大容積焦爐對化產品加工系統帶來的影響及分析

方自玉

摘 要：主要通過考察馬鋼、沙鋼等鋼鐵聯合企業的7.63m焦爐，其投產后爐頂空間溫度偏高，導致煉焦耗熱量增加、副產品成分變化。本文重點分析空間溫度的影響因素，介紹降低空間溫度的措施方法，從而引導某鋼鐵公司大型焦爐適當的控制空間溫度水平設計，從源頭優化控制化產工程進來的原料質量。

關鍵詞：7.63m焦爐;空間溫度;焦油

1 某公司鋼鐵焦爐規模的演變

某公司工程自2008年開展可行性研究工作，中冶焦耐在原7m焦爐的基礎上進行了將炭化室尺寸進行加長和加寬的設計，炭化室的長度從17640mm增加到18640mm、寬度從450mm增加到530mm，4座65孔新型7m焦爐的設計產能達到342萬t/a。

基于某公司項目前瞻性和生產穩定性的考慮，某鋼鐵公司在2020年初決定把某公司煉焦的設計產能提高到400-420萬t/a的水平，擬采用8m焦爐。

2 國內焦爐簡單演變

①在2006年以前，國內已投產的炭化室高度最大的焦爐是6m焦爐（如某公司焦爐）;

②中冶焦耐于2005年開始開發炭化室高7m的焦爐，第一座7m焦爐于2008年4月21日在鞍鋼鲅魚圈建成投產;

③梅鋼煉焦二期工程炭化室高7m焦爐的開發工作始于2007年7月，并于2010年3月14日建成投產。與鲅魚圈不同，該7m焦爐采用炭化室平均寬500mm、炭化室全長17640mm、多段加熱、廢氣循環的復熱式焦爐（22h結焦時間）;

④某公司鋼鐵工程對煉焦能力的要求是年產干全焦342萬t，根據2008年8月進行的“焦爐專題論證”，選擇了在梅鋼7m焦爐基礎上的擴大型，采用炭化室平均寬530mm、炭化室全長18640mm、多段加熱、廢氣循環的復熱式焦爐（23.8h結焦時間），該爐型配置及最大生產能力為2×65孔、年產干全焦171萬t;

⑤自兗礦集團首家引進二手7.63m焦爐并于2006年投產以來，到目前為止，國內兗礦（2座）、太鋼（2座）、馬鋼（2座）、武鋼（2座）、曹妃甸（4座）、沙鋼（2座）等6家企業共從德國UHDE公司引進14座7.63m焦爐。除兗礦為2×60孔配置外，其余全部為2×70孔配置（曹妃甸為2×2×70孔配置），年產干全焦210萬t。這14座7.63m焦爐的建設期集中在2004至2008年之間，并從2006至 2009年陸續建成投產;

⑥8m焦爐，目前國內沒有。

3 8m焦爐相關數據的缺失

中冶焦耐在總結和吸收大量6m、7m和7.63m焦爐建設的經驗和教訓的基礎上，正在努力開發炭化室高8m、年產干全焦400萬t（4×67孔）、與德國7.63m焦爐產能和裝備、技術水平相當的新型超大容積焦爐。但爐型目前還沒有應用實績，某公司項目如果決定采用該型焦爐，將成為國內首座8m以上焦爐，也是全球第二大的焦爐（僅次于德國斯維爾根焦化廠的8.43m焦爐），其風險的關注度是非常高的。為此，由中冶焦耐負責牽頭，組織某鋼鐵公司、天津大學、大連理工大學、大連重工等單位協同開展相關工作，成立8m焦爐設計研發與工程化工作小組，通過基礎理論研究、計算機三維模擬和仿真、爐體強度計算、現有工業化焦爐成功經驗借鑒等手段進行系統性的創新與集成，并編制8m焦爐設計研發與工程化的工作報告，作為工程設計的指導和依據。

但是以上都處于理論階段，8m焦爐爐體強度的分析與計算的數據和仿真模擬數據都需要實踐的檢驗。

4 7.63m焦爐與原6m和7m焦爐相比帶來的變化

考慮到某鋼鐵公司可能要上大容積焦爐，派專人對馬鋼和沙鋼等既有7.63m焦爐，又有6m或7m焦爐的焦化廠進行了實地考察。考察中發現爐型的變化對化產品影響較大，主要存在以下幾方面：

4.1 煤氣熱值低

沙鋼和馬鋼7.63m焦爐煤氣的熱值一般在15.72（MJ/m3）左右，而6m焦爐煤氣的熱值一般在17～19MJ/m3之間。其煤氣主要成分中CH4體積比下降了4%～5%，而H2體積比上升了近10%。

4.2 氨水COD低

沙鋼和馬鋼7.63m原料氨水COD在5000～6000mg/l，遠低于6m焦爐原料氨水8000mg/l的COD值。初步分析是焦爐荒煤氣中酚裂解較嚴重，也有可能與配合煤的揮發份低有關系。

4.3 粗苯和焦油得率降低

沙鋼和馬鋼7.63m焦爐化產車間粗苯得率為6m焦爐的80%，而焦油的得率僅為70%。初步分析是焦爐荒煤氣中粗苯和焦油裂解較嚴重，另外配合煤的揮發份低也有一定關系。

4.4 焦油TI偏高

沙鋼開工初期爐頂空間溫度高，導致焦油含萘高，甲苯不溶物高，在后期穩定階段，爐頂空間溫度控制在840度以下，其甲苯不溶物現場參數質量比基本在6%以下，屬于一級品（6m焦爐一般為4%～5%）。沙鋼裝煤除塵采用PROven 負壓技術，取消了高壓氨水系統，從現場看，荒煤氣中煤粉相對較多。與6m焦爐相比，采用此負壓技術，會導致焦油含甲苯不溶物相對增加1～2個百分點。

馬鋼開工初期因爐頂空間溫度高，焦油含萘高，甲苯不溶物高，在后期穩定階段，爐頂空間溫度控制在880度以下，其甲苯不溶物基本在15%左右，屬于不合格品，具體數字見下表。

7.63m焦爐是目前中國炭化室高度最高、單孔炭化室容積最大的焦爐，該型號焦爐是從德國引進。其先進的煉焦工藝技術，代表了當今世界煉焦工藝技術發展的方向，集中了煉焦工藝、焦爐機械、焦爐自動控制等方面的先進技術，具有國際領先水平，如裝煤除塵采用PROven 技術（炭化室壓力調節技術）、大型焦爐解決燃燒室高向加熱均勻性的燃燒室分段加熱技術、自動控制調節加熱煤氣用量的焦爐加熱Batcontrol技術專利。與6m、7m及以下的焦爐相比，在生產過程中體現出了爐體結構合理、嚴密，焦爐高向加熱均勻，熱工效率高，動力消耗少，環保優秀，操作環境和勞動條件好等優點，但在焦爐運行過程中，國內各公司和沙鋼焦爐開工初期都出現了爐頂空間溫度較高、上升管結石墨、化產品產率下降、焦油流動性差、焦爐煤氣中合成甲醇的有效成分降低等缺陷。特別是焦爐受爐頂空間溫度高的影響，國內大多數有7.63m焦爐的企業其焦油質量幾乎均因甲苯不溶物含量高而難以達到一級品要求，給焦油生產廠家和焦油深加工的企業在經濟效益上帶來很大的負面影響。

馬鋼新區7.63m焦爐的爐頂空間溫度在880℃以上，其焦油含甲苯不溶物TI一般在15%左右，屬于不合格產品。而沙鋼7#和8#焦爐爐頂空間溫度卻能控制在840℃以下，其焦油含甲苯不溶物TI一般在6%以下，屬于一級產品。

因此，焦爐爐頂空間溫度高低是直接影響化產品質量和得率的主要原因。

6 7.63m焦爐爐頂空間溫度高原因分析

爐頂空間溫度高低是影響化產品質量和收得率的重要原因。在煉焦過程中，焦油中甲苯不溶物主要是由二次裂解碳和進入集氣系統的粉煤和炭粉組成，較大的顆粒可用高效澄清槽將其分離，但有少量灰分很難分離。二次裂解碳是由爐頂空間的荒煤氣二次裂解時形成，7.63m焦爐因爐頂空間溫度溫度過高，荒煤氣的二次裂解更加嚴重，導致甲苯不溶物含量上升和化產收率降低。沙鋼7.63m焦爐爐頂空間溫度一般控制在840℃以下，甲苯不溶物含量與6m焦爐相比，還是略有上升，升幅在1%-2%以內，焦油質量還是可控的，符合一級品要求。而馬鋼新區的爐頂空間溫度在880℃以上，其焦油含甲苯不溶物TI一般在15%左右，化產品得率更低。影響爐頂空間溫度有以下原因：

6.1 加熱水平低

兗礦國際焦化、太鋼、馬鋼加熱水平為1210mm，首鋼曹妃甸工程為1440mm，沙鋼為1550mm。加熱水平越高，煤的收縮越小，爐頂空間溫度越低。

6.2 配合煤揮發份低

沙鋼的高爐為5800m3，對焦炭的質量要求較高，因此選用的配合煤揮發分不高于26%，有時甚至為24%。而其他廠家7.63m焦爐配合煤揮發分相對較高（28%～30%），致使焦炭收縮率大，爐頂空間溫度高。

6.3 回爐煤氣選用高熱值煤氣

德國焦爐多采用高熱值煤氣加熱，而國內都采用混合煤氣加熱。加熱用煤氣熱值偏低，會使火焰拉長，爐頂空間溫度相應較高。沙鋼使用混合煤氣（焦爐煤氣+高爐煤氣）和焦爐煤氣兩種模式。使用混合煤氣時爐頂空間溫度為（840℃），焦爐煤氣時為（830℃）。

6.4 設計煤線高（爐頂與入爐煤表面的距離）

德國7.63m焦爐的設計煤線為400～450mm，馬鋼和太鋼的實際煤線在550～650mm之間波動，沙鋼控制在520mm以下。煤線越大，爐頂空間和爐頂輻射傳熱面積大，從而爐頂空間溫度越高。

6.5 換向時間大

馬鋼和太鋼7.63m焦爐交換機是30min換向一次，沙鋼為20min換向一次。延長換向時間，有利于上部焦餅成熟，同時也導致了爐頂空間熱量富裕，使爐頂空間溫度高。

7 某公司建設大容積焦爐的建議結論

①為改善焦爐煤氣組成和熱值及焦油、粗苯質量，要求控制爐頂空間溫度在840℃以下;②適度提高配合煤揮發份，以提高焦油和粗苯的產率;③建議裝煤除塵取消PROven負壓技術，減少焦油中煤粉含量。

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