印文寶 ，韓 冬，王建波 ，安群虎，賈 楠

（1.鞍山華泰環(huán)能工程技術有限公司，遼寧 鞍山 114001；2.中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司，河南 洛陽 471039；3.賽鼎工程有限公司，山西 太原 030032）

煉焦爐構造的發(fā)展可分為4個階段，即成堆干餾與窯、倒焰窯、廢熱式焦爐和現(xiàn)代蓄熱式焦爐（炭化室高度＜6 m的焦爐，簡稱常規(guī)焦爐）[1]，其中現(xiàn)代蓄熱式焦爐由蓄熱室、斜道區(qū)、炭化室-燃燒室和爐頂區(qū)構成，且總體上沒有大的變化。煉焦工業(yè)是高污染、高耗能、高排放且工作環(huán)境惡劣的基礎工業(yè)，其中焦爐是重要的污染物排放源和能耗大戶。因此，通過焦爐大型化、高效化和智能化實現(xiàn)節(jié)能減排是煉焦工業(yè)的必然發(fā)展方向[2]。

1 焦爐蓄熱室基本結構介紹

蓄熱室位于焦爐爐體下部，其內部填充蓄熱體（格子磚）用于以直接換熱方式回收焦爐燃燒高溫廢氣的顯熱，并預熱貧煤氣和空氣。蓄熱室上部經斜道同燃燒室相連，下部經廢氣開閉器分別與分煙道、貧煤氣管道和大氣相通。

1.1 現(xiàn)代蓄熱式焦爐的蓄熱室結構

現(xiàn)代蓄熱式焦爐的蓄熱室均為橫蓄熱室（其中心線與燃燒室中心線平行），自下而上分為小煙道、篦子磚（可調或不可調）、格子磚和頂部空間。相同方向氣流蓄熱室之間的隔墻稱單墻，異向氣流蓄熱室之間的隔墻稱主墻，分隔同一蓄熱室機側和焦側的墻為中心隔墻，機側、焦側正面砌有封墻，其中單、主墻和中心隔墻采用硅磚砌筑，小煙道內砌有黏土襯磚。目前，國內自主設計的炭化室高度在7.65 m以下的焦爐基本都是采用此類結構。

1.2 現(xiàn)代大型蓄熱式焦爐的蓄熱室結構

現(xiàn)代大型蓄熱式焦爐（炭化室高度≥6 m的焦爐）的蓄熱室與現(xiàn)代蓄熱式焦爐的蓄熱室結構基本一致，所不同的是現(xiàn)代大型蓄熱式焦爐的蓄熱室單、主墻在高度方向上接近1/2的位置處設置有水平滑動層，滑動層以下的單、主墻采用半硅磚砌筑，滑動層以上的單、主墻采用硅磚砌筑。另外，蓄熱室在機、焦側方向上由隔墻將其分隔成若干個獨立的分格結構（一般2個立火道對應1個分格）。此外，蓄熱室小煙道沒有黏土襯磚且在其頂部設置有可調開度的調節(jié)板。值得關注的是，德國伍德（Uhde）公司設計上采用了分煙道布置在焦爐焦側的非對稱式煙道技術，供入貧煤氣、空氣以及下降廢氣的開閉器布置在焦側，且分別與焦側小煙道入口和位于焦側的分煙道相通；另外意大利保爾-沃特（PaulWurth）公司設計上也采用了分煙道布置在焦爐焦側的非對稱式煙道技術，但是貧煤氣和空氣由位于蓄熱室機側的小煙道入口供入，廢氣由位于蓄熱室焦側的小煙道出口排入位于焦側的分煙道，此即相對于常規(guī)焦爐對稱煙道技術而言的非對稱式煙道技術。

2 現(xiàn)代大型蓄熱式焦爐的蓄熱室結構研究

2.1 蓄熱室設計滑動層的必要性

蓄熱室內填充有蓄熱體（格子磚），是實現(xiàn)焦爐高溫燃燒廢氣與貧煤氣和空氣逆流直接換熱的場所，因此，蓄熱室高向上存在著巨大的溫度梯度（氣流高向溫差達到或接近1 000℃）。因為硅磚的晶型轉化點恰好落于蓄熱室溫度場的溫度區(qū)間之內，所以蓄熱室單、主墻高度方向在此溫度場的作用下勢必存在著膨脹差異。鑒于上述因素，蓄熱室應該根據溫度場分布選用不同材質的耐火材料砌筑，且在不同材料之間應設置滑動層以緩沖膨脹差異。對于硅磚而言，基于理論和實踐選擇硅磚晶型轉化點作為滑動層位置的設置依據是可行的，即根據硅磚晶型轉化點將溫度場在高向上劃分為2個區(qū)間，在573℃以上的區(qū)域可以選擇硅磚砌筑，在573℃以下的區(qū)域選擇熱震穩(wěn)定性能優(yōu)異的半硅磚砌筑，同時在2種材料之間設置緩沖膨脹差異的滑動層是十分必要且不可或缺的。

2.2 蓄熱室設計分格結構的必要性

焦爐大型化帶來一系列問題需要解決，其中之一就是焦爐橫排溫度的調節(jié)。在高溫條件下（標準溫度1 250℃～1 350℃），當炭化室高度大于6 m時，燃燒室立火道內斜道出口的調節(jié)磚就極難進行人工調節(jié)，致使橫排溫度的調節(jié)無法實現(xiàn)。蓄熱室小煙道位于焦爐下部低溫區(qū)（小煙道氣流溫度小于450℃），在小煙道頂部不僅可以設置調節(jié)裝置，而且易于在焦爐地下室或蓄熱室操作走廊進行人工操作。另外，通過蓄熱室分格可以實現(xiàn)對每個立火道氣體流量進行定量調節(jié)，因此蓄熱室分格有利于實現(xiàn)焦爐橫排溫度的冷端調節(jié)，對于大型焦爐的設計是十分必要的。

蓄熱室分格結構是由隔墻實現(xiàn)的，隔墻的設計不僅需要考慮焦爐的高向、橫向和縱向的膨脹處理，還要考慮其結構的穩(wěn)定性和嚴密性，并且需要與分段加熱統(tǒng)籌考慮。

2.3 蓄熱室冷端調節(jié)的必要性

焦爐熱工調節(jié)是煉焦生產的核心技術，長期以來，焦爐熱工調節(jié)一直是困擾焦化企業(yè)的難題。熱工調節(jié)的質量和效率不僅影響到產品的質量和生產效率，而且對于焦爐的使用壽命和污染物的排放也有重要影響。焦爐爐體的設計理念直接決定了熱工調節(jié)方式和調節(jié)效果。降低調節(jié)頻次、改善操作環(huán)境和減少工人體力勞動是焦爐設計人員不可推卸的責任。

焦爐蓄熱室處于低溫區(qū)有利于操作環(huán)境的改善，同時蓄熱室小煙道頂部是焦爐加熱系統(tǒng)阻力比較集中的地方，在此處設置調節(jié)裝置對調節(jié)的靈敏性也有益處。因此，蓄熱室冷端調節(jié)對于焦爐大型化是十分必要的。

2.4 蓄熱室對稱和非對稱式煙道分析

2.4.1 對稱式煙道

焦爐機、焦兩側都設置分煙道，貧煤氣和空氣由焦爐機、焦兩側經廢氣開閉器和小煙道供入焦爐的設計形式即為對稱式煙道。國內自主設計的炭化室高7.65 m以下的常規(guī)焦爐大部分采用此種設計，該設計形式將焦爐加熱系統(tǒng)分為機、焦側2個獨立的部分，且兩側可以獨立進行調節(jié)。

2.4.2 非對稱式煙道

只在焦爐的機側或者焦側設置一條分煙道的設計形式即非對稱煙道，根據供氣和廢氣排氣方式的不同，非對稱式煙道目前又可分為如下3種：

（1）煙道布置在焦爐的焦側且機側供氣、焦側排放廢氣（山東日照鋼鐵公司Paul Wurth 7.29 m焦爐）；

（2）煙道布置在焦爐的機側且焦側供氣、機側排放廢氣（南非Ispat Iscor Newcastle 2#OTTO式焦爐）；

（3）煙道布置在焦爐的焦側且焦側供氣、焦側排放廢氣（德國Uhde 7.63 m焦爐）。

非對稱式煙道設計的焦爐具有同一的加熱系統(tǒng)，焦爐的加熱調節(jié)手段和方式具備同一性，焦爐的熱工調節(jié)邏輯統(tǒng)一。

2.4.3 理論和實踐基礎

鑒于焦爐加熱煤氣主管、橫管、小煙道和分煙道的氣體在整個流通途徑上的流量是變化的，故屬變量氣流，另外對于頂裝焦爐，由于焦側裝煤量大于機側裝煤量，致使焦爐焦側所需熱量大于機側；對于搗固焦爐，由于炭化室存在錐度，同樣存在焦爐焦側所需熱量大于機側的情況。對稱式煙道使焦爐加熱系統(tǒng)分為機、焦側2個獨立的部分。根據變量氣流基本方程和焦爐加熱系統(tǒng)特有的換向機制，機、焦側2個獨立部分的篦子磚和斜道口調節(jié)磚排列規(guī)律完全相反，致使上述兩部分的調節(jié)操作存在邏輯上的不一致。

鑒于上述原因，同一的加熱系統(tǒng)和調節(jié)機制規(guī)律有利于焦爐生產調節(jié)在邏輯上的統(tǒng)一，且有利于實現(xiàn)焦爐的自動化調節(jié)，物理邏輯上的一致性為焦爐的智慧化發(fā)展奠定基礎。因此非對稱式煙道設計對于大型焦爐的設計是十分必要的。

3 現(xiàn)代大型蓄熱式焦爐蓄熱室設置滑動層的研究

隨著焦爐大型化的不斷發(fā)展，炭化室高度在不斷增加，目前世界上炭化室最高的焦爐是德國Schwelgern的8.43 m焦爐。焦爐高度和長度的增加特別是炭化室高度的增加，致使焦爐高溫區(qū)域的絕對膨脹量大大增加，容易把焦爐低溫區(qū)域的耐火砌體拉裂而產生串漏（蓄熱室和爐頂區(qū)域砌體）。

鑒于上述原因，國際上20世紀50～60年代開始，在炭化室高度＞5 m的焦爐設計上采用了根據焦爐爐體的溫度場和耐火材料的性能設置滑動層的結構形式，譬如：爐體與基礎頂板之間，蓄熱室單、主墻下部和上部之間，炭化室蓋頂層和上部砌體之間。

3.1 德國Uhde和意大利Paul Wurth的設計理念

德國Uhde公司和意大利Paul Wurth公司在硅磚晶型轉化點附近設置滑動層即蓄熱室單、主墻高向的中間位置設計滑動層，高于硅磚晶型轉化點（～573℃）以上的區(qū)域采用硅磚砌筑，低于硅磚晶型轉化點以下的區(qū)域采用半硅磚砌筑。

3.2 烏克蘭Girprokoks的設計理念

烏克蘭Girprokoks（前蘇聯(lián)國立焦化設計院）的設計理念同德國Uhde基本一致，不同點是滑動層設置在單、主墻的位置處于小煙道篦子磚上方，該處溫度在300℃～450℃，接近硅磚的第一、二晶型轉化點（土耳其Isdemir鋼鐵廠5 m焦爐采用此結構）。

3.3 焦爐蓄熱室設置滑動層的分析

3.3.1 焦爐加熱系統(tǒng)溫度場

焦爐加熱系統(tǒng)溫度場分布見表1（焦爐煤氣加熱）。

表1 焦爐加熱系統(tǒng)溫度場（參考）

由表1可知，焦爐加熱系統(tǒng)低溫區(qū)域：小煙道→蓄熱室格子磚中部（70℃～760℃）；爐頂→爐頂表面（1 000℃～常溫）。高溫區(qū)域與低溫區(qū)域溫差達到或超過1 000℃。

3.3.2 耐火材料的性能

實踐證明，現(xiàn)代大型蓄熱式焦爐炭化室部位宜采用荷重軟化溫度高、導熱性好、抗蝕性強、600℃以上熱震性能好的硅磚。在制造硅磚的原料硅石中，SiO2以β-石英存在，在干燥、燒成過程中，β-石英首先轉化為α-石英，然后轉化為α-方石英和α-鱗石英，在＞1 670℃時α-鱗石英將轉化為非晶型的石英玻璃，在＞1 710℃時α-方石英也會轉化為石英玻璃。在燒成的硅磚內，由于溫度不均及晶型轉變的時間和條件的差異，總是3種晶型共存的，甚至還有石英玻璃。燒成的硅磚中的α-石英、α-鱗石英和α-方石英在冷卻過程中轉變?yōu)橄鄳牡蜏鼐?，即?石英、γ-鱗石英和β-方石英。當制成的硅磚用于焦爐砌筑后，再次升溫（烘爐）時，這些低溫晶型會逐漸轉變?yōu)楦邷鼐?，因此低溫區(qū)SiO2的膨脹率變化大，尤其是在117℃、163℃、180℃～270℃和573℃等晶型轉化點附近，變化更為顯著，SiO2晶型轉化溫度示意圖見圖1。綜上所述，應根據焦爐加熱系統(tǒng)溫度場和SiO2的晶型轉化溫度合理確定焦爐各部位使用的耐火材料材質，即焦爐低溫區(qū)（蓄熱室格子磚中下部和炭化室蓋頂層以上）不宜選用硅磚砌筑，同時設計上應合理處理不同材料之間的膨脹差異，即設置滑動層。

3.3.3 護爐設備

現(xiàn)代蓄熱式焦爐的蓄熱室單、主墻部位全部采用硅磚是不恰當?shù)?，因為溫度介于SiO2晶型轉化點部位的砌體體積變化劇烈，易造成耐材損壞或者砌體拉裂；另外，硅磚的膨脹系數(shù)是溫度和材質等因素的函數(shù)，焦爐爐柱施加的保護性壓力很難同時既適應高溫區(qū)又適應低溫區(qū)的熱應力變化，易造成爐柱撓曲變形，致使焦爐蓄熱室下部保護性壓力不足，進而造成蓄熱室部位串漏事故的發(fā)生。

3.3.4 注意事項

雖然滑動層設計可以適應溫度場的變化，但是焦爐爐體滑動層結構設計不合理或者烘爐管理不當，易造成在滑動層部位發(fā)生串漏。

滑動層設計的關鍵核心之一是焦爐保護性壓力如何確定。這是國內焦爐爐體設計基礎研究的空白，需要開展的基礎研究包括磚與火泥（砌體）的整體性能和力學數(shù)學模型的建立，另外，砌體整體膨脹的滑動摩擦系數(shù)等基礎數(shù)據需要通過實驗或者工業(yè)實踐來獲取。

圖1 SiO2晶型轉化溫度示意圖

4 現(xiàn)代大型蓄熱式焦爐蓄熱室分格結構的實踐

4.1 新日鐵（NSC）式分格結構

20世紀70年代末，寶山鋼鐵公司一期引進新日鐵6 m M型焦爐，該爐型式是20世紀60年代～70年代新日鐵開發(fā)和推廣的主力爐型。6 m M型焦爐的結構為雙聯(lián)火道，高低燈頭，焦爐煤氣、貧煤氣和助燃空氣全下噴，貧煤氣和助燃空氣分段供入燃燒室及蓄熱室分格的復熱式大容積焦爐，小煙道和蓄熱室位于焦爐基礎頂板和斜道之間，沿焦爐橫向即機-焦側方向，蓄熱室布置在整個炭化室下方，每個蓄熱室被嚴密的分格隔墻分為16格，煤氣分格和空氣分格沿蓄熱室橫向即機焦側方向交替排列布置。2個邊部的分格（第1格和第16格）分別對應燃燒室的1個立火道，中部的分格（第2格～第15格）分別對應燃燒室的2個立火道。每個燃燒室對應2個蓄熱室，構成獨立的加熱單元。當采用貧煤氣加熱時，其中一個蓄熱室供給燃燒室燃燒所需的貧煤氣和助燃空氣，另一個蓄熱室排出燃燒后所產生的廢氣，這樣供給貧煤氣和助燃空氣的蓄熱室和排出燃燒后產生廢氣的蓄熱室，沿焦爐縱向由蓄熱室隔墻間隔交替排列布置。

新日鐵6 m M型焦爐采用蓄熱室分格結構且分格隔墻與蓄熱室主墻采用咬合結構，在咬合處預留縱向滑動層和膨脹縫；另外，蓄熱室主墻和分格隔墻全部采用硅磚砌筑。

咬合結構結合縱向滑動層和膨脹縫的設計是一種十分矛盾的結構，既要保證嚴密性，又要保證緩沖焦爐縱向的膨脹，之所以采用這種結構是因為新日鐵6 m M型焦爐的貧煤氣和空氣沿機、焦側方向由分格隔墻相間排列布置，因此既要保證嚴密性以防止串漏，又要緩沖焦爐縱向的膨脹。

該結構設計忽略了一個致命的因素“焦爐高向溫度差”，即蓄熱室高向上存在幾百攝氏度的溫差。溫差致使在高向上焦爐存在橫向（機、焦側方向）膨脹差，即上部膨脹量＞下部膨脹量，該膨脹差使咬合結構變得“剛度”很大，縱向滑動層失去作用，易導致上部砌體將下部砌體拉裂而發(fā)生串漏事故。

4.2 奧托（OTTO）式分格結構

21世紀初期，國內部分大型鋼鐵和焦化企業(yè)引進了德國Uhde公司設計的7.63 m大型焦爐和意大利Paul Wurth公司設計的7.29 m大型焦爐，上述2種焦爐爐型都是歐洲傳統(tǒng)焦爐技術的延續(xù)，基本上繼承了 Krupp-Koppers、OTTO、Dider 和 Carl-Still 等焦爐技術的優(yōu)點，并應用了適應當今需求的一些專利技術，譬如：炭化室壓力調節(jié)技術（Proven）、前端脫硝技術（煤氣調質）、爐內脫硝技術和自動加熱技術（Coke Master）等。

歐美國家的焦爐結構基本上都是在OTTO焦爐基礎上不斷發(fā)展和完善起來的。20世紀50年代起，歐美國家已經開始采用蓄熱室分格，蓄熱室單、主墻設計滑動層和非對稱式煙道等技術。蓄熱室分格設計基本上都是2個立火道對應1個蓄熱室分格，且小煙道頂部設計有可以調節(jié)開度的調節(jié)板，該調節(jié)板可以在蓄熱室操作走廊的機側或者焦側取出，調節(jié)開口開度后再送回。

4.3 現(xiàn)代大型蓄熱式焦爐蓄熱室分格結構的注意事項

4.3.1 蓄熱室分格隔墻的砌筑

蓄熱室分格隔墻頂部屬于隱蔽工程，容易將灰漿等雜物遺留在蓄熱室內，因此蓄熱室分格隔墻與格子磚宜隨蓄熱室單、主墻同時砌筑。砌筑時應采用吸塵設備，保證蓄熱室內部干凈整潔。

4.3.2 蓄熱室頂空壓力調節(jié)

蓄熱室分格結構致使蓄熱室頂空壓力測量無法實現(xiàn)，給焦爐壓力制度的調節(jié)帶來不便。廢氣開閉器測壓孔處的氣流處于湍流狀態(tài)，壓力不穩(wěn)定且波動大，因此，設計上應考慮在壓力穩(wěn)定處留設測壓孔以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蓄熱室頂空測壓點，并建立測點壓力與燃燒狀態(tài)的相關性條件。

4.3.3 蓄熱室分格隔墻結構

蓄熱室高向上存在溫差是客觀現(xiàn)象。當焦爐炭化室高度低于6 m時，焦爐蓄熱室主體部位采用硅磚即使可以維持膨脹差異，也會造成爐柱撓曲變形較大、下部保護力不足；當焦爐炭化室高度大于6 m時，焦爐爐體的絕對膨脹量將發(fā)生質的變化。因此，焦爐蓄熱室部位應根據溫度場選擇不同的耐火材料；應考慮焦爐生產期間蓄熱室部位更換格子磚等檢修的方便；同時分格隔墻應與蓄熱室單、主墻留有緩沖焦爐縱向膨脹的膨脹縫。另外，若分格隔墻與單、主墻采用咬合結構，即使留設膨脹縫和縱向滑動層，也勢必造成焦爐烘爐膨脹期間將滑動摩擦阻力傳遞給抵抗墻，如若有滑動不順利情況發(fā)生，勢必對抵抗墻造成破壞。此外，焦爐蓄熱室上部溫度高，上部膨脹比下部大，隔墻與單、主墻咬合易造成下部砌體拉裂串漏。因此蓄熱室分格隔墻不應與蓄熱室單、主墻咬合。

蓄熱室分格隔墻結構示意圖見圖2，其中“咬合”結構為分格隔墻與單、主墻是承插配合關系；“獨立”結構是分格隔墻與單、主墻之間僅設置緩沖縱向膨脹和起密封作用的耐火纖維材料。

鑒于上述分析，建議分格隔墻的設計采用“獨立”結構；若采用“咬合”結構，施工期間應該嚴格控制縱向膨脹縫和滑動層的質量，同時烘爐期間嚴格控制焦爐上下部的溫差，使其盡可能的小。

圖2 蓄熱室分格隔墻結構示意圖

5 結 語

綜上所述，現(xiàn)代大型蓄熱式焦爐蓄熱室宜根據焦爐加熱系統(tǒng)溫度場的分布選擇合適的耐火材料，同時，在不同材質的耐火材料之間應設計滑動層；另外，蓄熱室宜采用分格結構以實現(xiàn)在冷端對焦爐立火道燃燒狀態(tài)的精確和定量調節(jié)，且分格隔墻與蓄熱室單、主墻之間應設置膨脹縫，且不應采用咬合結構；最后，非對稱式煙道有利于焦爐熱工調節(jié)的自動化和智能化發(fā)展。