摘要: 大型焦炉在稳定焦炭质量、节能环保方面具有不可替代的优势。针对国内 7. 63 m 焦炉热工及操作指标偏低、炉顶空间温度过高、化产品收率低的技术管理难题，总结了在炉况稳定、热工指标调节及智能控制系统等方面进行的改进与优化成果，以及大型焦炉稳产长寿的有益经验。建议对大型焦炉现有技术管理规程进行系统修订，以建立适应我国大型焦炉生产技术管理的相关制度。
关键词: 大型焦炉; 生产; 技术; 管理; 实践; 探讨
0 引言
焦炉大型化是炼焦技术发展的总趋势，大型焦炉在稳定焦炭质量、节能环保等方面具有不可取代的优势。十多年来，我国在大型焦炉运用和改造过程中，解决了诸多技术管理难题，积累了丰富的实践经验。
1 我国大型焦炉的发展历程
大型焦炉的定义是随着炼焦技术的进步、焦炉炭化室容积的增加而变化的，上世纪 70 年代攀钢建成投产的炭化室高5. 5m顶装焦炉，是中国大焦炉的雏形; 1985 年宝钢引进炭化室高 6 m 的焦炉，促进了焦炉大型化发展的进度。我国自行设计建设的炭化室高 6 m JN60 型焦炉在北焦投产后，6 m 焦炉逐步成为我国焦炉的主力炉型。2006 年 6 月山东兖矿国际焦化公司引进德国 7. 63 m 顶装焦炉投产，拉开了中国焦炉大型化发展的序幕。此后中冶焦耐公司开发推出的 7 m 顶装、唐山佳华的 6. 25 m 捣固焦炉，以及目前已研发出炭化室高 8 m 特大型焦炉，实现沿燃烧室高度方向的贫氧低温均匀供热，达到均匀加热和降低 NOx 生成的目的，标志着我国大型焦炉炼焦技术的成熟。
2014 年重新修订的《焦化行业准入条件》规定，顶装焦炉准入的最低门槛是炭化室高 6 m，捣固焦炉炭化室高 5. 5 m。业内人士普遍认为，把炭化室高 6 m 以上的 7 m 及 7. 63 m 顶装焦炉以及 5. 5 m 以上的捣固焦炉界定为大型焦炉。
截至 2016 年底，我国正常运行的 7 m 顶装焦炉有 66 座，7. 63 m 顶装焦炉有 17 座，6. 0 m 及以上捣固焦炉有 22 座，其焦炭的总产能占 2016 年全国焦炭总产量的 15. 8% 。
2 大型焦炉生产技术管理的难点
以炭化室高 7. 63 m 焦炉为例，从目前生产技术管理、四大机车运行状况来看，均不同程度的存在需要改进完善的技术难点: 炉顶空间温度过高、部分热工及操作指标偏低、PROven 系统不稳定、四大机车控制系统故障多、化产品收率低等。
2. 1 炉顶空间温度偏高
武钢、马钢、太钢的 7. 63 m 焦炉燃烧室加热水平均为 1 210 mm，可调节跨越孔导致炭化室炉顶空间温度偏高。焦炉技术操作规程规定，炉顶空间温度为( 800 ± 30) ℃，而 7. 63 m 焦炉普遍高达 900 ℃。由此带来两个严重后果: 一是炉顶及上升管荒煤气裂解积碳，挂结石墨; 二是荒煤气中宝贵的苯类化合物分解，回收率低。7. 63 m 焦炉对配合煤挥发分要求在( 24 ± 1) % ，而我国 7. 63 m 焦炉厂家实际配合煤挥发分普遍在 26% 以上，由此更增加了炉顶挂结石墨的机会。
2. 2 热工指标系数偏低
大型焦炉是炉体结构最为复杂的热工炉窑， 7. 63 m 焦炉还采用了多段燃烧工艺，蓄热室分格、单侧小烟道，蓄热室顶部吸力不能测量，只能改变小烟道顶部的金属喷射板孔尺寸来调节燃烧室立火道温度。这种粗调的方式及 2 - 1 推焦串序，使得7. 63 m 焦炉的直行温度均匀系数 Kb 及燃烧室横墙温度均匀系数 K 横墙较低。
( 1) Kb 系数
焦炉的 2 - 1 推焦串序，使得焦炭已经成熟的炭化室与刚装煤的炭化室间隔距离变小。对于 1 座 70 孔的 7. 63 m 焦炉来说，前半部分炉室可能刚刚装煤，燃烧室需要大量供热，立火道温度相对偏低; 而后半部分炉室内焦饼处于半焦或接近成熟，立火道温度相对偏高一些，直行温度 Kb 产生不均匀现象无法难免。
( 2) K 横墙系数
7. 63 m 焦炉蓄热室顶部无测温孔，蓄顶温度及吸力均无法测量，影响了立火道温度的微调，制约着燃烧室横墙温度由机侧向焦侧的有序递增。横墙曲线产生“锯齿型”、“多峰型”，K 横墙 < 0. 85。
2. 3 自控系统缺陷多
大型焦炉的四大机车采用炉号自动识别、对位联锁技术，各个动作之间关联性极强，一个微小偏差也会导致四大车全部“停摆”，无线通讯系统受作业环境、建筑物、管道的影响时而掉线。炭化室负压无烟装煤的 PROven 系统，因动作复杂、压力调节灵敏，导致维护检修难度较高。
2. 4 化产品收率较低
从运行的 7. 63 m 焦炉可以看出，由于炉顶空间温度高导致化产品质量不稳定，煤气成分也呈现一定幅度波动，粗苯和焦油产率明显较低。生产实践表明，焦油产率低于 3. 5% ，粗苯产率低于 0. 8% ，而且焦油质量差，其粉尘及甲苯不溶物含量明显增加。
3 大型焦炉技术管理的改进
近年来我国科研院校在大型焦炉的炉体构造、传热机理、热工理论方面进行了大量深入研究，各焦化企业在稳定炉况、精调热工指标及提高智能控制系统稳定性等进行了改进与优化，积累了大型焦炉稳产、长寿的实践经验。
3. 1 炉况管控操作的稳定
现代大型焦炉的炉况，对配合煤指标波动、热工制度变动、结焦时间变更以及大气环境变化等因素造成的影响反应十分敏感，必须确保这些外部因素条件的稳定性。
马钢焦化公司应用统计技术对 7. 63 m 焦炉实施流程管控，过程中的各个阶段均实施评估和监控。对焦炉主要运行技术参数进行检查评分，准确判断焦炉运行状况，有效地对焦炉工况进行多层次、全方面监控; 同时强化标准化作业，控制配合煤细度在 ( 73. 5 ± 0. 5) % ，保证焦炉的顺产稳产和焦炭质量稳定。
首钢京唐焦化公司开展单因子结焦时间方差分析，以最佳结焦时间来改善焦炭的冷热性能。三年来焦炭的抗碎强度保持在 90% 以上，耐磨强度在 5. 8% 以下，焦炭热强度也处于较好状态( 表 1) 。
沙钢焦化公司严格按照结焦曲线进行操作，确保稳定的结焦时间，合理编排出炉计划、减少非正常检修时间，规范热工管理。针对炼焦煤中水分偏高的难题，该公司投巨资修建 64 个贮煤筒仓，完善电子秤自动化配煤工艺，配煤准确率明显提高，焦炭质量得以改善，近三年来焦炭抗碎强度由 88. 0% 提高到 89. 2% 。
平煤神马集团首山焦化公司借鉴 6. 25 m 捣固焦炉的运行实践，攻破煤饼密度和装煤烟尘治理两大瓶颈: 研发出高效弹性轮和摩擦板，采用固定小间距的捣固锤及低噪音、抗磨损导向技术，对煤饼稳定性做了深入研究，将饼密度提高到 1. 1 t /m3 ，煤饼的高宽比达 13. 5，煤饼的技术参数见表 2。装煤车上设置可靠密封框，并借助相邻炭化室上升管 Prove 系统产生的负压，把烟气导入相邻炭化室，成功将 7. 63 m 顶装焦炉改造为捣固焦炉，并于 2013 年 10 月投产，该焦炉也成为世界上第一座特大型捣固炼焦炉，其成焦率达 75% ，单孔产焦在 50 t 以上，实现了煤源的多元化，降低了炼焦成本。
3. 2 热工指标的优化调节
焦炉热工管理包括压力和温度调节，焦炉压力制度和温度制度是热工管理的重要内容，压力制度和温度制度两者之间具有紧密的关系，对压力和温度各项参数指标必须勤测细调，并且做到实时监控、随时分析、及时调节，以压力制度的稳定性来保障温度制度的均匀性。
以 7. 63 m 焦炉为例，由于其加热水平低、三段空气加热及单个炭化室压力调节系统，导致炉顶空间温度 > 850 ℃，焦炭过火，直立砖煤气道窜漏。为解决此类问题，焦化企业均不同程度地进行了有益探索。
首钢京唐公司把 7. 63 m 焦炉加热水平调为 1 440 mm，沙钢公司调为 1 500 mm，首山公司调为 1 416 mm。马钢公司坚持装满煤，将煤线控制在 500 mm 以内; 适当降低标准温度，通过增大孔板直径降低加热煤气压力，减小煤气的喷射力、增大风门来加大空气过剩系数 α，炉顶空间温度降低到 860 ℃以下。由此，三年来煤焦油平均收率达 2. 847% ，粗苯收率达 0. 960% ，该指标是国内同类型焦炉最好水平。
武钢公司焦化在热工调节中，关闭了部分二三段空气口，稳定配合煤的水分、挥发分，适当扩大喷射板尺寸。对 20 多个窜漏砖煤气道进行灌浆密封，用半干法喷补技术做喷补处理。通过采用这些技术措施，焦炉的直行温度均匀系数 Kb 达到 0. 88。
3. 3 控制系统的可靠“智能”
大型焦炉各移动机车之间联锁性强，热工程序关联因素多，单台设备操作时间即使推迟几秒钟，也会导致下一工序设备被锁定，机车作业和焦炉加热 “智能化”系统的可靠性为焦炉的正常生产提供了可靠保障。
武钢公司为提高大型焦炉无线通讯质量，对天线的安装和调试都做了改进。将原来的天线高度降低，将双天线之间的距离加大，全向天线改为定向天线，开发出光电地址译码器。该脉冲编码器用于检测机车在两个码牌之间的绝对地址，实现自动走行定位。
首钢京唐公司焦炉在横向加热温度调节上，辅以“火落”智能化专家控制系统，自动判定焦炉火落温度，提高了焦炉日常生产及管理效率，相应的炼焦能耗降低 2. 91% 。
河南中鸿煤化公司 6 m 捣固焦炉的自动化加热控制系统( 图 1) ，建立多模式模糊控制模型。将“火落时间”作为焦炉加热的主要控制指标，立火道温度实现自动检测，其烟道吸力关系模型 Y = aX + b ( Y 为烟道吸力，X 为煤气压力，a 为系数 0. 04，b 为可调常数，单位 Pa) ，稳定调节煤气压力、烟道吸力、立火道温度等，压力温度控制稳定，提高了大型焦炉的自动化水平。
PROven 系统的关键介质是循环氨水，必须保持其洁净，为此，生产中除了加强管道清扫外，首钢京唐公司、太钢焦化公司还为循环氨水安装了过滤器，确保炭化室底部在结焦过程中保持微正压状态。
对大型焦炉来说，安全技术措施至关重要。太钢公司对焦炉加热设备的煤气短缺进行自动充氮、煤气超压自动放散、地下室光栅检测、CO 在线检测，以及焦炉四大车网络信号确认、速度自动调节。对这些本质化安全技术措施进行再优化，其可靠性在生产实践中得到充分检验，三年来冶金焦率由 89. 80% 提高到 90. 40% 。
4 结语
( 1) 大型焦炉在煤源利用、焦炭质量、节能减排等方面具有不可替代的优势，焦炉大型化也是必由之路。
( 2) 我国在大型焦炉管理实践中，总结积累了有益的技术管理经验，使其综合优势得到了充分体现。但是，7. 63 m 焦炉存在作业系数低、粗苯及煤焦油收率低的难题，需要业内下一步进行研究交流解决。
( 3) 大型焦炉的测量及调节方法，完全颠覆了传统 4. 3 m、6 m 焦炉的管理规定。7. 63 m 焦炉部分热工系数与传统计算方法相悖，亟需对现有技术管理规程进行系统修订，以建立适应我国大型焦炉生产技术管理的相关制度，促进大型焦炉技术管理的规范化。
来源：冶金之家
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