顶装炼焦改捣固炼焦的可行性探讨

顶装炼焦改捣固炼焦的可行性探讨

摘要：为降低炼焦配煤成本，增加企业的经济效益，以某7.0m顶装焦炉为例分析了顶装炼焦改捣固炼焦的可行性和注意事项。结果表明：在不改变焦炉炉体的情况下，通过选择合适的炼焦煤细度和水分、合理的煤饼高宽比、可靠的捣固设备、较高的自动化水平、并结合熟练的操作，7.0m顶装炼焦改捣固炼焦是可以实现的。

关键词：顶装炼焦；捣固炼焦；配煤成本；煤饼稳定性；加热水平高度；炉墙稳定性

捣固炼焦是将炼焦煤捣成煤饼后装入焦炉进行高温干馏的一种炼焦工艺，煤料经过捣固后堆密度增加，改善了炼焦煤的结焦性，提高了焦炭质量，从而可以多配入低成本的弱黏煤，节约优质炼焦煤的同时能降低企业的生产成本。与顶装炼焦相比，生产相同质量的焦炭，捣固炼焦成本可降低100元/t-200元/t。在焦化行业处于低谷的时候，捣固炼焦的优势更为明显，因此部分焦化企业有了将顶装炼焦改成捣固炼焦的想法，曾有将4.3m顶装炼焦改捣固炼焦的成功案例，但是对于大型顶装焦炉比如7.0m及以上焦炉的改造目前还没有实践经验可借鉴。本文结合具体案例分析了大型顶装炼焦改捣固炼焦的可行性以及改造的注意事项，探索7.0m顶装炼焦改捣固炼焦的可行方案。

1 顶装炼焦和捣固炼焦的特点

顶装炼焦是将炼焦煤从焦炉炉顶装入炭化室内进行炼焦的工艺，装的是散煤料，堆密度较低；而捣固炼焦是采用捣固机将炼焦煤料先捣成略小于炭化室的煤饼，然后从焦炉侧面装入炭化室内进行高温干馏的一种炼焦工艺，装的是煤饼，堆密度大。顶装炼焦和捣固炼焦的主要区别是捣固炼焦对原料煤进行了预处理，即先将散装煤料捣固成煤饼后再炼焦。两种炼焦工艺的特点见表1。

2 顶装炼焦改捣固炼焦的制约因素

2.1煤饼稳定性

煤饼稳定性关系到改造后焦炉能否稳定生产，在捣固机、煤料质量指标确定的情况下，高宽比对煤饼稳定性的影响最大，煤饼高宽比过大，会降低煤饼的稳定性，容易出现塌煤现象，影响焦炉正常生产。以往的炼焦经验认为煤饼高宽比不应超过9[1]，随着炼焦技术的发展，煤饼的高宽比也在增加,YB/T4555~2017《捣固炼焦技术规范》要求煤饼高宽比不大于13，而顶装焦炉由于炭化室宽度小、锥度大的缘故，改捣固炼焦后，煤饼的高宽比往往较大。

2.2焦炉热工合理性

焦炉热工合理性指的是改造后煤饼能否在设计的结焦时间内均匀成熟，并且炭化室顶部空间温度合理可控。焦炉加热水平是衡量热工合理性的关键参数，它的大小影响炭化室顶部空间温度，空间温度高易导致荒煤气中长链组分的分解和甲烷的裂解，造成炉顶结石墨和荒煤气中焦油、粗苯等化产品的收率下降。

焦炉设计时加热水平是根据炼焦煤的收缩量和炉顶空间高度确定的。由于顶装焦炉炼焦煤的收缩率一般为5%~7%，而捣固焦炉炼焦煤的收缩率一般为4%~6%，因此顶装焦炉一般比捣固焦炉的加热水平要大。

2.3炉墙的稳定性

顶装炼焦为重力装煤，装煤堆密度为0.73t/改为捣固炼焦后，装煤堆密度增加至随着入炉煤密度的增大，

炼焦时的膨胀压力也随之增加，过大的膨胀压力容易损坏焦炉炉体，这就要求捣固焦炉有更好的炉墙稳定性。

炉墙的稳定性影响焦炉寿命，常用炉墙极限侧负荷来表征。YB/T4555~2017《捣固炼焦技术规范》要求：炭化室高度大于等于6.0m的捣固焦炉，其炉墙极限侧负荷不小于11.0 kPa; 而GB50432~2007《炼焦工艺设计规范》中对顶装焦炉炉墙极限侧负荷的要求：炭化室高度小于7.0m的顶装焦炉不小于8.0kPa，炭化室高度7.0m及以上的顶装焦炉不小于9.0kPa；可以看出，捣固焦炉的炉墙极限侧负荷要求大于顶装焦炉。

3 改造案例分析

根据工艺特点，顶装炼焦改捣固炼焦主要有以下 3 种方案：

(1)保持原有顶装焦炉炉体结构不改变，仅增加捣固炼焦相关的配套设施；

(2)拆除原有顶装焦炉炉体的炉顶和炭化室部位，利旧蓄热室和斜道的基础上新设计炉顶和炭化室，并增加捣固炼焦相关的配套设施；

(3)拆除原有顶装焦炉全部炉体结构，在原有焦炉混凝土基础上新设计焦炉炉体，并增加捣固炼焦相关的配套设施。

与第一种方案相比，后两种方案是基于捣固炼焦和顶装炼焦的工艺特点，在焦炉基础部分利旧的情况下重新设计建造的捣固焦炉，方案避开

了前文所述的制约因素，但该两种方案的改造费用较高、周期较长，并且改造后就不能再恢复顶装焦炉生产，所以大部分企业选择第一种改造方案，改造后可根据市场需求选择性的生产顶装焦或者捣固焦。

下面以某焦化厂7.0m顶装焦炉为例探讨按方案一改造的可行性，焦炉结构参数见表2。

3.1改造后煤饼尺寸的确定

(1)煤饼宽度

从表2可知，7.0m顶装焦炉的炭化室热态平均宽为500mm，与常规大型捣固焦炉相比，炭化室宽度小了50mm左右。加之顶装焦炉炭化室的锥度较大，机侧炉头宽度仅为475mm。改造为捣固炼焦后，为便于装煤操作，同时防止煤饼刮蹭炭化室墙造成塌饼、冒烟，要求煤饼与炉墙的间隙为15~20mm,所以煤饼宽度确定为440mm。

(2)煤饼高度

煤饼高度的确定要与焦炉加热水平高度匹配。煤饼过高，焦炭成熟后焦饼顶部容易出现生焦；煤饼过低，会导致炉顶空间温度过高，造成煤气中的长链组分分解、炭化室顶部结石墨。7.0m顶装焦炉生产时煤线高度为6630mm，综合加热水平高度和煤饼高宽比等因素，改捣固炼焦后煤饼高度设计为6550mm。

(3)煤饼长度

顶装炼焦时，从炭化室顶部装入的散状煤料填满了煤线以下的整个炭化室空间，而捣固炼焦是煤饼从机侧送入炭化室，为避免炉头火道温度过低出现头尾生焦的情况，以及防止装煤时煤饼头尾部少量塌煤影响关闭炉门，一般捣固炼焦的煤饼长度均小于炭化室有效长。7.0m顶装焦炉炭化室有效长度为17000mm，所以捣固煤饼的平均长度确定为16725mm。

3.2改造的可行性分析

(1)煤饼稳定性

煤饼稳定性与捣固机、炼焦煤的细度和水分、煤饼高宽比等因素有关。捣固机是捣固炼焦的主要设备，性能优良的捣固机不仅维护少，还能保证煤饼稳定性，为确保改造后顺利生产，捣固机选用专门设计的进口设备。炼焦煤细度一般要求≤3mm的占比大于90%,且≤3mm的煤料中≤0.5mm的占比应达到50%。捣固炼焦煤料的水分是煤粒之间的黏结剂，水分少煤料不易捣实，装煤时容易坍塌，水分过高会使煤饼强度降低，不易成型，还会延长结焦时间，一般入炉煤的水分控制在 10%-13%。

捣固机与炼焦煤的细度和水分是可控和可调的，而煤饼高宽比与焦炉炉体结构密切相关很难调整。国内已投产的大型捣固炼焦煤饼高宽比多数不大于13，据了解，俄罗斯阿尔泰焦化厂顶装炼焦改捣固炼焦后煤饼的高宽比为15.5，本方案的煤饼高宽比为 14.88，虽然超过规范，但借鉴阿尔泰焦化厂的运行经验和国外某捣固机供货商提供的技术方案，在采用进口捣固机以及合理的炼焦煤细度和水分的情况下，煤饼的稳定性是有保障的。

(2)焦炉热工合理性

如表2所述，7.0m顶装焦炉的加热水平高度是1150mm，它是基于顶装炼焦的工艺特点和煤料收缩率确定的，因为顶装炼焦煤料的收缩率大于捣固炼焦，若捣固煤饼高度按顶装煤线高度设计的话显然是不合理的，会导致炉顶空间温度过低，焦饼顶部出现生焦。当改造后煤饼高度为6550mm，捣固炼焦煤料的收缩率按5%计时，可根据经验公式(1)计算加热水平高度[2]：H=h+Δh+(200-300)(1)式中：H——加热水平高度，mm；h—煤饼距炭化室顶的距离，mm；Δh—煤料的垂直收缩量，mm。

由式(1)计算可得焦炉加热水平高度约为1 118.5mm,与7.0m 顶装焦炉的加热水平高度基本接近，因此煤饼高度确定为6550mm是满足焦炉热工合理性的，高向加热和炉顶空间温度是可控的。当然煤饼高度还需要结合生产实际进行校正。

(3)炭化室墙的稳定性

7.0m顶装焦炉的炉墙板限侧负荷约为9.5kPa，由于焦炉炉体结构不改造，炉墙极限侧负荷不满足捣固炼焦规范要求，会在一定程度上影响焦炉寿命，只能从生产工艺上采取措施保护焦炉炉体，比如选择膨胀压力小、收缩率较大的配合煤。此外，顶装炼焦的煤料是紧贴炭化室墙的，而改捣固炼焦后煤饼与炭化室墙的间隙较大，一定程度上可保护炉墙。

3.3改造前后的工艺参数

顶装炼焦改造捣固炼焦后，除增加了弱黏煤的配比外，对煤料细度和水分的要求也提高了。在降低生产成本、改善焦炭质量的同时，随着煤料堆密度和水分的增加，焦炉周转时间也延长了，减少了焦炉有组织排放的频次。改造前后炼焦工艺参数见表3。

3.4 改造范围

由于捣固炼焦对原料煤预处理的特殊要求，在不改变焦炉炉体结构的情况下，顶装炼焦改捣固炼焦主要是对备煤系统的改造，以满足入炉煤的细度和水分的要求，同时增加捣固煤仓、捣固机、捣固装煤车等煤饼捣固设施，两座7.0m顶装焦炉的改造范围详见表4，改造方案立面图见图1。

4 改造捣固炼焦过程还应注意的事项

(1)捣固炼焦的入炉煤挥发分一般比顶装焦炉高，荒煤气的发生量大，因此改造前应核实原有煤气净化系统的处理能力是否满足要求。

(2)顶装炼焦改捣固炼焦后，机侧轨道上增加了2台捣固装煤车，设计捣固煤仓时，要保证捣固装煤车在捣固煤仓下装煤时不影响推焦车在靠近间台的端炭化室的操作。

(3)顶装炼焦时焦炉机械和煤料对炉体的作用力与捣固炼焦不同，因此两种操作条件下护炉铁件的加压吨位不同，应根据实际生产负荷及时调整拉条和炉柱受力。

(4)顶装焦炉集气管一般布置在机侧，改捣固炼焦后会因炉口与上升管较近而增大煤气中的氧含量，需对集气系统及炭化室压力进行精准控制，既控制装煤过程的烟尘外逸，又避免过多的空气被吸入集气管，防止氧含量超标。

(5)顶装炼焦改捣固炼焦以后，由于托煤底板的刮蹭，以及机侧炉门长时间敞开等原因，炭化室底砖和燃烧室炉头砖容易破损，在生产中出现问题应及时修补。

(6)顶装炼焦改捣固炼焦后，由于煤饼高宽比较大，加之投产初期操作不熟练，会出现塌饼现象，应考虑塌饼的应急处置措施，避免因塌饼事故造成长时间停炉。

(7)捣固炼焦装煤时，机侧烟尘逸散较为严重，应结合捣固炼焦的特点选择合适的炉头烟收集处理方案。

(8)为避免煤饼在装入炭化室的过程中发生坍塌，要保证装煤车煤槽平整度及光滑度，捣固装煤车还应有精准的对位精度，避免与炉墙的刮蹭，减少装煤过程中煤饼塌煤的几率。

5 结论

顶装炼焦改捣固炼焦是一个系统工程，需要综合考量，在不改变焦炉炉体结构的情况下，顶装炼焦改捣固炼焦的关键是热工合理性与煤饼稳定性的兼顾问题。若煤饼高宽比设计过大，会出现塌煤现象；若煤饼高宽比小于 13，煤饼的稳定性虽有保证，但焦炉加热效果不理想，会导致炉墙结石墨、化产品收率和煤气热值降低等不利情况。应在保证焦炉热工合理性的前提下努力实现煤饼稳定性，热工合理性可在理论计算的基础上通过生产实践去校正，而煤饼稳定性则可通过选择合适的炼焦煤细度和水分、合理的煤饼高宽比、可靠的捣固设备、较高的自动化水平和熟练的操作来实现，同时为保证改造的成功，还应关注捣固炼焦的特殊性和实际操作。综上，7.0m 顶装炼焦改成捣固炼焦是可以实现的。