炼焦设备及工艺

一、焦炉发展概况

煤焦化技术的应用已有200多年的历史,其炉子的结构形式经历了许多变化。 初期炼焦仿造烧木炭的过程采用成堆干馏。18世纪中期,开始演变成砖砌的半封闭式长窑炉。1763年开始采用全封闭式圆窑即蜂窝炉。 成堆干馏和窑炉干馏共同的特点是内部加热,即炭化和燃烧在一起,靠燃烧一部分煤和干馏煤气直接加热其余的煤而干馏成焦。19世纪中期,焦炉技术发生转折性变革,从窑炉发展到外部加热的炭化室炼焦阶段,出现倒焰炉。 这种焦炉是将成焦的炭化室和加热的燃烧室用墙隔开,在隔墙上部设有通道,炭化室内煤的干馏气经此通道直接流入燃烧室,与来自燃烧室顶部风道的空气混合,自上而下地流动燃烧,这种炉子已经具备了现代焦炉最基本的特征。19世纪70年代建成了回收化学产品的焦炉,使炼焦走向生产多种产品的重要阶段。 此后不久,1883年建成了利用烟气废热的蓄热式焦炉,至此,焦炉在总体上基本定型。

二、焦炉的结构

1.焦炉炉型的分类

现代焦炉分类方法很多,可以按照装煤方式、加热用煤气种类、空气和加热用煤气的供入方式、燃烧室火道形式以及拉长火焰方式等进行分类。

(1)按装煤方式

有顶装焦炉和侧装焦炉。 侧装焦炉又称捣固焦炉。 捣固焦炉是先将炉煤用捣固机捣成煤饼,然后从焦炉机侧将煤饼送入炭化室内。 顶装焦炉是将装炉煤从炉顶经装煤孔装入炭化室,它又可以分为装煤车装煤焦炉、管道化装煤焦炉和埋刮板装煤焦炉。 各国主要采用装煤车装煤焦炉炼焦。 后两种焦炉用于预热煤炼焦。

(2)按加热用煤气种类

有复热式焦炉和单热式焦炉。 复热式焦炉既可以用贫煤气(热值较低)加热,又可以用富煤气(热值较高)加热,这种焦炉多用于钢铁厂和城市煤气。 单热式焦炉又可分为单用富煤气加热的焦炉和单用贫煤气加热的焦炉。

(3)按空气和加热用煤气的供入方式分类

有侧入式焦炉和下喷式焦炉。 侧入式焦炉加热用的富煤气由焦炉机、焦两侧的水平砖煤气道引入炉内,空气和贫煤气则从交换开闭器和小烟道从焦炉侧面进入炉内。 下喷式焦炉加热用的煤气(或空气)由炉体下部垂直进入炉内。

(4)按气流调节方式分类

有上部调节式焦炉和下部调节式焦炉。上部调节式焦炉从炉顶更换调节砖(牛舌砖)来调节空气和贫煤气量。下部调节式焦炉是更换小烟道顶部的调节砖来调节煤气量和空气量。

(5)按火道结构形式分类

可分为两分式、四分式、跨顶式和双联式等。

2.现代焦炉的结构

现代焦炉虽有多种炉型,但都有共同的基本要求:

(1)焦炉长向和高向加热均匀,加热水平适当,以减轻化学产品的裂解损失。

(2)劳动生产率和设备利用率高。

(3)加热系统阻力小,热工效率高,能耗低。

(4)炉体坚固、严密、衰老慢、炉龄长。

(5)劳动条件好,调节控制方便,环境污染少。

现代焦炉炉体由炉顶、炭化室和燃烧室、斜道区、蓄热室及烟道和烟囱组成,并用混凝土作焦炉炉体的基础。 其最上部是炉顶,炉顶之下为相间配置的燃烧室和炭化室。 斜道区位于燃烧室和蓄热室之间,它是连接燃烧室和蓄热室的通道。 每个蓄热室下部的小烟道通过废气开闭器与烟道相连。 烟道设在焦炉基础内或基础两侧,烟道末端通向烟囱。 如图2．2．1所示。

图2．2．1 焦炉炉体结构

(1)炭化室

炭化室是煤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。 炭化室顶部还设有1个或2个上升管口,通过上升管、桥管与集气管相连。

炭化室锥度:为了推焦顺利,焦侧宽度大于机侧宽度,两侧宽度之差叫作炭化室锥度。炭化室锥度随炭化室的长度不同而变化,炭化室越长,锥度越大。 在长度不变的情况下,其锥度越大越有利于推焦。 生产几十年的炉室,由于其墙面产生不同程度的变形,此时锥度大就比锥度小利于推焦,从而可以延长炉体寿命。

(2)燃烧室

燃烧室位于炭化室两侧,煤气和空气在这里混合燃烧加热炭化室。 燃烧室是焦炉温度最高区域,并在推焦时受机械撞击,故一般选用荷重软化点高,导热性好的硅砖砌筑。 燃烧室由若干火道组成,以便于控制从机侧到焦侧的温度分布。 同时,相邻火道隔墙也起着增加焦炉结构强度的作用。 对于双联火道带废气循环的焦炉,每对火道的隔墙上部有跨越孔,下部有废气循环孔。 废气循环是改善焦炉高向加热的主要措施之一。

(3)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,进入燃烧室的焦炉煤气、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,因此斜道区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。 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。 移动或更换不同厚度的牛舌砖可以调节进入火道空气。

(4)蓄热室

蓄热室位于斜道下部,通过斜道与燃烧室相通,是废气与空气进行热交换的部位。 在蓄热室里装有格子砖,当由立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,每隔一定时间进行交换进入冷空气,格子砖又将热量传递给空气。 在焦炉整个生产周期内,蓄热室就是这样不断交替进行着蓄热和放热的热交换。 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(空气或高炉煤气)被预热到1000℃以上,这样可以回收废热并提高煤气与空气在立火道内燃烧温度,使焦炉热效率提高。 一座没有蓄热室的废热室焦炉,大约要烧掉本身所发生焦炉煤气的80%;而带有蓄热室的焦炉一般只烧掉自身所发生焦炉煤气的45%左右。

(5)炉顶

炼焦炉炭化室盖顶砖以上的部位称为炉顶区。 在该区有装煤孔,上升管孔,看火孔,烘炉孔及烘炉道,拉条沟等。 烘炉孔只是在烘炉时使用,在焦炉即将投产以前,用涂有泥浆的塞子砖堵严。 炼焦煤一般由装煤孔装入炭化室。 捣固式焦炉是将预先捣制成的煤饼由机侧炉门推进炭化室。 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。

焦炉炉顶一般都用黏土砖砌成。 为了减少散热和改善炉顶操作条件,在炉顶区没有孔洞或不承受压力的部位,用绝热砖砌筑。 炉顶表面应用耐磨性好的缸砖砌筑。

(6)小烟道

小烟道位于蓄热室的底部,是蓄热室连接废气盘的通道,上升气流时进冷空气,下降气流时汇集废气。

(7)焦炉基础平台,烟道与烟囱

焦炉炉顶平台位于焦炉地基之上。 在焦炉炉幅方向的两端部都设有钢筋土的抵抗墙,抵抗墙上留有纵拉条孔。 焦炉砌在顶板基础平台之上,依靠抵抗墙及纵拉条紧固炉体。

烟道与烟囱虽不属于焦炉砌体的组成部分,炉体燃烧产生的废气通过烟道由烟囱排出。

炭化室中煤料在隔绝空气条件下受热变成焦炭。 一座焦炉有几十个炭化室和燃烧室相间配置,用耐火材料(硅砖)隔开。 每个燃烧室有20~30个立火道。 来自蓄热室的经过预热的煤气(高热值煤气不预热)和空气在立火道底部相遇燃烧,从侧面向炭化室提供热量。 蓄热室位于焦炉的下部,利用高温废气来预热加热用的煤气和空气。 斜道区是连接蓄热室和燃烧室的斜通道。 炭化室、燃烧室以上的炉体称炉顶,其厚度按炉体强度和降低炉顶表面温度的需要确定。 炉顶区有装煤孔和上升管孔通向炭化室,用以装入煤料和导出煤料干馏时产生的荒煤气。 还设有看火孔通向每个火道,供测温、检查火焰之用,根据检测结果,调节温度和压力。 整座焦炉砌筑在坚固平整的混凝土基础上,每个蓄热室通过废气盘与烟道连接,烟道设在基础内或基础两侧,一端与烟囱连接。

三、炼焦工艺

1.备煤

炼焦所用精煤,一方面由外部购入,另一方面由原煤经洗煤后所得,洗精煤由皮带机送入精煤场。 精煤经受煤坑下的电子自动配料称将四种煤按相应的比例送到带式输送机上除铁后,进入可逆反击锤式粉碎机粉碎后(小于3mm占90%以上),经带式输送机送至焦炉煤塔内供炼焦用。

2.炼焦

由备煤车间来的配合煤,经输煤栈桥皮带运输机运入煤塔,装煤车行至煤塔下方,由摇动给料机均匀逐层给料,用8组24锤固定捣固机分层捣实,然后将捣好的煤饼从机侧装入炭化室。 煤饼在标准温度下干馏,经过25．5h(设计能力)后,成熟的焦炭被推焦车从炭化室推出经拦焦车导焦栅落入熄焦车内,由熄焦车送至熄焦塔用低水分熄焦工艺熄焦,熄焦后的焦炭由熄焦车送至凉焦台,经凉焦后,由放焦刮板机放至皮带机输送至筛焦楼进行筛分装车或送焦场。 熄焦塔设自动控制器,通过高位水槽、气动阀、手动阀控制熄焦水量、水量分布和熄焦时间,保证红焦完全熄灭并达到要求水分。

干馏过程中产生的荒煤气经炭化室顶部空间、上升管、桥管入集气管。 在桥管用压力为0．2MPa,温度为78℃左右的循环氨水喷洒冷却,使700~800℃的荒煤气冷却到85℃左右,再经过吸气弯管和吸气管抽吸至冷鼓工段。 在集气管冷凝下来的焦油、氨水和荒煤气一起经吸气管到气液分离器分离后入冷鼓工段进一步处理。

焦炉加热用焦炉煤气由回炉煤气管道将净化后的煤气引入至焦炉地下室煤气预热器,预热后的煤气分别经过流量调节翻板加减旋塞、流量孔板、交换旋塞进入横管,再经异径四通、小流量孔板、立管和砖煤气道从焦炉下部喷入立火道。 同时空气经废气瓣、小烟道、篦子砖进入蓄热室与蓄热室中的格子砖换热,预热后的空气经斜道进入立火道,与煤气汇合使煤气在立火道燃烧。 相邻火道的部分燃烧废气经废气循环孔进入立火道底部,将煤气与空气冲淡实现拉长火焰,使高向加热更加均匀合理。 燃烧室标准温度根据焦饼中心温度确定。

装煤过程中逸散的荒煤气在高压氨水的作用下,由炉顶设的导烟车通过车上的连通管导入炭化室共同通过各自的上升管导入集气槽。 另外,机侧炉门顶部装煤过程中逸散的荒煤气通过顶部设置的排烟装置导入地面除尘站的除尘系统进行处理。

赤热的焦炭从炭化室推出后跌落入熄焦车,推焦过程产生的烟气及焦尘通过拦焦车上的集尘罩收集后通过接口阀、除尘管道导入除尘地面站进行处理。

燃烧后的废气通过立火道顶部跨越孔进入下降气流的立火道,再经过斜道进入蓄热室,由格子砖把废气的部分显热吸收后,经小烟道、废气开闭器、分烟道、总烟道、烟囱排入大气。炼焦、熄焦工艺流程如图2．2．2、图2．2．3所示。

3.冷鼓

由焦炉送来的80~83℃的荒煤气,沿吸煤气管道入气液分离器。 经气液分离后,煤气进入初冷器进行两段间接冷却;上段用32℃循环水冷却煤气,下段用16~18℃低温水冷却煤气,使煤气冷却至22℃,然后经捕雾器入电捕焦油器除去悬浮的焦油雾后进入鼓风机,煤气由鼓风机加压送至脱硫工段。 在初冷器下段用含有一定量焦油、氨水的混合液进行喷洒,以防止初冷器冷却水管外壁积萘,提高煤气冷却效果。

由气液分离器分离出的焦油氨水混合液自流入机械化氨水澄清槽,进行氨水、焦油和焦油渣的分离。 分离后的氨水自流入循环氨水中间槽,用泵送到焦炉集气管喷洒冷却荒煤气,多余的氨水(即剩余氨水)送入剩余氨水槽,焦油自流入焦油中间槽,然后用泵将焦油送至焦油贮槽,静置脱水后外售,分离出的焦油渣定期用车送至煤场掺入精煤中炼焦。

4.脱硫

来自冷鼓工段的粗煤气进入脱硫塔下部与塔顶喷淋下来的脱硫液逆流接触洗涤后,煤气经捕雾段除去雾滴后全部送至硫铵工段。从脱硫塔中吸收了H2S的脱硫液送至再生塔下部与空压站来的压缩空气并流再生,再生后的脱硫液返回脱硫塔塔顶循环喷淋脱硫,硫泡沫则由再生塔顶部扩大部分排至硫泡沫槽,再由硫泡沫泵加压后送熔硫釜连续熔硫,生产硫黄外售。 熔硫釜内分离的清液送至溶液循环槽循环使用。

5.蒸氨

来自冷鼓工段的剩余氨水经与从蒸氨塔底来的蒸氨废水在氨水换热器中换热并加入含Na OH40%的碱液后,进入蒸氨塔。 在蒸氨塔中被蒸汽直接蒸馏,蒸出的氨汽入氨分缩器,冷凝下来的液体入蒸氨塔顶作回流,未冷凝的氨汽进入氨冷凝冷却器冷凝成浓氨水送至脱硫工段溶液循环槽作为脱硫补充液。 塔底排出的蒸氨废水在氨水换热器中与剩余氨水换热后入废水槽,由废水泵加压送废水冷却器冷却后再送生化处理。冷凝下来的液体入蒸氨塔顶作回流,未冷凝的氨汽进入氨冷凝冷却器冷凝成浓氨水送至脱硫工段溶液循环槽作为脱硫补充液。 塔底排出的蒸氨废水在氨水换热器中与剩余氨水换热后入废水槽,由废水泵加压送废水冷却器冷却后再送生化处理。

图2.2.2 炼焦、煤焦工艺流程（一)

图2.2.3 烧焦工艺流程图（二）

6.硫铵

由脱硫及硫回收工段送来的煤气经煤气预热器后进入喷淋式饱和器上端的喷淋室,在此煤气与循环母液充分接触,使其中的氨被母液吸收,煤气经饱和器内的除酸器分离酸雾后送至洗脱苯工段。 在饱和器的母液中不断有硫铵晶体生成,用结晶泵将其连同一部分母液送至结晶槽分离,然后经离心机分离、螺旋输送机输送至振动流化床干燥器干燥后入硫铵贮斗贮存、称重、包装后外售。 在饱和器下段结晶室上部的母液,用循环泵连续送至上段喷淋室喷洒,吸收煤气中的氨,并循环搅动母液以改善硫铵的结晶过程。 喷淋室溢流的母液入满流槽,将少量的酸焦油分离,分离酸焦油后的母液入母液贮槽,经母液喷洒泵加压后送喷淋室喷淋。 分离的酸焦油送备煤工段。 振动流化床干燥器排出的尾气经旋风除尘器捕集夹带的细粒硫铵结晶后,由风机送至水浴除尘器进行湿式再除尘,最后排入大气。

7.洗脱苯

来自硫铵工段的煤气经终冷塔与上段的循环水和下段的制冷水将煤气冷却至25℃左右,然后从洗苯塔底部入塔由下而上经过洗苯塔的填料层,与塔顶部的循环洗油逆流接触,煤气中苯被循环洗油吸收,再经过塔顶捕雾段脱除雾滴后离开洗苯塔,其中一部分作回炉煤气,另一部分送粗苯管式炉、燃气锅炉、生活区等作燃料,其余全部放散点火燃烧后排空。

洗苯塔底部的富油经富油泵送至粗苯冷凝冷却器与脱苯塔顶出来的粗苯油水混合气换热将富油预热至60℃左右,然后进油油换热器与从脱苯塔底出来的热贫油换热由60℃升至100℃左右,最后进入粗苯管式炉将富油加热至180℃左右,大部分进脱苯塔,一少部分进再生器进行再生,确保循环洗油质量,饱和蒸汽进入管式炉,使过热蒸汽温度达到350~400℃后进再生器,再生器顶部的混合气体送到脱苯塔作热源。

从脱苯塔顶出来的油水混合气进入粗苯冷凝冷却器被从洗塔底来的富油和16℃制冷水冷却至30℃左右,然后进入油水分离器进行分离,分离出的粗苯进粗苯回流槽,部分粗苯经回流泵送至脱苯塔塔顶作回流,其余部分进入粗苯贮槽。

由粗苯油水分离器分离的油水混合液进入控制分离器,在此分离出的洗油自流至地下放空槽,分离出的水进入冷凝液贮槽。

脱苯后的热贫油从脱苯塔底部流出,自流入油油换热器,与富油换热,使其温度降至90℃左右,再经一段贫油冷却器冷却后,送入贫油槽,并由贫油泵打至贫油二段冷却器,然后送洗苯塔循环使用。 在洗苯、脱苯的操作过程中,循环洗油的质量逐渐恶化,为保证洗油质量,采用洗油再生器将部分洗油再生。

8.污废水处理工艺流程

废水处理由3部分组成:预处理、生化处理和后处理。 预处理包括除油池、气浮池和调节池。 生化处理包括厌氧反应器、缺氧池、好氧池、中沉池、接触氧化池和二沉池。 后处理包括混合反应池、混凝沉淀池和过滤器。

蒸氨废水和经过水泵提升的无压废水,首先进入除油池,除去轻重油后自流入气浮池。废水在气浮池中除去乳化油后进入调节池,以调节水量,均化水质。 经过调节池的废水再经提升泵送至厌氧反应器,进行水解酸化反应,以提高废水的可生化性并降解部分有机物。 厌氧反应器出水进入硝化液回流池并与从中沉池出水回流的消化液相混合,再经回流泵提升至缺氧池进行反硝化反应,将亚硝酸氮和硝酸氮还原为氮气,并同时降解有机物。 缺氧池出水进入好氧池进行脱碳和硝化反应,废水在硝化池中首先大幅度降解有机物,然后将氨氮氧化为亚硝酸氮和硝酸氮。 好氧出水进入中沉池,进入固液分离,上清液大部分回流。 中沉池出水进入接触氧化池进一步降解有机物,然后进入终沉池进行沉淀,出水经提升泵送至过滤器进行过滤,过滤器出水送至厂内回用。