2.1 焦炉
从可以预期的技术发展趋势看,在一定的时间内,主流焦炉的结构型式,仍将以目前的多室蓄热式焦炉为主,仅在超大容积、改善环境、提高装备水平、提高劳动生产率等方面作为主要的技术发展方向。
2.1.1 焦炉分类
现代焦炉可按装煤方式、加热煤气和空气供入方式、燃烧室火道形式、实现高向加热均匀的方式以及气流调节方式等的不同,进行分类。每一种焦炉形式均由以上分类的合理组合构成。
(1)按装煤方式分类 焦炉按装煤方式不同有顶装(散装)焦炉和侧装(捣固)焦炉之分。
两种焦炉的总体结构没有本质上的差别,但捣固焦炉为适应捣固煤饼侧装的要求,有以下特征。
① 由于捣固煤饼是从机侧安装,故炭化室锥度较顶装焦炉小。
② 为保证煤饼的稳定性,炭化室高宽比通常不大于11,即同样炭化室高度,通常捣固焦炉炭化室要宽一些。
③ 捣固煤饼靠托煤板送入炭化室,对炭化室底砖磨损较严重,因此该砖通常特别加厚,并且对体积密度、常温耐压、耐磨等指标要求也高一些。
④ 炉顶不设装煤孔,只需设装炉时往相邻炭化室或消烟除尘车抽吸粗煤气用的孔。
(2)按加热煤气和空气供入方式分类 焦炉加热煤气和空气供入方式有侧入式及下喷式两类。
侧入式焦炉加热焦炉的富煤气由焦炉机、焦侧位于斜道区的水平砖煤气道引入炉内,空气和贫煤气从废气盘及小烟道由焦炉侧面进入炉内。下喷式焦炉加热用的煤气(或空气)由焦炉下部垂直地进入炉内。也有的焦炉采用焦炉煤气下喷,贫煤气和空气侧入。
(3)按燃烧室火道形式分类 焦炉燃烧室火道形式有水平火道式和直立火道式两大类。
水平火道式焦炉已很少采用。直立火式焦炉道按上升气流和下降气流的组合方式,可分为两分式、四分式、过顶式和双联式。目前广泛采用的是双联式火道。
(4)按高向加热均匀方式分类 焦炉高向加热均匀方式主要有高低灯头、分段加热和废气循环等。
高低灯头采用相邻火道不同高度的煤气灯头(烧嘴),以改变火道内燃烧点的高度,从而使高向加热均匀,此法仅限于富煤气加热,且由于高灯头高出火道底面一段距离送出煤气,自斜道来的空气易将高灯头下部砖缝中的沉积炭烧掉,造成串漏。
分段加热是将煤气或空气沿立火道隔墙中的孔道,在不同高度处进入火道,使燃烧分段,这种措施可使火焰拉得较长,并通过孔道出口的断面调整高向加热,通常用于6m以上的焦炉。分段加热可以有效降低焦炉燃烧废气中排放的氮氧化物含量以满足近年来日益严格的环保要求。
废气循环是将下降火道的部分燃烧废气,通过立火道隔墙下部的循环孔,抽回上升立火道,形成炉内循环,以稀释煤气和降低氧的浓度,从而减缓燃烧速率,拉长火焰,这种方式结构简单,且具有按加热煤气的进入量自动调节循环废气量的功能。
(5)按气流调节方式分类 焦炉加热气流的调节方式有上部调节式和下部调节式两类。
上部调节式焦炉采用从炉顶更换立火道底部烧嘴的方式来调节富煤气量,采用更换或拨动斜道口调节砖(牛舌砖)的方式来调节贫煤气量和空气量。下部调节式焦炉采用从焦炉底部更换煤气支管上的喷嘴或控制小烟道顶部箅子砖孔开度的方式来调节煤气量或空气量。下部调节式焦炉调节方便,且操作环境好。
2.1.2 焦炉主要炉型
2.1.2.1 两分式焦炉
蓄热室靠中心隔墙分成机、焦两侧,并与上方燃烧室的机、焦侧火道相连,焦炉煤气由一侧焦炉煤气主管经各燃烧室下方斜道区内的水平砖煤气道和各分支砖煤气立管进入该侧各立火道,空气由焦炉进煤气侧的废气盘,经该侧蓄热室和斜道进入各立火道,与煤气混合燃烧,产生的废气经立火道上部的水平烟道汇合,从另一侧立火道下降,再经该侧斜道、蓄热室、废气盘、分烟道、总烟道和烟囱排出,两侧定时换向。两分式焦炉异向气流的隔墙面积小(仅中间隔墙),减少了串漏,但水平集合焰道使气流沿燃烧室长向分配不易均匀,火道结构复杂,系统的气流阻力大。为减少气流通过水平集合焰道的阻力,常增大其断面,但将削弱砌体强度。炭化室容积增大时,两分式焦炉的缺点就更为突出。中小型焦炉炭化室较短,但一般都用焦炉煤气加热,废气量少,上述缺点不突出,故我国中小型焦炉多采用两分式结构(图2-1)。我国已经淘汰的66型、70型焦炉为该炉型,而大型焦炉则不采用。但国外有的大型焦炉,为充分利用两分式焦炉同侧气流同向的优点,将水平集合焰道断面设计成由炉头向中部逐渐扩大,以减少其阻力及对砌体强度的影响,故国外也有大型焦炉采用两分火道式。
图2-1 两分式焦炉结构示意
1—废气盘;2—小烟道;3—蓄热室;4—焦炉煤气主管;5—水平砖煤气道;6—立火道;7—水平烟道;8—分烟道;9—总烟道;10—烟囱
2.1.2.2 过顶式焦炉
由美国考伯斯公司的领导人贝克(Becker)设计,称为考伯斯-贝克式焦炉(图2-2),为过顶火道、焦炉煤气下喷式焦炉。每个燃烧室下设两个蓄热室,用贫煤气加热时,一个预热贫煤气,另一个预热空气。预热后的空气和煤气经斜道进入其上方燃烧室的所有火道,混合燃烧后经过顶烟道进入炭化室另一侧的所有火道,然后再下降至蓄热室。每4个立火道(燃烧室端部为2个火道)汇合成一个过顶烟道。用富煤气加热时,煤气由两个同向蓄热室间的隔墙中的垂直砖煤道气进入燃烧室各立火道,该两个蓄热室均进空气。斜道结构简单,并可在过顶烟道调节气流量。但过顶烟道使炉顶层结构复杂,且使炉顶温度提高,炭化室顶部易产生沉积炭,且不利于化学产品的生成。该炉型较少应用。
图2-2 考伯斯-贝克式焦炉结构示意
2.1.2.3 双联式焦炉
双联式焦炉是在我国得到最广泛应用的焦炉炉型,由鞍山焦化耐火材料设计研究院在吸取国外炉型特点,总结多年炼焦炉生产实践经验的基础上,自1958年开始设计并不断完善的系列炉型,标记为JN型。目前有炭化室高4.3m、5m、5.5m、6m、7m的不同炭化室宽度的一系列焦炉。按照产业政策,炭化室高小于6m的顶装焦炉将逐渐被淘汰。
(1)JN型焦炉 JN型焦炉为双联火道、废气循环、煤气下喷的复热式焦炉(图2-3)。
图2-3 JN型焦炉结构示意
每个炭化室下面设两个宽度相同、气流方向也相同的蓄热室,一个为煤气蓄热室,另一个为空气蓄热室,贫煤气和空气通过炭化室下方的两个蓄热室与其上方炭化室两侧的燃烧室相通;在燃烧室下方异向气流蓄热室之间的主墙内设垂直砖煤气道,富煤气加热时,煤气通过它供入炉内,两个蓄热室则皆作为空气蓄热室。燃烧室每两个火道成一组,成对火道的隔墙上部设跨越孔,底部设废气循环孔。但为防止短路,炉头成对火道间不设废气循环孔。为改善6m以上焦炉的高向加热均匀性,采用了高低灯头结构,或者分段供入煤气。
在JN型焦炉基础上鞍山焦化耐火材料设计研究院设计了下部调节气流的JNX型焦炉。其结构特点为双联火道、废气循环、焦炉煤气下喷、蓄热室分格、贫煤气和空气下调的复热式焦炉(图2-4)。
图2-4 JNX型焦炉结构示意
炉体尺寸和基本结构与相应的JN型焦炉基本相同,主要不同在于蓄热室长向用横隔墙分成独立的小格,每一格与上部立火道一一对应,数目相同。在每个独立小格底部的箅子砖上,设置4个固定断面的箅子孔和一个可调断面的箅子孔(图2-5)。
图2-5 JNX下调型焦炉箅子砖
通过焦炉基础顶板上的下调孔,用更换调节砖的办法来调节可调箅子孔断面,以控制蓄热室长向的气流分布,以及进入各立火道的贫煤气和空气量,贫煤气和空气仍通过小烟道进入蓄热室。
(2)7.63m焦炉 近年从德国伍德(Uhde)公司引进的7.63m焦炉也是双联式焦炉。(图2-6)。炉体结构及主要特点如下。
① 该炉为双联火道、废气循环、分段加热、焦炉煤气下喷、空气侧入,蓄热室分格可调、单侧烟道的复热式超大型焦炉。
② 燃烧室由36个共18对双联火道组成。分三段供给空气进行分段燃烧(图2-7),并在每对火道隔墙间下部设循环孔,将下降火道的废气吸入上升火道的可燃气体中,用这两种方式拉长火焰,达到高向加热均匀的目的。由于三段燃烧加热和废气循环,炉体高向加热均匀,废气中的氮氧化物含量≤500mg/m 3 ,可以满足焦炉烟囱排放要求。焦炉设计的高向加热调节方法较多,主要有空气导向板、燃烧室底部循环废气调节砖、燃烧室上部循环废气调节砖、空气分段供入调节砖。但是这些高向加热的调节方法的可操作性和有效性不太好。
③ 对应燃烧室的36个立火道,蓄热室从机侧到焦侧分成18格,每格构成1个加热单元。蓄热室底部设有可调节每一格孔板开度的喷嘴板,这种结构为各个火道的调节以及分段调节提供了可能。
图2-6 7.63m焦炉结构示意
图2-7 分三段供入燃烧用空气
④ 蓄热室主墙和隔墙结构严密,用异形砖错缝砌筑,有效地防止了各部分砌体之间的串漏。由于蓄热室高向温度不同,其下部采用半硅砖砌筑,而上部(接近蓄热室高度的65%)采用硅砖砌筑,从而保证了主墙及各分隔墙之间的严密。炉顶部分也采用硅砖和半硅砖两种材质,烘炉完毕后可以减少焦炉炉头正面的倾斜度。硅砖和半硅砖之间设有滑动层,冷态施工时半硅砖部分和硅砖部分预留出膨胀差。燃烧室墙由硅砖砌成,炉头由硅线石砖砌成,这种材料比高铝砖有更好的抗温度急变能力。
⑤ 小烟道分为煤气小烟道和空气小烟道,开口设在焦炉的焦侧,仅在焦侧设有分烟道、废气开闭器。
⑥ 通过暂停加热及改变暂停加热时间的办法,实现焦炉供入热量的调整,是7.63m焦炉热工调节的一大特色。其基本思想是在规定的煤气压力下,根据焦炉的生产工况,如结焦时间、装炉煤水分、气候条件等变化,利用该方法可以非常便捷地控制全炉温度。
(3)其他双联式焦炉 包括德国奥托式焦炉、前苏联ПBP型焦炉、日本的M型焦炉等,目前我国存世较少,且有关炼焦的专业书籍都有介绍,在此不做赘述。
2.1.3 焦炉的基本构成
蓄热式焦炉由炭化室、燃烧室、蓄热室、斜道区和炉顶区所组成,蓄热室以下为基础和烟道(图2-8)。
图2-8 焦炉结构示意
炭化室与燃烧室相间布置,蓄热室位于其下方,内放格子砖以回收废热,斜道区位于蓄热室顶和燃烧室底之间,通过斜道使蓄热室与燃烧室相通,炭化室与燃烧室之上为炉顶,整座焦炉砌在坚固平整的钢筋混凝土基础上,烟道一端通过废气开闭器与蓄热室连接,另一端与烟囱连接。根据炉型不同,烟道设在基础内或基础两侧。
2.1.3.1 炭化室与燃烧室
(1)炭化室 炭化室是隔绝空气干馏的地方,是由两侧炉墙、炉顶、炉底和两侧炉门合围起来的。炭化室的有效容积是装煤炼焦的有效空间部分;它等于炭化室有效长度、平均宽度及有效高度的乘积。炭化室的容积、宽度与孔数对焦炉生产能力、单位产品的投资及机械设备的利用率等均有重大影响。
炭化室顶部设有数个装煤口。捣固式焦炉的炭化室顶部的口用于导烟及备用。它的装煤操作是在炉外用专门设备捣成煤饼后从炉门推入来完成的。
炭化室顶部还设有上升管口,通过上升管、桥管与集气管相连。在上升管口和装煤口的下方各有一排或两排烘炉孔,每排为2~3孔,它是烘炉时连接燃烧室与炭化室的通道,在烘炉后于投产前用砖堵死。
两侧炉门均为铸铁槽,内嵌入黏土砖。机侧炉门上部设置一个方孔,供平煤杆平煤时用。平完煤,此口利用小炉门关严。
在每个炭化室的两侧各有一个燃烧室,即炭化室、燃烧室相间设置,构成一座焦炉。
炭化室的长度通常为14~18m,7.63m焦炉炭化室总长度达到18.8m。炭化室长度受长向加热均匀和推焦杆热态强度的限制,18m以上的不多。炭化室全长减去两侧炉门衬砖伸入炭化室的长度称为炭化室有效长度。
根据我国的产业政策,不允许新建炭化室高度在6m以下的焦炉,现有的6m以下的焦炉将逐步被淘汰。炭化室全高减去平煤后顶部空间的高度部分,称为炭化室的有效高度。炭化室上部在装煤后应留出200~300mm的空间,供荒煤气顺利排出。提高炭化室高度,炉墙必须有足够的极限强度,必须相应增大炭化室中心距和炉顶层厚度。此外,为保证高向加热均匀,势必要使燃烧室结构复杂化;为保护炉体和防止炉门冒烟,需设置更坚固的护炉设备和更有效的炉门清扫机械。这些都是炭化室增高的限制条件。
炭化室机侧与焦侧宽度的平均值称为炭化室的平均宽度。由于煤的热导率很小,因此炭化室是一个狭长的容器,一般大型焦炉平均宽400~500mm,小型焦炉的炭化室宽度为300~350mm。炭化室宽度对焦炉生产能力与焦炭质量均有影响。宽度增加,虽然容积增加,单炉装煤量增多,但因煤料导热率低,使结焦时间延长。当炭化室窄时,传热快,结焦时间短,但由于装煤量过少,相对操作时间需要增加,生产效率低。根据相关研究,炭化室宽度超过600mm以上时,炼焦耗热量将大幅提高。
提高运行效率,降低建设投资,促使人们开发建设更大的焦炉。环境保护也推动着焦炉大型化的步伐,受各种技术条件的制约,我国投产的最大焦炉为炭化室高7.63m的焦炉,8m焦炉的单孔试验也已完成。目前世界上最大的焦炉是德国的8.43m焦炉,2×60孔,年产焦炭260万吨。
为了推焦顺利,焦侧宽度大于机侧宽度,两侧宽度之差叫做炭化室锥度。小型焦炉锥度为20mm,大型焦炉锥度为50mm,大容积焦炉锥度为60~70mm。
捣固焦炉由于为侧装煤,捣实的煤饼从炭化室机侧推入,煤饼与两侧炭化室墙间各留约10mm的空隙,故捣固焦炉的炭化室小于顶装焦炉。
(2)燃烧室 炭化室、燃烧室依次相间(图2-9),为调节和控制燃烧室长向的加热、增加炉体的强度,燃烧室均分隔成若干立火道,一般中小型焦炉为12~19个立火道,大型焦炉的燃烧室为26~32个立火道。燃烧室实际上是中空的墙,英文heating wall的称谓,更为贴切。两个燃烧室砌体之间隔出的空间即为炭化室。为保证相邻炭化室中心线平行,燃烧室的锥度和炭化室相同但方向相反。炭化室墙厚度一般为100mm左右,使用致密硅砖,适当减薄炉墙可以提高传热速率,缩短结焦时间是焦炉高效化的重要途径。
图2-9 燃烧室与炭化室
1—炭化室;2—炉头;3—隔墙;4—立火道
焦炉生产时,燃烧室墙面平均温度约为1300℃,炭化室平均温度约为1100℃,局部区域还要高些。在此温度下,墙体承受炉顶机械和上部砌体的重力,墙面要经受干馏煤气和灰渣的侵蚀,以及炉料的膨胀压力和推焦侧压力。因此要求墙体严密性好、导热性好、荷重软化温度高、高温抗蚀性强、整体结构强度高。为此,现代焦炉的炉墙都用带舌槽的异形硅砖砌筑。
燃烧室内立火道数量随炭化室长度增加而增多,立火道宽度随炭化室中心距增大而加宽,这也有利于立火道内废气的辐射传热。燃烧室头部由于炭化室的定期装煤出焦,以及向大气散热,因此温度变化剧烈,又经常受机械撞击和磨损,容易产生裂纹和变形。我国焦炉的燃烧室炉头已大多采用耐急冷急热优于硅砖的高铝砖或硅线石砖砌筑,并于内部砌成直缝结构,这样可以减少炉墙的拉裂。
立火道隔墙的结构对燃烧室的损坏有很大的关系,它直接影响炉体寿命。一般立火道隔墙有以下几种形式:丁字砖结构(图2-10)、酒瓶砖结构(图2-11)、锤头砖结构(图2-12)及宝塔砖结构(图2-13)。其中以丁字砖、酒瓶砖结构最为常见。我国过去使用的丁字砖结构,往往使炭化室墙面形成许多从顶至底的长直缝,破坏了砌体的完整并导致气体在裂缝处窜漏,其优点是墙面变形较少。这种结构曾普遍采用,例如ΠBP型、58型及部分奥托型都采用这种结构。酒瓶砖结构多见于老奥托炉,其特点是立火道隔墙为一块形似酒瓶的整块砖。它的体积大并带砖沟和砖舌,形状特殊,不易制作。使用这种结构不易导致墙皮砖断裂,故墙面的完整性较好,但其端部断面较小,容易断裂,从而使炉墙产生大面积变形。锤头砖结构的特点是:立火道隔墙的一部分与墙皮砖合并为一块整体,故砖块较大,不易制作,但立缝少,适用于立火道中心距小的焦炉,如沥青焦炉等。宝塔砖与墙皮砖互相压缝少,故当炉墙冷缩时,不致把墙皮砖拉断而使炭化室墙面形成从顶至底的长直缝。由于宝塔砖的端部比酒瓶砖的端部大,故不易断裂而使炉墙大面积变形,目前国内焦炉大多采用宝塔砖结构设计。
在炭化室宽度一定的条件下,燃烧室的强度与炭化室高度、燃烧室宽度、加热水平、火道隔墙厚度、炭化室墙厚度、炉墙和炉顶砖厚度、跨越孔高度及火道中心距有关。炭化室高度增加,燃烧室强度会明显下降。炉墙、炉顶砌体厚度和跨越孔高度一般变动不大。增加火道隔墙厚度及缩小火道中心距,砌体强度增加不多;增加炭化室墙厚度和加热水平数值,有利于强度的提高,但却会降低结焦速率和炭化室上部的温度,所以,增加燃烧室强度一般是加大炭化室中心距与炉顶厚度。
图2-10 丁字砖结构
1—丁字砖;2—墙皮砖;3—隔墙砖
图2-11 酒瓶砖结构
1—酒瓶砖;2—墙皮砖
图2-12 锤头砖结构
1—锤头砖;2—墙皮砖;3—隔墙砖
图2-13 宝塔砖结构
1—宝塔砖;2—墙皮砖;3—隔墙砖
为控制二次热解,提高化学产品的质量和产率,同时减轻炉墙积炭,燃烧室顶低于炭化室顶,两者高度差称加热水平高度。
2.1.3.2 斜道区
燃烧室与蓄热室相连接的通道称为斜道。斜道区位于炭化室及燃烧室下面,蓄热室上面,是焦炉加热系统的一个重要部位,进入燃烧室的高炉煤气、空气及排出的废气均通过斜道。斜道区是连接蓄热室和燃烧室的通道区,由于通道多、压力差大,因此是焦炉中结构最复杂、异形砖最多,在严密性、尺寸精确性等方面要求最严格的部位(图2-14)。
图2-14 JN型焦炉斜道区
在生产时斜道区的温度为1000~1200℃,砌体升温时沿炭化室长向依靠蓄热室墙底部与基础平台间的砂粒滑动层,在护炉铁件的紧箍力下进行整体膨胀。而沿炉组纵长方向,由于抵抗墙的定位,实体的斜道区不能整体膨胀,故斜道区内设有平行于抵抗墙的膨胀缝,以吸收斜道区砌体沿纵长方向的膨胀。斜道区内在相当于一个炭化室中心距的位置每一层均有膨胀缝,上下层膨胀缝应交错,且不应与蓄热室、炭化室和燃烧室空间相通。斜道出口处设有火焰调节砖及牛舌砖,更换不同厚度和高度的火焰调节砖,可以调节煤气和空气接触点的位置,以调节火焰高度(图2-15)。移动或更换不同厚度的牛舌砖可以调节进入火道空气(或高炉煤气)的量。
图2-15 斜道出口
1—牛舌砖;2—火焰调节砖;3—灯头;4—斜道
不同类型焦炉的斜道区,结构差异很大。焦炉煤气侧入式的斜道区内设有水平砖煤气道,焦炉煤气下喷式焦炉,沿蓄热室主墙内设置的垂直砖煤气道经过斜道区进入火道底部。侧入式焦炉用火道底部砖煤气道出口处设置的不同孔径灯头(烧嘴)可调节焦炉煤气量;下喷式焦炉则在地下室靠更换下喷管内的小孔板或喷嘴调节焦炉煤气量。斜道的倾斜角应不小于30℃,以免积灰造成堵塞,斜道断面的收缩角一般应小于7°,以减少阻力。同一火道内两条斜道出口的中心线应接近平行,以利于拉长火焰。斜道出口的收缩应使上升气流在斜道出口处的局部阻力占整个斜道阻力的70%~75%,这样,改变牛舌砖厚度调节斜道出口断面时,对调节贫煤气量和空气量才有足够的灵敏度。
当用焦炉煤气加热时,煤气侧入式焦炉,在斜道区设有水平砖煤气道,并在中间按机、焦侧隔开,在水平砖煤气道上,相应于每个立火道处各有一个垂直煤气道与火道相通。下喷式焦炉的垂直砖煤气道通过斜道区把加热用的焦炉煤气导入各火道内进行燃烧。
双联火道焦炉的每个燃烧室需要同四个蓄热室相连接,故斜道区复杂,是焦炉砖型最多的区域。
2.1.3.3 蓄热室区域
为了提高焦炉热效率,充分利用焦炉加热产生的高温烟气余热,现代焦炉设有蓄热室。按照预热气体的种类不同,蓄热室分为煤气室与空气室。用贫煤气加热时,煤气、空气分别经蓄热室的煤气室、空气室预热后进入火道燃烧;富煤气预热会使其中的高碳氢化合物裂解,所生成的炭粒堵塞格子砖孔道,增加燃烧系统的阻力,此外,碳氢化合物裂解后,焦炉煤气在火道内的火焰变短,不利于高向加热均匀。因此,焦炉煤气是经过砖煤气道直接供入火道内的,而不预热,此时蓄热室的煤气室、空气室后用以预热焦炉加热用的空气。砖煤气道分为侧入式与下喷式两种,前者经斜道区进入火道,后者位于主墙内。
蓄热室位于斜道下部,通过斜道与燃烧室相通,是废气与空气(和高炉煤气)进行热交换的部位。蓄热室预热煤气与空气室的气流称为上升气流,废气称为下降气流。在蓄热室里装有格子砖,当由火道下降的炽热废气经过蓄热室时,其热量大部分被格子砖吸收,每隔一定时间(20min或30min)进行换向,上升气流为冷空气或高炉煤气,格子砖便将热量传递给空气或高炉煤气。就这样,通过上升与下降气流的换向,不断进行热交换,使废气由1200℃左右经过蓄热室降低到400℃以下,而经过蓄热室的上升气体(空气和高炉煤气)被预热到1000℃以上,可以提高高炉煤气和空气在火道内的燃烧温度,使焦炉热效率提高。一座没有蓄热室的废热式焦炉,大约要烧掉本身所产生煤气的80%以上,而带有蓄热室焦炉一般只烧掉自身所产生煤气的45%左右。蓄热室由小烟道、箅子砖、格子砖、隔墙、封墙等组成(图2-16)。
图2-16 蓄热室结构
1—小烟道;2—小烟道黏土砖;3,4—隔墙;5—格子砖;6—箅子砖
(1)小烟道 小烟道位于蓄热室的底部,小烟道是蓄热室连接废气盘的通道,上升气流时进冷空气或高炉煤气,下降气流时汇集废气,因此温度变化剧烈,故硅砖小烟道内均衬以黏土砖。如用黏土砖砌小烟道隔墙,就要考虑与上层硅砖的相互滑动问题。故结构复杂且易拉裂,一般不予采用。
(2)箅子砖 小烟道上的箅子砖,既用以支承格子砖,更主要的是通过箅子砖孔径的变化,使气流沿蓄热室长向均匀分布。箅子砖有圆孔形和方孔形两种(图2-17),方孔形是工字或王字形砖,排列后由两块砖上的缺口构成箅子砖孔;圆孔形箅子砖在砖中间有圆锥孔,根据气体在小烟道内压力的分布,配置不同孔径的扩散或收缩孔型。下降气流时都能实现气流沿蓄热室长向均匀分布,故国内焦炉均采用圆形扩散孔型箅子砖。孔型和尺寸分布需经试验和实践确定。
图2-17 方孔形和圆孔形格子砖
有的焦炉采用蓄热室分格,即将蓄热室分成若干格,每对(或每个)火道与其对应的下方一格蓄热室形成一个单独的加热系统,这样可以根据火道需要的温度,在地下室分别调节各格的煤气和空气供应量,国内设计的下调式焦炉采用带调节砖的箅子砖(图2-18)实现下部调节各分格蓄热室的煤气量和空气量,有利于蓄热室长向的气流分布调节,但这种蓄热室隔墙多,主墙结构复杂,用砖量大,格子砖必须在分隔墙砌筑的同时进行安放,生产中不能清扫和更换。
图2-18 下调式焦炉箅子砖
1—固定孔箅子砖;2—蓄热室分隔墙;3—可调孔箅子砖;4—蓄热室隔墙
(3)格子砖 蓄热室内放置格子砖,现代焦炉均采用薄壁型格子砖,我国焦炉所用的九孔薄壁格子砖(图2-19),上下层对孔排列,可降低格子砖的阻力,增大蓄热面积,且易于清扫。格子砖是热交换的介质,由于气流变化频繁而剧烈,因此采用黏土耐火材料制作。
图2-19 九孔格子砖
格子砖的砖形有条形和异形两种,异形格子砖具有阻力小、蓄热面积大、热工效率高、清扫方便、更换容易等优点。缺点是制造工艺复杂、成本高。异形格子砖有厚壁六孔格子砖与薄壁九于孔格子砖,宝钢M形炉采用薄壁十六孔格子砖。薄壁九孔及以上格子砖蓄热效果更好。
格子砖通常都是黏土制作的,因为其价格低廉、抗急冷急热性能好。它的缺点是在长期高温的作用下,会产生蠕变现象。格子砖也有半硅质的,它的导热性比黏土质好,在高温下没有蠕变现象,抗急冷急热性也较好。故蓄热室顶层常常放置数层半硅质格子砖。
(4)隔墙 目前一般的蓄热室都设有中间隔墙,中心隔墙在蓄热室长向中间位置,它把蓄热室分为机、焦两个单室,这样有利于两侧煤气、空气与分烟道吸力的调节,但它必须严密,否则将引起机、焦侧气体窜漏。蓄热室隔墙是“主墙”(异向气流蓄热室的隔墙)和“单墙”(相邻蓄热室同向气流间隔墙)的总称;下喷式焦炉的蓄热室主墙内还有直立砖煤气道,因此主墙采用带沟槽的异形砖砌建(图2-20),单墙则可用标准砖砌筑;顶部温度经常在1200℃左右,并且蓄热室的隔墙几乎承受着炉体的全部重量,所以现代大型焦炉的蓄热室隔墙都用硅砖砌筑,否则将影响焦炉生产能力的发挥。当缺少硅砖时,也可用黏土砖砌筑,但要考虑与上部硅砖砌体连接处的处理,否则上下膨胀不一,容易将黏土砖砌体拉裂。在大型黏土砖蓄热室的焦炉上,曾设置滑动层和相互咬合砌筑。生产实践表明,在硅砖与黏土砖交界面设置滑动层,由于整个上层砌体及其他设备负荷很重,未能实现滑动,结果使蓄热室墙头部拉成较宽的梯形裂纹;采用硅砖与黏土砖相互咬合砌筑,蓄热室隔墙虽然也出现裂纹,但因相互咬合,裂纹分散且较窄,对生产影响不大。
图2-20 带沟槽异形砖蓄热室隔墙示意
(5)封墙 封墙是封闭机、焦侧两端蓄热室洞口的墙,因蓄热室内处于负压,封墙应当严密和隔热,如果不严密,外界冷空气就会被吸入蓄热室里,使端部格子砖温度降低,当用高炉煤气时,又使高炉煤气燃烧,从而降低炉头温度。如果隔热不好,散失热量,会降低热工效率并恶化蓄热室走廊的操作环境。封墙用黏土砖砌筑,中部砌一层绝热砖,墙外抹以石棉和白云石混合的灰层,以减少散热和漏气,有的焦炉蓄热室封墙上粘贴了硅酸铝纤维,明显降低了蓄热室封墙的散热。
2.1.3.4 炉顶区
炼焦炉炭化室盖顶砖以上的部位称为炉顶区(图2-21),在该区有装煤孔、上升管孔、看火孔、烘炉孔、拉条沟等。
图2-21 焦炉炉顶区构造示意
1—装煤孔;2—看火孔;3—烘炉孔;4—挡火砖
烘炉孔只是在烘炉时使用,焦炉在投产前,用涂有泥浆的塞子砖堵严。
炼焦煤一般都由装煤孔装入炭化室。只有捣固式焦炉才将煤饼从机侧炉门口送入炭化室,这时炉顶孔只起导烟、清理石墨等辅助作用。装煤孔多,有利于装煤,但相应的装煤车结构复杂,并且炉顶散热多。
上升管孔连通上升管等排气系统设备。双集气管焦炉每个炭化室有两个上升管孔,单集气管只有一个上升管孔。
看火孔通入燃烧室各个火道,通过看火孔可进行炉温调节和测量。
炉顶区是焦炉进行装煤、测温等操作的部位,一般都用黏土砖和绝热砖砌成。
为了减少散热和改善炉顶操作条件,在炉顶区没有孔洞及不承受压力的地方,用绝热砖砌筑,可防止炉顶温度过高,改善操作环境。炉顶区的实体部位也需设置平行于抵抗墙的膨胀缝。炉顶面砖采用缸砖砌筑,以提高其耐磨性,保持炉顶面平整,延长炉顶寿命。
2.1.3.5 焦炉基础平台、烟道与烟囱
蓄热室下部设有分烟道,来自各下降蓄热室的废气流经废气盘,分别汇集到机侧或焦侧分烟道,进而在炉组端部的总烟道汇合后导向烟囱根部,借烟囱抽力排入大气。
烟道用钢筋混凝土浇灌制成,内砌黏土衬砖。分烟道与总烟道衔接部之前设有吸力自动调节翻板,总烟道与烟囱根部衔接部之前设有闸板,用以分别调节吸力。
焦炉基础平台位于焦炉地基之上。焦炉基础包括基础结构、抵抗墙构架两部分。抵抗墙上留有纵拉条孔。焦炉砌在基础平台上,依靠抵抗墙及纵拉条紧固炉体。
基础结构根据加热煤气引入方式,有下喷式(图2-22)和侧入式(图2-23)两种。下喷式焦炉基础是一个地下室,由底板、顶板和构架柱组成。侧入焦炉基础是无地下室的整片基础。上面两种形式的分烟道均设在基础结构的两侧。ΠBP型和斯蒂尔式等焦炉的基础属于分烟道在内的结构形式(图2-24)。
图2-22 下喷式焦炉基础平台
1—焦炉底板;2—焦炉顶部;3—混凝土支柱;4—框架式抵抗墙
图2-23 侧入式焦炉基础结构
1—隔热层;2—混凝土基础;3—烟道
图2-24 烟道在内的基础平台
1—下部基础平台;2—上部基础平台;3—抵抗墙;4—通风小道;5—炉底烟道;6—空气道;7—废气盘连接道;8—纵拉条孔
无论哪种形式,均支承着整个炉体、设备、炉料和车辆的荷载,烘炉和正常生产过程中炉体受温度作用产生膨胀,在炉底滑动面上发生位移而产生水平摩擦力,因此结构受力比较复杂。基础结构本身由于小烟道内热气流传递来的热量,也要升温,烟道在内的基础结构还受烟道内热气流的作用。基础升温将使钢筋及混凝土的强度和弹性模量均有明显的削弱作用,因此在工艺和土建中均要采取措施降低基础温度。
为降低基础顶板温度,曾采取下述措施。
① 降低焦、机侧烟道标高,炉组两端敞开,烟道靠地下室侧镶砌隔热砖或涂抹隔热材料。有的厂还把废气盘进风门引至地下室。从而增强自然通风,减少烟道散热。
② 减薄顶板,减少或取消耐火黏土砖层,增加隔热砖层,增加红砖厚度(或红砖改用隔热砖),小烟道不承重部位黏土砖下设隔热砖层等,从而改善隔热条件。
下喷式焦炉的基础顶板由于受热会发生水平方向上的膨胀变形,为了防止构架柱与顶板间由于热应力而被拉裂的可能,部分构架柱的上、下端节点做成铰接形式。
焦炉及其基础的重量全部加在其下面的地基上,焦炉的地基必须满足地耐力的要求,当天然地基不能满足时,必须采用人工地基。大型焦炉均用钢筋混凝土柱打桩,即采用桩基提高耐压力。为了保证地基土壤的天然结构不被破坏,要求地下水位应在基槽以下,并在施工中做好排水防雨。
焦炉与两侧分烟道、推焦车轨道、储煤塔等相邻构筑物的基础,承重不同,为了防止产生不均匀沉降而拉裂基础,一定要留沉降缝。并且应在施工和投产后的头几年中注意测量焦炉基础的绝对沉降量及焦炉与各相邻构筑物间的沉降差,当超出允许值时,要采取补救措施。
抵抗墙对炉体的纵向膨胀起一定的约束作用,用以克服膨胀缝各层砖间滑动面的摩擦阻力,使膨胀缝发挥作用。由此炉体对抵抗墙产生水平推力,其大小取决于炉体的部位、构造、温度和材质,其中以斜道区的水平推力最大。炉顶区由于重量轻、温度低,因此水平推力较小。燃烧室与蓄热室均为非实体部位,故不产生水平推力。由于这种推力,从烘炉开始到投产为止,抵抗墙呈现向外倾斜的弯曲变形,因此炉顶设置纵拉条,以限制炉体纵向膨胀变形、约束抵抗墙柱顶的位移。并且在抵抗墙的结构形式上,在炉顶区和斜道区设有水平梁,增大抵抗墙的抗弯曲能力。