冶金能源
ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY
Vol. 40 No. 2Mar. 2021
29奥迪a6l降价25万
**国家重点研发计划课题：炼铁-煤气化-建材过程耦 合节能关键技术，预热-炭化两段式炼焦技术的半工业 化试验(2019YFB0601304 )收稿日期：2020-09-09
徐 列(1963 -)，教授级高级工程师;102600北京市大 兴区O
通讯作者：康 健，博士生;E - mail ： kangjian@ huataijh.
华泰现代徐列I 韩克明1康健2姜士敏彳宗华I 石巧押
(1.华泰永创(北京)科技股份有限公司，
2.北京科技大学能源与环境工程学院，
3.鞍山华泰环能工程技术有限公司)
摘要文章调研了炼焦炉的发展进程和现代焦化行业面临的高能耗、高污染和高运行成本 等生产问题以及较大的生存压力。为改善现有焦化行业运行状况，文章出了一种HT 预热- 炭化换热式两段焦炉，着重介绍了新型焦炉的结构及特点。HT 预热-炭化换热式两段焦炉运
用煤干燥炼焦理论，预热后的煤再进入炭化室炼焦，具有高效生产、环境友好、合理利用资
源和投资节省的突出特点，将会是未来焦炉的发展方向。关键词焦化行业新型焦炉两段式加热炼焦工艺
文献标识码：A 文章编号：1001 -1617 (2021) 02-0029-04
Heat exchanged preheating - carbonizing coke oven
Xu Lie 1 Han Kerning 1 Kang Jian 2 Jiang Shimin 3 Zong Hua 1 Shi Qiaonan 3
(1. Huatai Yongchuang ( Beijing) Technology Co. , Ltd.,
2. University of Science and Technology Beijing ,
3. Anshan Huatai Environmental Engineering Technology Co. , Ltd.)
Abstract The paper investigated development process of coke oven and production problems of mod
em coking industry , such as high energy consumption , high pollution and high operating cost faced , as
well as the greater survival pressure. In order to improve the operation of existing coking industry , a
别克商务gl8new type of HT heat exchanged preheating 一 carbonizing (two - staged type) coke oven is proposed.
The structure and characteristics of the new coke oven are emphatically introduced. HT heat exchanged
preheating - carbonizing (two 一 staged type) coke oven applies the coal drying coking theory, and the
preheated coal enters the carbonization chamber for coking. It has the outstanding characteristics of
high - efficiency production , environment - friendly , rational utilization of resources and investment
saving , which will be the development direction of coke oven in the future.
Keywords coking industry new coke oven two - staged heating coking process
2018年以来，面对日益严格的环境保护标
准以及焦炭价格的持续波动，我国焦化企业的生
存和发展正面临着巨大压力。在严酷的市场竞争
环境下如何提高焦化行业的效益及其环保水平是 摆在众多科研工作者面前的课题1"。企业要想 走出困境，唯有依靠创新驱动发展，通过转型升
级来应对目前的挑战。文章提出了一种预热-炭
化换热式两段焦炉技术，可实现预热煤炼焦，有
助于增加炼焦煤中弱粘结性气煤的配比，降低入
炉煤的含水量，提高入炉煤的温度，节能减排潜
力巨大，不仅可以解决现有焦化生产的主要矛
盾，还符合焦化行业今后发展的方向。
com
冶金能源
ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY Vol.40No.2 Mar.2021
30
1国内外研究现状及发展趋势
1.1炼焦炉的发展
1735年，焦炭炼铁获得了成功，带动了炼焦工业的发展。近300年间，焦炉结构的发展大致经过四个阶段：成堆干傳、倒焰式焦炉、废热式焦炉和现代的蓄热式焦炉(也有人将德国的巨型炼焦反应器称为第五阶段)[7]O
成堆干憎类似于堆式炼制木炭，其特点是将煤置于地上或地下的窑中，依靠干憎时产生的煤气和部分煤的直接燃烧产生的热量来炼制焦炭。此种方式成焦率低，灰分高，焦炭质量不均匀，化学产品不能回收，同时造成环境污染，综合利用差。
倒焰式焦炉将成焦的炭化室和加热的燃烧室分开，并在隔墙上设有通道，炭化室内煤干憎时产生的煤气经此通道流入燃烧室，与来自炉顶通风道内的空气混合，自上而下地边流动边燃烧。煤干憎时所需的热量从燃烧室经炉墙传给炭化室内的煤料。此种方式热工效率低，不能回收化工产品。
车一族废热式焦炉将炭化室和燃烧室完全隔开，炭化室内产生的荒煤气送到回收车间分离出化学产品后，得到的净煤气再送回燃烧室内燃烧。由于煤在干憎过程中产生的煤气量及煤气组成是随时间而变化的，所以焦炉必须由一定数量的炭化室组成，各炭化室按一定的顺序装煤出焦，才能使全炉的煤气量及煤气组成接近不变以实现稳定地连续生产，这就出现了炼焦炉组，而燃烧产生的高温废气直接排入大气。
现在应用的蓄热式焦炉在130多年前便开始使用，由“三室两区”组成，即炭化室、燃烧室、蓄热室、斜
道区和炉顶区。蓄热式焦炉炼焦与其它几种炼焦方式相比，具有机械化程度高、生产规模大、能回收煤气和宝贵的化工原料等优点，而且热能利用率相对也比较高。
1.2焦化行业的现状及存在的问题
发展到现阶段，采用蓄热式焦炉炼焦存在很多已影响到行业生存的问题。主要表现在：
(1)对炼焦煤质量要求过高。现代炼铁对焦炭质量要求日益提高，为满足此要求需要大量优质炼焦煤，但是世界上优质炼焦煤资源有限且不可再生；
(2)污染严重。炼焦过程中产生大量含有毒物质的废气和废水，这种有毒的废气和废水很难处理，严重危害人类的健康和生存环境；
(3)热量利用率不高。尽管现代焦炉热效率在80%以上，相对较高，但热工效率只有70%左右，真正有效利用的热量不超过50%；
(4)焦化厂生存压力大。由于炉体结构复杂，同时生产过程中产生大量难以控制的污染物。根据最新的《焦化行业准入条件》以及《炼焦化学工业污染物排放标准》(GB16171-2012)等要求，污染物必须严格控制。所以炼焦生产总体投资和运行成本高，增加了炼焦成本。
因此，需要对现行工艺进行变革，开发新的炼焦炉和炼焦工艺。
1.3国内外炼焦新技术
近年来，大容积焦炉、捣固焦炉和干法熄焦等开发较早的工艺技术在工业化生产运行中日磔完善；日本的21世纪新型炼焦工艺、德国的巨型炼焦反应器、美国的热回收焦炉、前苏联的立式连续层状炼焦等新工艺新技术也加快了工业化进程。其中，预热煤炼焦技术开发较早，曾一度在国外实现了工业化，大量研究者也通过试验证明了通过预热煤炼焦能够明显改善焦炭的质量以及增加弱粘结性煤的用量囘。但是由于产业结构的调整以及在技术上存在一些问题，欧美国家的焦化生产装置大部分已经停产。我国也于20世纪50年代末开始对预热煤炼焦技术进行了探索，对其提高焦炭质量的机理进行了深入研究，但是后来因为技术原因而中断。
理想的炼焦新技术应做到投资少、运行成本低、节能、环保，同时能够改善焦炭强度，扩大炼焦用煤范围。但是在实际生产过程中这些新技术新方法并不能很好地解决炼焦行业存在的根本问题，因此我国焦化行业工作者应尽快探索出新的炼焦工艺流程和炉型结构。
2换热式两段焦炉的结构和工艺流程
2.1工艺系统设计
针对目前炼焦煤水分偏大的情况以及煤的特殊性质，结合焦炉生产的实际现状，为了达到节
冶金能源
ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY
Vol. 40 No. 2Mar. 2021
31
能减排、提高焦炉生产效率和充分利用低品质炼 焦煤的目的，提出了预热-炭化换热式两段焦炉
炼焦的概念。其特征及工艺流程如下：
（1） 用换热室取代传统焦炉中的蓄热室,
并在炉体上部引入干燥预热室，采用干燥预热
室、换热室和燃烧室-炭化室一体化的立式结
构；
（2） 煤的干燥预热和干憎过程分别在干燥
预热室和炭化室内分两段完成，煤在干燥预热室 内脱水、干燥、预热后进入炭化室进行干憎；
（3） 工艺流程主要分为气体流程和固体物
料（煤炭）流程。气体流程：常温的空气经换
热室与燃烧室产生的高温废气（1200〜1300兀）
换热，换热后的空气（700 -800^）与直接由
炉底进入燃烧室的焦炉煤气在燃烧室内混合燃
烧；产生约1250兀的废气上升进入换热室，换
热室内与空气换热后的中温废气（约600兀）进 入干燥预热室对湿煤进行干燥，释放热量后的低 温废气（约200弋）经烟囱排入大气。固体物料
流程（煤干燥预热干憎过程）：装入干燥预热室
的配合煤被中温废气干燥预热后，煤中的水分降 为0%，温度约为200%，干燥预热后的煤经放 煤阀进入炭化室干憎，产生焦炭和荒煤气。其工
艺流程见图1。
水蒸气
~150°C
荒煤气
~600 °C
图1预热-炭化换热式两段焦炉工艺流程图2.2炉体结构
所谓的预热-炭化换热式两段焦炉分为干傳
段、换热室和干燥预热室三个主要的功能部分,
采用干燥预热室、换热室和燃烧室-炭化室一体
化的立式结构，如图2所示。“两段焦炉”是指 焦炉的炼焦过程分别在干燥预热室、炭化室内完 成；“换热式”是指利用换热室取代传统焦炉的
蓄热室来预热入炉的空气。
1干燥预热室2放煤翻板3放煤管4炉顶空气/废气管路 5放煤阀6换热室7燃烧室8炭化室9上升管10集气管
图2 预热-炭化换热式两段焦炉炉体结构图
预热-炭化换热式两段焦炉的炉顶部分和炉
体部分的概念设计分别如下。
（1） 炉顶区域结构
换热式两段焦炉的炉顶部分，包括煤干燥预
热装置以及炉顶管路部分。其中炉顶管路包括废
气管路（中温废气）和空气管路。为了防止预
热过程中废气温度过高或者放煤不畅等突发情 况，管路上设置事故阀。废气温度过高，则向废
气入口管路混冷风，降低废气温度；放煤不畅,
废气则不进入干燥预热室，而是直接排入废气出 口管路，防止对煤过分加热而结焦。煤干燥预热
室的结构为气道和煤道间隔排列，利用气道内的
中温废气来预热煤道中的煤。每个炭化室对应4
个煤干燥预热室，在煤干燥完全后打开放煤阀,
干燥后的煤依靠重力装入炭化室干憎，整个过程
密闭操作，避免了装煤和平煤污染。
（2） 炉体主体结构
炉体部分，包括炭化室-燃烧室、斜道区、
换热室和炉顶区。换热室取代传统焦炉的蓄热
室，为管壳式结构，高温废气走壳程，被加热介
质走管程，结构更简单，换热效率更高，而且整
个加热系统不需要换向装置。换热室分两排
（烧高炉煤气时其中一排通高炉煤气，另一排通 空气；烧焦炉煤气时两排都通空气），这种一一
ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY Mar.2021 32
对应关系更便于调节每对立火道的温度，提高能源利用效率。
焦炉煤气为热源的焦炉运行过程中，空气由炉顶空气入口管进入炉体，流经炉顶区进入换热室管程，与换热室壳程的高温废气换热后进入燃烧室立火道隔墙，在高向分段通入一对立火道，与燃烧室底部喷入的焦炉煤气混合燃烧。每对立火道六点燃烧，同时设置废气循环措施，便于废气在燃烧室内分布均匀。产生的高温废气经立火道、斜道进入换热室壳程，与管程内的空气换热后经炉顶区废气管道进入煤干燥预热室。迪拜公交车
3预热-炭化换热式两段焦炉的技术特点
与现有炼焦技术相比，换热式两段焦炉实现了预热煤炼焦，其突出特点在于：
（1）改善焦炭质量或增加弱粘煤的用量。换热式两段焦炉可实现预热煤炼焦，进入炭化室的配合煤水分为0，并且达到一定温度（通过干燥预热，煤的含水量可降至0，减小了煤颗粒表面的水膜张力，煤的干基堆密度达0-9t/m3），与同一煤料的湿煤炼焦相比（含水10%的炼焦煤干基堆密度为0.75t/m3），得到的焦炭真比重大，气孔率低，抗碎强度、耐磨强度高，反应性低，反应后强度大，40~80mm的粒级百分率增加，平均粒径也大。
（2）减少环境污染。预热煤炼焦入炉煤不含水分，工业污水的处理问题有大幅缓解。
（3）提高焦炉生产能力或减少焦炉孔数。预热煤炼焦时，由于入炉煤不含水分且温度较高（约200P），煤料在炭化室需要的热量少，传热速度快，提高了加热速度，缩短了结焦时间，提高了生产效率和生产能力，对于一定的年产焦量要求，相应的焦炉孔数减少。
（4）换热式两段焦炉还具有炉墙温度骤变小的优势，可延长炉体使用寿命；出焦位置低，有利于拦焦的烟尘控制；不需要平煤，消除了平煤的污染。
4预热-炭化换热式两段焦炉实施的可行性
4.1预热煤炼焦技术
换热式两段焦炉煤的干燥预热和干馆过程分两段完成。装炉煤首先在干燥预热室内脱水、干燥，并被预热到200七左右再进入炭化室干憎完成结焦。即换热式两段焦炉采用煤预热技术炼焦，可增加装炉煤堆密度和提高煤料加热速度，改善煤的结焦性能，提高焦炉的生产能力。目前不仅煤预热技术理论成熟，煤预热工艺在日本室兰焦化厂也得到很好的应用。所以，基于预热煤炼焦技术的换热式两段焦炉有坚实的理论和实践基础。
4.2炉体重要组成结构
换热式两段焦炉的核心组成是燃烧-炭化室，其位于焦炉的底部，与常规的蓄热式焦炉结构基本相同。与蓄热式焦炉相比，炭化室结构完全相同，不同点在于燃烧室的每对立火道内气体皆为上升气流且分段燃烧，具有加热均匀和热工效率高的特点。因此，换热式两段焦炉的燃烧-炭化室采用现有成熟的技术，为换热式两段焦炉的实施提供了技术和设计支持。
4.3换热结构
换热式两段焦炉的换热室参考管壳式换热器的设计理念，将其应用于气体（烟气-空气）的间隔式换热。为了能在与高温烟气连续接触的工作环境下稳定换热，并具有十年以上的使用寿命，设计采用耐高温、耐急冷急热以及传热性能较好的碳化硅作为管体材料，层间炭化硅管在两端以硅砖（砖内开孔，类弯管）连接，既能保证高温膨胀系数相同，换热结构牢固，又能对管内空气起到良好的导流作用。换热管和换热室主体已在试验室进行了大量的耐热性、耐腐蚀性、强度和热效率等测试，能够确保部件和结构长期使用。
4.4干煤运输
干燥预热（约200P）后的煤料由于水分的蒸发，和原煤相比，粒度更加细小，堆密度增大，流动性好，发热量高。在干煤的运输上，存在粉尘外溢、自燃和爆炸等安全问题。两段式焦炉放煤采用最简短路径，从炉顶干燥箱底部放煤，靠煤料自重，经过竖直放煤管直接进入下方的炭化室，放煤装置严
格密封。同时，为了避免在放煤过程中因煤料下落过快产生大量煤尘，在干燥箱的下方，设置了相应的阀门以控制干燥放煤过程的启停和调控放煤速度。
（下转第44页）
ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY Mar.2021 44
炉给水溶解氧的方法及装置：中国,
201910919346.4[P],2019-09-29.
[3]沈亚东.CCPP、CHP、常规机组在钢铁企业发电项
目上的投资选择分析[J]•冶金动力，2014,(5)：
42-45.
[4]喻志强.鞍钢水循环系统分析及节水研究[D]，沈
阳：东北大学，2009.
[5]仝永娟，蔡九菊，王连勇等.钢铁联合企业的用水
需求分析[J]-冶金能源，2019,38(5)：3-14. [6]唐智新，吴礼云，梁红英等.低温多效蒸僧海水淡
化装器结构原因分析及清洗[J]-冶金动力，2015,
(9):61-65.
[7]周顺洪.宁波市原水供应市场化管理的探索[J].
海河大学学报哲学社会科学版,2010,(12)：64-66, [8]仝永娟，蔡九菊，王连勇.钢铁综合企业的水流模
型及吨钢综合水耗分析[J].钢铁，2016,51
(6):82-86.
[9]仝永娟，蔡九菊，吕子强.节水减排降低吨钢用水成
紧凑型车和中型车本分析[J].冶金能源,2014,33(5)：54-56,
赵艳编辑
(上接第32页)
4.5技术手段
以炼焦工艺学、流体力学、燃烧学、化工学、传热学和结构力学为理论基础，开展了换热式两段焦炉能量分配、流程优化设计以及节能减排和经济效益分析；借助先进的计算机仿真软件开展了干燥预热室、换热室的优化设计和可行性研究；通过干燥预热室和换热室1：1单元试验以及三孔炉工业试验验证理论设计的正确性并完善炉体的结构设计；采用理论设计和试验相结合、高校与企业产学研相结合的合作模式，保证了换热式两段焦炉的研发工作顺利实施。
5结语
文章通过对炼焦行业现状及今后的发展方向进行系统的论述，分析了目前炼焦行业存在的问题。为了解决传统蓄热式焦炉炼焦存在的问题，提出了用预热-炭化换热式两段焦炉实现预热煤炼焦的新工艺。换热式两段焦炉具有结构简单，操作容易，热效率高，节约能源，扩大炼焦煤源，减少环境污染，降低投资和运行成本低等优势，能够替代现有蓄热式焦炉，符合炼焦工业的发展方向，是一种环境友好型、资源节约型的炼焦新工艺。但是作为一种新的生产工艺，需要在今后通过进一步的试验及改进、设计、建造和生产运行过程中不断完善，需要做大量的工作以发挥其高效节能、清洁环保、资源节约的优势。
参考文献
[1]郑波，温燕明，郑文华.新常态下我国焦化行业
发展趋势辨析[J]-燃料与化工，2015,46(1)：1-5.
⑵崔丕江.以创新合作推动焦化行业科学发展[N].
世界金属导报，2015年2月14日(B15版)•[3]马希升.中国焦化行业存在的问题和对策探析
[J].化工管理，2017,(11)：122-123.
[4]彭中良，安耀辉.关于焦化行业环境保护问题的探
索[〕]•化工管理，2018,(24)：103-104. [5]上官方钦，汤志刚，温燕明等.炼焦化学工业绿
发展工程科技战略[J].钢铁，2015,50(12)：11-18.
[6]郑文华.“十二五”我国焦化工业的发展[J].鞍
钢技术，2012,(4)：1-&
[7]高晋生.煤的热解、炼焦和煤焦油加工[M].北
京：化学工业出版社：2010.
[8]姚昭章，郑明东.炼焦学[M].北京：冶金工业
出版社：2005.
万雪编辑
发布评论