现代大型蓄热式焦炉蓄热室结构的研究

印文宝 ，韩 冬，王建波 ，安群虎，贾 楠

（1.鞍山华泰环能工程技术有限公司，辽宁 鞍山 114001；2.中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司，河南 洛阳 471039；3.赛鼎工程有限公司，山西 太原 030032）

炼焦炉构造的发展可分为4个阶段，即成堆干馏与窑、倒焰窑、废热式焦炉和现代蓄热式焦炉（炭化室高度＜6 m的焦炉，简称常规焦炉）[1]，其中现代蓄热式焦炉由蓄热室、斜道区、炭化室-燃烧室和炉顶区构成，且总体上没有大的变化。炼焦工业是高污染、高耗能、高排放且工作环境恶劣的基础工业，其中焦炉是重要的污染物排放源和能耗大户。因此，通过焦炉大型化、高效化和智能化实现节能减排是炼焦工业的必然发展方向[2]。

1 焦炉蓄热室基本结构介绍

蓄热室位于焦炉炉体下部，其内部填充蓄热体（格子砖）用于以直接换热方式回收焦炉燃烧高温废气的显热，并预热贫煤气和空气。蓄热室上部经斜道同燃烧室相连，下部经废气开闭器分别与分烟道、贫煤气管道和大气相通。

1.1 现代蓄热式焦炉的蓄热室结构

现代蓄热式焦炉的蓄热室均为横蓄热室（其中心线与燃烧室中心线平行），自下而上分为小烟道、篦子砖（可调或不可调）、格子砖和顶部空间。相同方向气流蓄热室之间的隔墙称单墙，异向气流蓄热室之间的隔墙称主墙，分隔同一蓄热室机侧和焦侧的墙为中心隔墙，机侧、焦侧正面砌有封墙，其中单、主墙和中心隔墙采用硅砖砌筑，小烟道内砌有黏土衬砖。目前，国内自主设计的炭化室高度在7.65 m以下的焦炉基本都是采用此类结构。

1.2 现代大型蓄热式焦炉的蓄热室结构

现代大型蓄热式焦炉（炭化室高度≥6 m的焦炉）的蓄热室与现代蓄热式焦炉的蓄热室结构基本一致，所不同的是现代大型蓄热式焦炉的蓄热室单、主墙在高度方向上接近1/2的位置处设置有水平滑动层，滑动层以下的单、主墙采用半硅砖砌筑，滑动层以上的单、主墙采用硅砖砌筑。另外，蓄热室在机、焦侧方向上由隔墙将其分隔成若干个独立的分格结构（一般2个立火道对应1个分格）。此外，蓄热室小烟道没有黏土衬砖且在其顶部设置有可调开度的调节板。值得关注的是，德国伍德（Uhde）公司设计上采用了分烟道布置在焦炉焦侧的非对称式烟道技术，供入贫煤气、空气以及下降废气的开闭器布置在焦侧，且分别与焦侧小烟道入口和位于焦侧的分烟道相通；另外意大利保尔-沃特（PaulWurth）公司设计上也采用了分烟道布置在焦炉焦侧的非对称式烟道技术，但是贫煤气和空气由位于蓄热室机侧的小烟道入口供入，废气由位于蓄热室焦侧的小烟道出口排入位于焦侧的分烟道，此即相对于常规焦炉对称烟道技术而言的非对称式烟道技术。

2 现代大型蓄热式焦炉的蓄热室结构研究

2.1 蓄热室设计滑动层的必要性

蓄热室内填充有蓄热体（格子砖），是实现焦炉高温燃烧废气与贫煤气和空气逆流直接换热的场所，因此，蓄热室高向上存在着巨大的温度梯度（气流高向温差达到或接近1 000℃）。因为硅砖的晶型转化点恰好落于蓄热室温度场的温度区间之内，所以蓄热室单、主墙高度方向在此温度场的作用下势必存在着膨胀差异。鉴于上述因素，蓄热室应该根据温度场分布选用不同材质的耐火材料砌筑，且在不同材料之间应设置滑动层以缓冲膨胀差异。对于硅砖而言，基于理论和实践选择硅砖晶型转化点作为滑动层位置的设置依据是可行的，即根据硅砖晶型转化点将温度场在高向上划分为2个区间，在573℃以上的区域可以选择硅砖砌筑，在573℃以下的区域选择热震稳定性能优异的半硅砖砌筑，同时在2种材料之间设置缓冲膨胀差异的滑动层是十分必要且不可或缺的。

2.2 蓄热室设计分格结构的必要性

焦炉大型化带来一系列问题需要解决，其中之一就是焦炉横排温度的调节。在高温条件下（标准温度1 250℃～1 350℃），当炭化室高度大于6 m时，燃烧室立火道内斜道出口的调节砖就极难进行人工调节，致使横排温度的调节无法实现。蓄热室小烟道位于焦炉下部低温区（小烟道气流温度小于450℃），在小烟道顶部不仅可以设置调节装置，而且易于在焦炉地下室或蓄热室操作走廊进行人工操作。另外，通过蓄热室分格可以实现对每个立火道气体流量进行定量调节，因此蓄热室分格有利于实现焦炉横排温度的冷端调节，对于大型焦炉的设计是十分必要的。

蓄热室分格结构是由隔墙实现的，隔墙的设计不仅需要考虑焦炉的高向、横向和纵向的膨胀处理，还要考虑其结构的稳定性和严密性，并且需要与分段加热统筹考虑。

2.3 蓄热室冷端调节的必要性

焦炉热工调节是炼焦生产的核心技术，长期以来，焦炉热工调节一直是困扰焦化企业的难题。热工调节的质量和效率不仅影响到产品的质量和生产效率，而且对于焦炉的使用寿命和污染物的排放也有重要影响。焦炉炉体的设计理念直接决定了热工调节方式和调节效果。降低调节频次、改善操作环境和减少工人体力劳动是焦炉设计人员不可推卸的责任。

焦炉蓄热室处于低温区有利于操作环境的改善，同时蓄热室小烟道顶部是焦炉加热系统阻力比较集中的地方，在此处设置调节装置对调节的灵敏性也有益处。因此，蓄热室冷端调节对于焦炉大型化是十分必要的。

2.4 蓄热室对称和非对称式烟道分析

2.4.1 对称式烟道

焦炉机、焦两侧都设置分烟道，贫煤气和空气由焦炉机、焦两侧经废气开闭器和小烟道供入焦炉的设计形式即为对称式烟道。国内自主设计的炭化室高7.65 m以下的常规焦炉大部分采用此种设计，该设计形式将焦炉加热系统分为机、焦侧2个独立的部分，且两侧可以独立进行调节。

2.4.2 非对称式烟道

只在焦炉的机侧或者焦侧设置一条分烟道的设计形式即非对称烟道，根据供气和废气排气方式的不同，非对称式烟道目前又可分为如下3种：

（1）烟道布置在焦炉的焦侧且机侧供气、焦侧排放废气（山东日照钢铁公司Paul Wurth 7.29 m焦炉）；

（2）烟道布置在焦炉的机侧且焦侧供气、机侧排放废气（南非Ispat Iscor Newcastle 2#OTTO式焦炉）；

（3）烟道布置在焦炉的焦侧且焦侧供气、焦侧排放废气（德国Uhde 7.63 m焦炉）。

非对称式烟道设计的焦炉具有同一的加热系统，焦炉的加热调节手段和方式具备同一性，焦炉的热工调节逻辑统一。

2.4.3 理论和实践基础

鉴于焦炉加热煤气主管、横管、小烟道和分烟道的气体在整个流通途径上的流量是变化的，故属变量气流，另外对于顶装焦炉，由于焦侧装煤量大于机侧装煤量，致使焦炉焦侧所需热量大于机侧；对于捣固焦炉，由于炭化室存在锥度，同样存在焦炉焦侧所需热量大于机侧的情况。对称式烟道使焦炉加热系统分为机、焦侧2个独立的部分。根据变量气流基本方程和焦炉加热系统特有的换向机制，机、焦侧2个独立部分的篦子砖和斜道口调节砖排列规律完全相反，致使上述两部分的调节操作存在逻辑上的不一致。

鉴于上述原因，同一的加热系统和调节机制规律有利于焦炉生产调节在逻辑上的统一，且有利于实现焦炉的自动化调节，物理逻辑上的一致性为焦炉的智慧化发展奠定基础。因此非对称式烟道设计对于大型焦炉的设计是十分必要的。

3 现代大型蓄热式焦炉蓄热室设置滑动层的研究

随着焦炉大型化的不断发展，炭化室高度在不断增加，目前世界上炭化室最高的焦炉是德国Schwelgern的8.43 m焦炉。焦炉高度和长度的增加特别是炭化室高度的增加，致使焦炉高温区域的绝对膨胀量大大增加，容易把焦炉低温区域的耐火砌体拉裂而产生串漏（蓄热室和炉顶区域砌体）。

鉴于上述原因，国际上20世纪50～60年代开始，在炭化室高度＞5 m的焦炉设计上采用了根据焦炉炉体的温度场和耐火材料的性能设置滑动层的结构形式，譬如：炉体与基础顶板之间，蓄热室单、主墙下部和上部之间，炭化室盖顶层和上部砌体之间。

3.1 德国Uhde和意大利Paul Wurth的设计理念

德国Uhde公司和意大利Paul Wurth公司在硅砖晶型转化点附近设置滑动层即蓄热室单、主墙高向的中间位置设计滑动层，高于硅砖晶型转化点（～573℃）以上的区域采用硅砖砌筑，低于硅砖晶型转化点以下的区域采用半硅砖砌筑。

3.2 乌克兰Girprokoks的设计理念

乌克兰Girprokoks（前苏联国立焦化设计院）的设计理念同德国Uhde基本一致，不同点是滑动层设置在单、主墙的位置处于小烟道篦子砖上方，该处温度在300℃～450℃，接近硅砖的第一、二晶型转化点（土耳其Isdemir钢铁厂5 m焦炉采用此结构）。

3.3 焦炉蓄热室设置滑动层的分析

3.3.1 焦炉加热系统温度场

焦炉加热系统温度场分布见表1（焦炉煤气加热）。

表1 焦炉加热系统温度场（参考）

由表1可知，焦炉加热系统低温区域：小烟道→蓄热室格子砖中部（70℃～760℃）；炉顶→炉顶表面（1 000℃～常温）。高温区域与低温区域温差达到或超过1 000℃。

3.3.2 耐火材料的性能

实践证明，现代大型蓄热式焦炉炭化室部位宜采用荷重软化温度高、导热性好、抗蚀性强、600℃以上热震性能好的硅砖。在制造硅砖的原料硅石中，SiO2以β-石英存在，在干燥、烧成过程中，β-石英首先转化为α-石英，然后转化为α-方石英和α-鳞石英，在＞1 670℃时α-鳞石英将转化为非晶型的石英玻璃，在＞1 710℃时α-方石英也会转化为石英玻璃。在烧成的硅砖内，由于温度不均及晶型转变的时间和条件的差异，总是3种晶型共存的，甚至还有石英玻璃。烧成的硅砖中的α-石英、α-鳞石英和α-方石英在冷却过程中转变为相应的低温晶型，即β-石英、γ-鳞石英和β-方石英。当制成的硅砖用于焦炉砌筑后，再次升温（烘炉）时，这些低温晶型会逐渐转变为高温晶型，因此低温区SiO2的膨胀率变化大，尤其是在117℃、163℃、180℃～270℃和573℃等晶型转化点附近，变化更为显著，SiO2晶型转化温度示意图见图1。综上所述，应根据焦炉加热系统温度场和SiO2的晶型转化温度合理确定焦炉各部位使用的耐火材料材质，即焦炉低温区（蓄热室格子砖中下部和炭化室盖顶层以上）不宜选用硅砖砌筑，同时设计上应合理处理不同材料之间的膨胀差异，即设置滑动层。

3.3.3 护炉设备

现代蓄热式焦炉的蓄热室单、主墙部位全部采用硅砖是不恰当的，因为温度介于SiO2晶型转化点部位的砌体体积变化剧烈，易造成耐材损坏或者砌体拉裂；另外，硅砖的膨胀系数是温度和材质等因素的函数，焦炉炉柱施加的保护性压力很难同时既适应高温区又适应低温区的热应力变化，易造成炉柱挠曲变形，致使焦炉蓄热室下部保护性压力不足，进而造成蓄热室部位串漏事故的发生。

3.3.4 注意事项

虽然滑动层设计可以适应温度场的变化，但是焦炉炉体滑动层结构设计不合理或者烘炉管理不当，易造成在滑动层部位发生串漏。

滑动层设计的关键核心之一是焦炉保护性压力如何确定。这是国内焦炉炉体设计基础研究的空白，需要开展的基础研究包括砖与火泥（砌体）的整体性能和力学数学模型的建立，另外，砌体整体膨胀的滑动摩擦系数等基础数据需要通过实验或者工业实践来获取。

图1 SiO2晶型转化温度示意图

4 现代大型蓄热式焦炉蓄热室分格结构的实践

4.1 新日铁（NSC）式分格结构

20世纪70年代末，宝山钢铁公司一期引进新日铁6 m M型焦炉，该炉型式是20世纪60年代～70年代新日铁开发和推广的主力炉型。6 m M型焦炉的结构为双联火道，高低灯头，焦炉煤气、贫煤气和助燃空气全下喷，贫煤气和助燃空气分段供入燃烧室及蓄热室分格的复热式大容积焦炉，小烟道和蓄热室位于焦炉基础顶板和斜道之间，沿焦炉横向即机-焦侧方向，蓄热室布置在整个炭化室下方，每个蓄热室被严密的分格隔墙分为16格，煤气分格和空气分格沿蓄热室横向即机焦侧方向交替排列布置。2个边部的分格（第1格和第16格）分别对应燃烧室的1个立火道，中部的分格（第2格～第15格）分别对应燃烧室的2个立火道。每个燃烧室对应2个蓄热室，构成独立的加热单元。当采用贫煤气加热时，其中一个蓄热室供给燃烧室燃烧所需的贫煤气和助燃空气，另一个蓄热室排出燃烧后所产生的废气，这样供给贫煤气和助燃空气的蓄热室和排出燃烧后产生废气的蓄热室，沿焦炉纵向由蓄热室隔墙间隔交替排列布置。

新日铁6 m M型焦炉采用蓄热室分格结构且分格隔墙与蓄热室主墙采用咬合结构，在咬合处预留纵向滑动层和膨胀缝；另外，蓄热室主墙和分格隔墙全部采用硅砖砌筑。

咬合结构结合纵向滑动层和膨胀缝的设计是一种十分矛盾的结构，既要保证严密性，又要保证缓冲焦炉纵向的膨胀，之所以采用这种结构是因为新日铁6 m M型焦炉的贫煤气和空气沿机、焦侧方向由分格隔墙相间排列布置，因此既要保证严密性以防止串漏，又要缓冲焦炉纵向的膨胀。

该结构设计忽略了一个致命的因素“焦炉高向温度差”，即蓄热室高向上存在几百摄氏度的温差。温差致使在高向上焦炉存在横向（机、焦侧方向）膨胀差，即上部膨胀量＞下部膨胀量，该膨胀差使咬合结构变得“刚度”很大，纵向滑动层失去作用，易导致上部砌体将下部砌体拉裂而发生串漏事故。

4.2 奥托（OTTO）式分格结构

21世纪初期，国内部分大型钢铁和焦化企业引进了德国Uhde公司设计的7.63 m大型焦炉和意大利Paul Wurth公司设计的7.29 m大型焦炉，上述2种焦炉炉型都是欧洲传统焦炉技术的延续，基本上继承了 Krupp-Koppers、OTTO、Dider 和 Carl-Still 等焦炉技术的优点，并应用了适应当今需求的一些专利技术，譬如：炭化室压力调节技术（Proven）、前端脱硝技术（煤气调质）、炉内脱硝技术和自动加热技术（Coke Master）等。

欧美国家的焦炉结构基本上都是在OTTO焦炉基础上不断发展和完善起来的。20世纪50年代起，欧美国家已经开始采用蓄热室分格，蓄热室单、主墙设计滑动层和非对称式烟道等技术。蓄热室分格设计基本上都是2个立火道对应1个蓄热室分格，且小烟道顶部设计有可以调节开度的调节板，该调节板可以在蓄热室操作走廊的机侧或者焦侧取出，调节开口开度后再送回。

4.3 现代大型蓄热式焦炉蓄热室分格结构的注意事项

4.3.1 蓄热室分格隔墙的砌筑

蓄热室分格隔墙顶部属于隐蔽工程，容易将灰浆等杂物遗留在蓄热室内，因此蓄热室分格隔墙与格子砖宜随蓄热室单、主墙同时砌筑。砌筑时应采用吸尘设备，保证蓄热室内部干净整洁。

4.3.2 蓄热室顶空压力调节

蓄热室分格结构致使蓄热室顶空压力测量无法实现，给焦炉压力制度的调节带来不便。废气开闭器测压孔处的气流处于湍流状态，压力不稳定且波动大，因此，设计上应考虑在压力稳定处留设测压孔以代替传统的蓄热室顶空测压点，并建立测点压力与燃烧状态的相关性条件。

4.3.3 蓄热室分格隔墙结构

蓄热室高向上存在温差是客观现象。当焦炉炭化室高度低于6 m时，焦炉蓄热室主体部位采用硅砖即使可以维持膨胀差异，也会造成炉柱挠曲变形较大、下部保护力不足；当焦炉炭化室高度大于6 m时，焦炉炉体的绝对膨胀量将发生质的变化。因此，焦炉蓄热室部位应根据温度场选择不同的耐火材料；应考虑焦炉生产期间蓄热室部位更换格子砖等检修的方便；同时分格隔墙应与蓄热室单、主墙留有缓冲焦炉纵向膨胀的膨胀缝。另外，若分格隔墙与单、主墙采用咬合结构，即使留设膨胀缝和纵向滑动层，也势必造成焦炉烘炉膨胀期间将滑动摩擦阻力传递给抵抗墙，如若有滑动不顺利情况发生，势必对抵抗墙造成破坏。此外，焦炉蓄热室上部温度高，上部膨胀比下部大，隔墙与单、主墙咬合易造成下部砌体拉裂串漏。因此蓄热室分格隔墙不应与蓄热室单、主墙咬合。

蓄热室分格隔墙结构示意图见图2，其中“咬合”结构为分格隔墙与单、主墙是承插配合关系；“独立”结构是分格隔墙与单、主墙之间仅设置缓冲纵向膨胀和起密封作用的耐火纤维材料。

鉴于上述分析，建议分格隔墙的设计采用“独立”结构；若采用“咬合”结构，施工期间应该严格控制纵向膨胀缝和滑动层的质量，同时烘炉期间严格控制焦炉上下部的温差，使其尽可能的小。

图2 蓄热室分格隔墙结构示意图

5 结 语

综上所述，现代大型蓄热式焦炉蓄热室宜根据焦炉加热系统温度场的分布选择合适的耐火材料，同时，在不同材质的耐火材料之间应设计滑动层；另外，蓄热室宜采用分格结构以实现在冷端对焦炉立火道燃烧状态的精确和定量调节，且分格隔墙与蓄热室单、主墙之间应设置膨胀缝，且不应采用咬合结构；最后，非对称式烟道有利于焦炉热工调节的自动化和智能化发展。