)節(jié)裝置的排列只能適合原始設(shè)計參數(shù)），當(dāng)實(shí)際生產(chǎn)的工藝參數(shù)偏離設(shè)計參數(shù)較大時，上述調(diào)節(jié)裝置將無法適應(yīng)實(shí)際工況[2]。

2.3 特殊生產(chǎn)工況

焦?fàn)t的全壽命周期內(nèi)，存在著烘爐、生產(chǎn)調(diào)試、生產(chǎn)試運(yùn)行、延長結(jié)焦時間、強(qiáng)化生產(chǎn)和生產(chǎn)事故等各種特殊工況，因特殊生產(chǎn)工況的工藝參數(shù)偏離設(shè)計參數(shù)較大，導(dǎo)致焦?fàn)t的各個氣體流量調(diào)節(jié)裝置不能適應(yīng)實(shí)際工況。

2.4 炭化室壓力波動

焦?fàn)t炭化室是配合煤高溫干餾的空間，配合煤在干餾過程中析出荒煤氣，因干餾過程中傳熱傳質(zhì)的非穩(wěn)態(tài)和非線性特征，致使荒煤氣的發(fā)生規(guī)律無法用精確的數(shù)學(xué)模型描述，因此炭化室壓力在整個結(jié)焦周期內(nèi)存在較大的變化。炭化室壓力過大，將造成荒煤氣竄漏到負(fù)壓的燃燒室內(nèi)，或者從炭化室爐門密封面處外逸到環(huán)境中；炭化室壓力過低，易導(dǎo)致空氣吸入炭化室燒損焦炭，或者集氣管內(nèi)荒煤氣倒流進(jìn)入炭化室頂部空間。上述情況不僅造成環(huán)境污染，而且損失能源和影響產(chǎn)品質(zhì)量。

焦?fàn)t大型化致使單孔炭化室裝煤量大幅度的增加，在成焦速度不變的情況下，荒煤氣的發(fā)生量也發(fā)生由量變到質(zhì)變的轉(zhuǎn)折；炭化室高度的不斷增加，炭化室內(nèi)荒煤氣在高溫下產(chǎn)生的熱浮力致使炭化室內(nèi)部壓力，特別是上部和炭化室頂部空間的壓力大幅攀升。上述情況是焦?fàn)t大型化必須解決的難題。

2.5 焦?fàn)t的表面散熱

焦?fàn)t爐體暴露于環(huán)境中，焦?fàn)t爐體和附屬設(shè)備的表面積大且與環(huán)境存在溫差，其以對流和輻射的形式與環(huán)境交換能量，造成焦?fàn)t熱工效率降低。

3 現(xiàn)代煉焦科技發(fā)展趨勢的研究

3.1 焦?fàn)t氣流分配的自適應(yīng)能力

焦?fàn)t氣流分配的自適應(yīng)能力包括焦?fàn)t全爐性的和焦?fàn)t每個立火道氣流分配的自適應(yīng)。自適應(yīng)控制目標(biāo)：每個燃燒室依據(jù)配合煤參數(shù)和加熱煤氣參數(shù)均勻分配氣體流量，同時每個立火道依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)火道溫度和橫排溫度曲線要求，合理分配氣體流量，其中配合煤指標(biāo)和加熱煤氣參數(shù)為前反饋參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)火道溫度和橫排溫度為負(fù)反饋參數(shù)。

焦?fàn)t全爐性流量控制的目的是保證進(jìn)入焦?fàn)t的煤氣體積流量和參數(shù)恒定?；貭t煤氣是經(jīng)過脫硫、除塵和凈化處理后的煤氣，包括焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣和發(fā)生爐煤氣等，其中焦?fàn)t煤氣經(jīng)過氣體分離膜或者變壓吸附（PSA）裝置將氫氣脫出，用于化工加氫單元、氫冶金或者氫能源等領(lǐng)域[3]。首先根據(jù)配合煤參數(shù)計算，確定焦?fàn)t的總熱量消耗，然后根據(jù)回爐煤氣參數(shù)計算，確定回爐煤氣體積流量，配合煤參數(shù)和回爐煤氣參數(shù)作為前反饋參數(shù)決定回爐煤氣的增減（+/-）；最后根據(jù)回爐煤氣參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)火道溫度/焦餅溫度，用煙道廢氣、氮?dú)獾榷栊詺怏w對回爐煤氣進(jìn)行摻混，以穩(wěn)定進(jìn)入焦?fàn)t的摻混煤氣體積流量和熱值，回爐煤氣參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)火道溫度/焦餅溫度決定惰性氣體的摻混量的增減（+/-）。焦?fàn)t全爐性流量控制邏輯圖見圖1。

圖1 焦?fàn)t全爐性流量控制邏輯圖

燃燒室氣流分配受配合煤參數(shù)和加熱煤氣參數(shù)控制，屬于整體性的流量控制，另外焦?fàn)t地下室煤氣主管的首末端壓差影響每個燃燒室進(jìn)氣量，依據(jù)水平流動變量氣流方程式可以確定煤氣流量孔板排列，確保進(jìn)入每個燃燒室的氣量均勻。

距離水平開端x處的截面變量氣流示意圖見圖2[1]，其微積分方程式見式（1）。

圖2 距離水平開端x處的截面變量氣流示意圖

式中：dPx——運(yùn)動氣體的靜壓力變化；

dhx——運(yùn)動氣體經(jīng)lx距離的摩擦阻力；

A——?dú)饬魍ǖ澜孛娣e，m2；

ρ——?dú)怏w密度，kg/m3；

wx——運(yùn)動氣體流速，m/s；

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型可知，流量孔板排列是基于穩(wěn)定的加熱煤氣參數(shù)的，因此實(shí)際工廠設(shè)計的關(guān)鍵首先是確定穩(wěn)定的加熱煤氣的溫度、壓力、組分和熱值等參數(shù)，即供入焦?fàn)t地下室煤氣主管的加熱煤氣參數(shù)恒定，在此基礎(chǔ)上，依據(jù)水平流動變量氣流方程式計算，確定流量孔板排列?？梢娏髁靠装宓呐帕袃H適應(yīng)穩(wěn)定的加熱煤氣參數(shù)和工況的需求，鑒于此，當(dāng)配合煤參數(shù)或者生產(chǎn)工況發(fā)生變化時，孔板排列應(yīng)相應(yīng)改變。

綜上所述，以配合煤參數(shù)為前反饋參數(shù)并且以標(biāo)準(zhǔn)火道溫度為負(fù)反饋參數(shù)，通過回爐煤氣摻混惰性氣體的方法，達(dá)到進(jìn)入焦?fàn)t的摻混煤氣總體積流量和熱值的穩(wěn)定，以此控制方法實(shí)現(xiàn)以一種流量孔板的排列適應(yīng)工況和配合煤參數(shù)的變化，具體方法如下：

（1）在回爐煤氣主管上設(shè)置煤氣參數(shù)在線監(jiān)測裝置，并設(shè)置煤氣摻混調(diào)質(zhì)裝置，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工況和配煤參數(shù)計算并確定煉焦耗熱量，進(jìn)而確定回爐煤氣體積流量；以標(biāo)準(zhǔn)火道溫度和焦餅溫度為負(fù)反饋參數(shù)，在煤氣摻混調(diào)質(zhì)裝置中將回爐煤氣與惰性氣體進(jìn)行摻混，保證摻混煤氣的體積流量和參數(shù)穩(wěn)定。

（2）以穩(wěn)定的摻混煤氣參數(shù)為基準(zhǔn)，根據(jù)水平流動變量氣流方程式計算并確定流量孔板排列。

（3）根據(jù)摻混煤氣體積流量及熱值參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)火道溫度計算交換時間，生產(chǎn)過程中，標(biāo)準(zhǔn)火道溫度高于設(shè)計值時，可以通過控制系統(tǒng)程序設(shè)置“暫停加熱時間”，即交換機(jī)關(guān)閉加熱煤氣旋塞和助燃空氣蓋板，其中暫停加熱時間根據(jù)焦?fàn)t停止加熱后的火道溫度下降值確定。

上述技術(shù)措施可提高焦?fàn)t總的煤氣體積流量的穩(wěn)定性，可以根據(jù)實(shí)際工況和配合煤參數(shù)進(jìn)行及時調(diào)節(jié)，且可增強(qiáng)流量控制的靈活性，實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t的自適應(yīng)能力。

在焦?fàn)t整體性流量分配基礎(chǔ)上，焦?fàn)t立火道氣流分配應(yīng)根據(jù)炭化室錐度和炭化室爐墻及煤餅的傳熱速率綜合確定，是實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t橫向溫度均勻性的二次分配。焦?fàn)t立火道氣量分配包括貧煤氣和空氣的氣量分配，調(diào)節(jié)裝置應(yīng)設(shè)置在焦?fàn)t的低溫區(qū)，以保證可調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)裝置的阻力應(yīng)占焦?fàn)t爐體內(nèi)部燃燒系統(tǒng)總阻力的約75%，以確保調(diào)節(jié)的靈敏性，另外調(diào)節(jié)裝置應(yīng)同時適應(yīng)上升和下降氣流參數(shù)。

文獻(xiàn)[4]介紹了一種氣體流量雙向調(diào)節(jié)裝置的專利：該調(diào)節(jié)裝置基于恒定的加熱煤氣和空氣參數(shù)，應(yīng)用水平流動變量氣流方程式計算開孔大小和孔板排列。根據(jù)水平流動變量氣流方程式可知，小煙道內(nèi)壓力分布除了與沿程阻力、局部阻力有關(guān)，還與小煙道入口處壓力正相關(guān)。通過在小煙道入口處設(shè)置調(diào)節(jié)翻板或者百葉窗式折流板，并對來流壓力自動調(diào)節(jié)，改變小煙道入口壓力，并結(jié)合一種氣體流量雙向調(diào)節(jié)裝置，實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t橫向氣量分配的自適應(yīng)能力。

該調(diào)節(jié)裝置可同時適應(yīng)上升和下降氣流參數(shù)，實(shí)現(xiàn)上升和下降氣量的合理分配，調(diào)節(jié)裝置示意圖見圖3。

圖3 一種氣體流量雙向調(diào)節(jié)裝置示意圖

通過局部遮蓋上篦子板和下篦子板上的孔洞、增減上篦子板和下篦子板上孔洞的數(shù)量、改變孔洞的大小、形狀以及位置，或者采用上述方法的組合，可實(shí)現(xiàn)氣體流量的精細(xì)調(diào)節(jié)。

3.2 焦?fàn)t能源網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

3.2.1 上升管表面熱損失的利用

上升管余熱利用不僅可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，而且可以為企業(yè)創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。目前，以除鹽水為工質(zhì)的上升管表面熱損失的回收和利用技術(shù)取得一些進(jìn)展，但是在一代焦?fàn)t爐齡25 a且焦?fàn)t爐墻采用硅磚材質(zhì)的條件下，不論上升管殼體水夾套結(jié)構(gòu)制造工藝如何進(jìn)步和提高，都存在著耐久性的問題，一旦發(fā)生泄漏，勢必對焦?fàn)t爐墻造成不可挽回的損壞；另外，按照相關(guān)法律和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，上升管采用夾套結(jié)構(gòu)且以除鹽水為工質(zhì)，用來回收余熱生產(chǎn)蒸汽的管路及設(shè)備屬于壓力容器的范疇，必須對上升管及其附屬壓力管道安排年檢制度，這與焦?fàn)t連續(xù)生產(chǎn)存在矛盾。

此外，上升管是高溫荒煤氣的導(dǎo)出通道，且受到焦?fàn)t結(jié)構(gòu)和煉焦工藝布置的硬約束，其通道長度有限，即荒煤氣的流通路徑短導(dǎo)致沿程釋放的顯熱有限，因此，在有限的空間下，荒煤氣與工質(zhì)的換熱面積有限。上升管內(nèi)的荒煤氣受到壁面摩擦阻力的制約，其流動速度較慢，處于層流狀態(tài)，與上升管內(nèi)襯有相對較長的換熱時間，在以除鹽水為換熱工質(zhì)的工況下，易致使貼近內(nèi)襯壁面處的荒煤氣溫度降低至露點(diǎn)以下而發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象，進(jìn)而堵塞上升管的荒煤氣通道。

焦?fàn)t加熱介質(zhì)包括焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣和發(fā)生爐煤氣等氣體燃料，加熱介質(zhì)中含有飽和水分，在溫度降低時，會發(fā)生露點(diǎn)凝結(jié)現(xiàn)象，加熱介質(zhì)中含有的微量的Cl-、SO2和H2S等腐蝕性成分會隨水分凝結(jié)形成酸性溶液，因此焦?fàn)t加熱介質(zhì)尤其是焦?fàn)t煤氣必須設(shè)置換熱設(shè)備，使其進(jìn)入焦?fàn)t加熱前高于露點(diǎn)溫度，換熱設(shè)備一般采用氣-氣換熱器。另外，位于焦?fàn)t地下室的加熱煤氣分配管路系統(tǒng)，在換向期間，會通過交換旋塞自然吸入或者正壓供入空氣，用于置換管路系統(tǒng)中的殘存煤氣和燃燒掉沉積的石墨，空氣同樣會因露點(diǎn)凝結(jié)而形成液態(tài)水，且部分腐蝕性介質(zhì)溶解其中，形成腐蝕性液體。

因此采用焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣等作為換熱工質(zhì)回收上升管表面熱損失，既可以提高煤氣顯熱，又可以取消煤氣換熱器；采用空氣為換熱工質(zhì)回收上升管表面熱損失，可以避免空氣中水汽凝結(jié)造成管路系統(tǒng)腐蝕，通過構(gòu)建能源耦合網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)上升管低品位余熱與煤氣或空氣預(yù)熱的綜合利用。

3.2.2 焦?fàn)t爐門熱損失的利用

焦?fàn)t爐門與護(hù)爐鐵件之間密封面外逸煙塵具有離散性和隨機(jī)性，其治理難度大且投資和運(yùn)行成本高。國際上普遍采用在焦?fàn)t爐門上方設(shè)置集塵罩的方式，將外逸的煙塵通過風(fēng)機(jī)和管路抽吸到除塵地面站進(jìn)行凈化處理，此種方式只能處理爐門上部外逸的煙塵，爐門下部外逸的煙塵因環(huán)境風(fēng)向的多變和集塵罩吸力不足等因素而無法收集。

文獻(xiàn)[5]介紹了一種回收焦?fàn)t爐門表面熱損失和控制煙塵外逸的方法，通過在焦?fàn)t爐門內(nèi)襯中設(shè)置隔熱和引流通道、應(yīng)用低導(dǎo)熱率冷卻工質(zhì)和冷卻工質(zhì)的對流和輻射換熱，實(shí)現(xiàn)降低爐門表面溫度的目的；另外，應(yīng)用動量守恒原理，利用冷卻工質(zhì)的高速噴射力，抽吸干餾過程中產(chǎn)生的荒煤氣和煙塵，可控制焦?fàn)t爐門密封面處的煙塵外逸。其中工質(zhì)可選用焦?fàn)t煤氣、煙道廢氣等，上述技術(shù)措施可降低爐門表面熱損失，且可通過射流引流作用，減少陣發(fā)性污染發(fā)生的幾率。

3.2.3 焦?fàn)t爐頂表面熱損失的利用

暴露于環(huán)境中的高溫裝置表面與環(huán)境之間存在溫差，根據(jù)能量守恒和傳熱原理，在溫差推動力的作用下，高溫裝置必然存在表面熱損失；另外，依據(jù)熵增原理，低溫?zé)嵩刺貏e是表面散熱損失的能量屬于低品質(zhì)熱能。焦?fàn)t的熱工效率在70%～75%，焦?fàn)t爐頂表面積大且表面溫度在50℃～200℃，焦?fàn)t表面以對流和輻射的形式與環(huán)境交換熱量，不僅導(dǎo)致焦?fàn)t的熱工效率降低，而且致使工作環(huán)境高溫，爐頂表面散失的熱量屬于低品質(zhì)的低溫?zé)嵩?，回收這部分熱能在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上都存在難度，即經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)差。

通過焦?fàn)t爐頂設(shè)計縱橫網(wǎng)狀通道形成氣體隔熱層和采用新型高效隔熱材料等措施，可以降低爐頂表面溫度，從而減少焦?fàn)t爐頂表面熱損失和改善操作環(huán)境；另外，炭化室和燃燒室傳導(dǎo)出的熱量用于對縱橫網(wǎng)狀通道內(nèi)工質(zhì)進(jìn)行換熱，工質(zhì)可以選用空氣和廢氣，吸收了熱量的空氣或者廢氣重新供入焦?fàn)t，使這部分熱量能封閉在閉合回路內(nèi)，即系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計源頭的節(jié)能減排。

3.3 焦?fàn)t陣發(fā)性煙塵的源頭治理

炭化室裝煤產(chǎn)生的煙塵來源：裝入炭化室的配合煤置換出大量空氣，開始裝煤時空氣和入爐煤的細(xì)煤粒不完全燃燒生成炭黑，并形成黑煙；配合煤和高溫爐墻接觸、升溫，產(chǎn)生大量水蒸氣和粗煤氣；隨上述水蒸氣和粗煤氣同時揚(yáng)起的細(xì)煤粉，以及平煤時帶出的細(xì)煤粉；因爐頂空間瞬間堵塞而噴出的煤氣。

配合煤在焦?fàn)t炭化室內(nèi)完成高溫干餾過程，最終轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品焦炭和化學(xué)品。在煉焦過程中，配合煤在200℃以下主要蒸發(fā)表面水分，同時析出吸附在煤中的二氧化碳、甲烷等氣體；隨溫度升高至250℃～300℃，煤的大分子端部含氧化合物開始分解，生成二氧化碳、水和酚類；至500℃時，煤的大分子芳香族稠環(huán)化合物側(cè)鏈斷裂和分解，生成脂肪烴，同時釋放出氫。在600℃前從膠質(zhì)層析出的和部分從半焦中析出的蒸汽和氣體稱為初次分解產(chǎn)物，主要含有甲烷、二氧化碳、一氧化碳、化合水及初焦油，氫含量低。鑒于配合煤高溫干餾過程中荒煤氣發(fā)生規(guī)律的非線性特點(diǎn)，炭化室內(nèi)壓力在整個結(jié)焦周期內(nèi)呈現(xiàn)出周期性的變化。在荒煤氣發(fā)生量比較集中的時段，炭化室壓力急劇升高，易在爐門和上升管等處發(fā)生陣發(fā)性煙塵外逸，而在荒煤氣發(fā)生量較少的時段，在熱浮力和氨水噴射的作用下，易使炭化室局部處于負(fù)壓狀態(tài)，吸入空氣燒損焦炭、護(hù)爐設(shè)備和爐墻。

炭化室裝煤期間，特別是搗固焦?fàn)t裝煤，炭化室內(nèi)夾帶大量的細(xì)顆粒煤粉的空氣被裝爐煤或煤餅置換出來，在高壓氨水噴射力的引導(dǎo)下，被抽吸進(jìn)入集氣管，細(xì)顆粒煤粉與冷凝下來的焦油一起沉降下來，給焦油的進(jìn)一步深加工帶來困難；此外，夾帶煤粉的高溫荒煤氣流經(jīng)上升管的過程中，結(jié)焦的中前期由于部分煤焦油冷凝，易導(dǎo)致液態(tài)煤焦油黏附在上升管耐火材料內(nèi)襯的壁面上，結(jié)焦的末期，大量烴類氣體在高溫下裂解生成石墨，沉積于上升管內(nèi)襯的壁面上，上述兩種情況極易導(dǎo)致上升管流通通道堵塞。

傳統(tǒng)的技術(shù)措施是在上升管與集氣管連接的閥體上用高壓氨水噴射，依據(jù)動量原理、伯努利方程，在高壓氨水噴射過程中，氨水蒸發(fā)、荒煤氣中部分成分冷凝和溫度降低導(dǎo)致的體積收縮的共同作用下，可使上升管根部產(chǎn)生400 Pa左右的負(fù)壓，裝煤過程中的煙塵逸散以此方式解決。文獻(xiàn)[6]介紹了一種焦?fàn)t炭化室壓力調(diào)節(jié)的新方法：結(jié)合傳統(tǒng)的高壓氨水噴射，以結(jié)焦周期內(nèi)上升管根部壓力為控制參數(shù)，應(yīng)用流體旋流流動過程中產(chǎn)生的渦旋和渦環(huán)的離心力，抽吸荒煤氣，同時燃燒掉裝煤期間炭化室內(nèi)被置換出來的空氣中的氧氣，且在離心力的作用下，清除氣體中夾帶的細(xì)顆粒煤粉，其中工質(zhì)包括焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣等，以此實(shí)現(xiàn)炭化室壓力的調(diào)節(jié)和控制。用于調(diào)節(jié)炭化室壓力的焦?fàn)t上升管結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。

圖4 用于調(diào)節(jié)炭化室壓力的焦?fàn)t上升管結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 現(xiàn)代煉焦科技智能生產(chǎn)的研究

焦?fàn)t結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)理論研究相當(dāng)完善，之所以生產(chǎn)調(diào)節(jié)困難，在于焦?fàn)t測控點(diǎn)眾多且生產(chǎn)外部條件多變，如：每個燃燒室對應(yīng)28～36個立火道、每個煤氣主管對應(yīng)51～81個燃燒室，每個集氣管對應(yīng)50～80個炭化室，上述位置都需要設(shè)置調(diào)節(jié)或控制裝置；外部條件包括煤源、配合煤指標(biāo)、回爐煤氣參數(shù)、氣象條件和不可預(yù)見因素等。焦?fàn)t測控點(diǎn)是生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量的保證，因此測控點(diǎn)數(shù)量上是無法減少的且難以實(shí)現(xiàn)自動化測控；此外，焦?fàn)t的熱慣性大，即加減煤氣流量，焦?fàn)t爐體溫度變化滯后，調(diào)節(jié)煤氣流量后，至少需要等待24 h爐溫才會變化。上述情況給焦?fàn)t生產(chǎn)帶來了不確定性。

鑒于上述分析，焦?fàn)t智慧化和自動化勢在必行。焦?fàn)t結(jié)構(gòu)有成熟可靠的數(shù)學(xué)模型，唯一不確定的因素是數(shù)學(xué)模型的參數(shù)都是基于某一狀態(tài)的，當(dāng)狀態(tài)發(fā)生變化時，數(shù)學(xué)模型的計算結(jié)果將隨之改變，導(dǎo)致調(diào)節(jié)裝置失效；此外，當(dāng)外部條件發(fā)生變化時，導(dǎo)致爐溫發(fā)生改變，此時供入焦?fàn)t的回爐煤氣流量需要改變，由此同樣導(dǎo)致各測控點(diǎn)處的調(diào)節(jié)裝置失效，因此回爐煤氣的參數(shù)控制和工況狀態(tài)控制是實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)的關(guān)鍵。

3.4.1 狀態(tài)參數(shù)控制

焦?fàn)t小煙道篦子磚或調(diào)節(jié)板、斜道口調(diào)節(jié)磚、焦?fàn)t縱向煤氣孔板、焦?fàn)t橫向煤氣噴嘴等的排列是應(yīng)用一維水平流動數(shù)學(xué)模型計算確定的，該模型成熟，氣流狀態(tài)參數(shù)是唯一制約理論模型計算結(jié)果的因素，控制氣流狀態(tài)參數(shù)的穩(wěn)定性是關(guān)鍵。因此，在焦化企業(yè)回爐煤氣管線上配置煤氣摻混和預(yù)熱裝置，可根據(jù)回爐煤氣參數(shù)，通過摻混裝置對煤氣組分和熱值進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過節(jié)流裝置對煤氣壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過預(yù)熱裝置對煤氣溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)回爐煤氣參數(shù)的穩(wěn)定。

3.4.2 工況狀態(tài)控制

因煤源、配合煤參數(shù)、強(qiáng)化或壓縮生產(chǎn)和氣象條件等外部因素變化導(dǎo)致的實(shí)際生產(chǎn)工況的改變對焦?fàn)t生產(chǎn)影響重大，以上述因素為前反饋控制參數(shù)，以標(biāo)準(zhǔn)火道溫度作為負(fù)反饋參數(shù)，對焦?fàn)t加熱交換系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖控制，同時設(shè)置暫停加熱時間，從而實(shí)現(xiàn)各種工況條件下，焦?fàn)t各個主要測溫測壓控制點(diǎn)的調(diào)節(jié)裝置在同一狀態(tài)下工作，變化的僅是可以通過PLC和DCS實(shí)現(xiàn)自動操作的加熱換向設(shè)備和穩(wěn)定加熱煤氣參數(shù)的摻混調(diào)質(zhì)裝置。

隨著狀態(tài)感知技術(shù)和高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時可靠傳輸和系統(tǒng)可靠性仿真技術(shù)（SCADA）的支持下，工業(yè)設(shè)施逐步向自動化和智能化方向發(fā)展，特別是在基于數(shù)字孿生（Digital twins）、數(shù)值計算和3D參數(shù)化設(shè)計等技術(shù)逐漸成熟的條件下，建立物理模型（Prototype）和數(shù)字模型（Digital Model）的映射關(guān)系，通過仿真模擬技術(shù)，將由狀態(tài)感知設(shè)備實(shí)時監(jiān)測的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)工業(yè)裝置和設(shè)備的遠(yuǎn)程診斷和管理，為工業(yè)生產(chǎn)安全和穩(wěn)定提供保障。

4 結(jié) 語

現(xiàn)代煉焦科技的發(fā)展主要是圍繞焦?fàn)t展開，焦?fàn)t的大型化、高效化、清潔化和智能化是總體的發(fā)展方向和目標(biāo)?，F(xiàn)代煉焦科技面臨的難題有配合煤質(zhì)量的頻繁變化、各種特殊生產(chǎn)工況的復(fù)雜性、各種熱損失導(dǎo)致的焦?fàn)t熱工效率降低、炭化室壓力波動的控制等。焦?fàn)t的自適應(yīng)能力是焦?fàn)t智能化的基礎(chǔ)；焦?fàn)t的能源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建是節(jié)能減排的根本；焦?fàn)t污染物的源頭治理是煉焦行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的保障。簡而言之，焦?fàn)t的自適應(yīng)能力、能源網(wǎng)絡(luò)耦合和污染物源頭治理是現(xiàn)代煉焦科技發(fā)展的必然趨勢。