焦炉及炼焦工艺方法 【技术领域】
本发明涉及冶金炼焦领域，特别涉及焦炉结构和炼焦工艺的改造技术。
背景技术
炼焦工业的主要产品-焦炭、煤气和煤焦油等化学产品是冶金、机械、化工、城市煤气等行业的重要原材料。中国是当今世界焦炭生产、消费和出口第一的大国。炼焦行业已成为我国国民经济中具有十分重要作用的一大产业。
炼焦炉从初期的蜂巢炉到今天的大型现代化焦炉，已经历了200多年的历史。传统蓄热室焦炉由三室两区组成，即炭化室、燃烧室、蓄热室、斜道区、炉顶区和基础部分。焦炉炉体最上部是炉顶，炉顶之下为相间配置的燃烧室和炭化室，炉体下部有蓄热室和连接蓄热室和燃烧室的斜道区，每个蓄热室下部的小烟道通过交换开闭器与烟道连接。烟道设在焦炉基础内或基础两侧，烟道末端通向烟囱。当今世界上普遍使用的焦炉已经历了100多年历史。
现有焦炉的炼焦工艺过程：配合煤装入炼焦炉炽热的碳化室内，按规定时间进行隔绝空气加热。期间，煤料经过了干燥、预热、热解、熔融、粘结、固化、收缩等阶段最终炼制成焦炭。这时，焦饼中心温度达到950～1050℃。焦炭成熟后被推出炉外，煤气和化学产品则以成分复杂的荒煤气形式由炭化室逸出，经上升管和集气管排出并送往化产回收车间。
目前炼焦工业存在很多问题，甚至已影响到行业的生存，主要表现在：
1)对炼焦煤质量要求过高。现代炼铁对焦炭质量要求日益提高，为满足这种要求需要大量优质炼焦煤，而目前世界上优质炼焦煤资源有限且不可再生；
2)污染严重。炼焦过程产生大量含有有毒物质的燃烧烟气和废水，严重危害人类健康和生存环境，而这种有毒的燃烧烟气和废水很难处理。正因如此，发达国家将焦化产业大量向发展中国家转移，尤其是中国；
3)能耗高。尽管现代焦炉热效率在80％以上算比较高的，但热工效率只有70％多，真正有用热量不超过50％。
4)焦化厂生存压力大。炉体结构复杂，同时工艺过程中产生大量难以控制的污染物，并必须控制。因此总体投资和运行成本高，加大了焦炭成本。
【发明内容】
本发明目的是要解决现有炼焦工业能耗高，污染严重，需要优质炼焦煤和炉体结构复杂，投资、运行和管理成本高等问题其中的至少一个。
本发明提供一种焦炉，该焦炉包括：
位于焦炉炉体上部的干燥预热室，用于炼焦的煤从上部装入所述干燥预热室，煤在所述干燥预热室内被干燥预热；
位于焦炉炉体下部的燃烧室和炭化室，燃烧室燃烧产生的热量加热炭化室，而在干燥预热室被干燥预热后的煤进入炭化室进行干馏以得到焦炭，并产生荒煤气。
位于干燥预热室之下，燃烧室和炭化室之上的换热室，煤气空气在换热室与高温烟气换热后被预热。
根据本发明的一个方面，本发明的焦炉还可包括：焦炉炉体的下部的焦炉基础，设在焦炉中部两侧的烟道，给煤干燥预热后的烟气经所述烟道排出。
所述换热室内，从外部输入的煤气和空气与来自燃烧室的高温烟气进行热交换，被预热后，进入燃烧室燃烧，空气和煤气燃烧产生高温烟气；所述高温烟气将部分热量传给炭化室的煤，然后进入换热室将空气和煤气预热。
所述燃烧室和炭化室可为相间配置。
所述干燥预热室与炭化室之间可由放煤管道相连。
所述放煤管道可以包括放煤阀。
干燥预热室内可以设换热管道以干燥、预热煤。
干燥预热室内的换热管道可以与换热室管间、燃烧室是相通的，从而使用所述高温烟气预热煤气/空气后干燥预热所述干燥预热室内的煤。
换热室内可以并行布置煤气/空气管道，所述煤气/空气管道外烟气自下而上与煤气/空气管道内煤气和空气进行热交换。
本发明还提供一种使用焦炉炼焦的炼焦工艺方法，该焦炉包括：
位于焦炉上部的干燥预热室
位于干燥预热室之下的换热室；
位于干燥预热室之下的燃烧室和炭化室；
所述工艺方法包括：
用于炼焦的煤从焦炉炉体上部装入所述干燥预热室；
煤在所述干燥预热室内被干燥预热；
在干燥预热室被干燥预热后的煤进入炭化室进行干馏以得到焦炭，并产生荒煤气。
在本发明的换热室内，从外部输入的煤气和空气与来自燃烧室的高温烟气进行热交换，被预热后，进入燃烧室燃烧，空气和煤气燃烧产生高温烟气；所述高温烟气将部分热量传给炭化室的煤，然后进入换热室将空气和煤气预热。
所述燃烧室和炭化室可以为相间配置。
所述干燥预热室与炭化室之间可以由放煤管道相连。
所述放煤管道可以包括放煤阀。
干燥预热室内可以设换热管道以干燥、预热煤。
干燥预热室内的换热管道可以与换热室管间、燃烧室是相通的，从而使用所述高温烟气预热煤气/空气后干燥预热所述干燥预热室内的煤。
换热室内可并行布置煤气/空气管道，所述煤气/空气管道外烟气自下而上与煤气/空气管道内煤气和空气进行热交换。
本发明提出的焦炉为两段换热式结构，改变了传统焦炉的炼焦工艺，达到解决现有焦炉存在问题目的。
【附图说明】
图1是本发明的焦炉的结构简图。
图2是本发明的焦炉地流程图。
图3是煤水分与堆密度的关系图。
图4是煤预热温度与结焦时间关系图。
【具体实施方式】
下面结合附图具体举例描述本发明的实施例。
图1是本发明的焦炉的结构简图。其中，该焦炉包括位于焦炉炉体上的干燥预热室1；位于干燥预热室1之下的换热室2；位于换热室2之下的燃烧室-炭化室3，燃烧室-炭化室3包括燃烧室9和炭化室10，燃烧室9和炭化室10为相间配置；焦炉炉体的下边是焦炉基础。
干燥预热室1与炭化室10之间由放煤管道相连，放煤管道包括放煤斗5(可能不设)和放煤阀6。
干燥预热室1内设换热管道4以干燥、预热煤。
换热室2内可并行布置煤气/空气管道7，管外烟气自下而上与管内煤气和空气进行热交换。
如上所述，在炉体上部布置干燥预热室1，中间是换热室2，下部是燃烧室-炭化室3，形成干燥预热室1、换热室2和燃烧室-炭化室3一体化的立式结构设计。干燥预热室1与炭化室2之间由放煤管道相连。炉体上部干燥预热室1、放煤管道2与炉体下部炭化室10对应。干燥预热室1内设换热管道4干燥、预热煤；换热室2内设煤气/空气管道7，管外烟气预热煤气/空气管道7内的空气、煤气；燃烧室-炭化室可以采用传统结构。
因此，本发明的焦炉与传统焦炉不同。在传统焦炉中，煤的干燥、干馏过程都是在炭化室内完成。而本发明的焦炉内则分干燥预热和干馏两步完成：首先煤在干燥预热室1内脱水、干燥(煤含水量可降至0％)，同时被预热到一定温度。在此过程中，煤中的水分转化成平均温度不超过150℃的蒸汽。入炉煤在干燥预热室1内预热到150～250℃，然后由放煤阀6控制经输煤管道流入炭化室10进行干馏完成结焦，并产生荒煤气。
因此，本发明人将本发明的焦炉称为：换热式两段焦炉。
本发明的换热式两段焦炉中，用换热室取代传统焦炉中的蓄热室，将目前的炭化室分离出一个干燥预热室，形成干燥预热室-炭化室两段结构。将现有的煤干馏过程分解为：先将煤在干燥预热室内干燥预热，然后在炭化室进行干馏。
在燃烧室9内，预热后的空气和煤气燃烧产生高温烟气，将部分热量通过炉墙传给炭化室10的煤料，高温燃烧烟气降至1200～1300℃，进入换热室2。在换热室2内，常温空气和煤气被高温烟气预热到700～900℃，进入燃烧室9燃烧；换热后，燃烧烟气降至400～600℃，进入干燥预热室。在干燥预热室内，煤被干燥预热至150～250℃，燃烧烟气降至200～300℃排出。
换热式两段焦炉炼焦与现有焦炉炼焦有以下不同：
换热式两段焦炉 现有焦炉
煤料从预热到成焦 两段完成 一段完成
煤气产生的热量 三次换热 两次换热
采用如上所述的换热式两段焦炉可实现以下过程：1)煤的干燥预热及干馏；2)燃烧产生的燃烧烟气与空气、煤气及煤料间的换热。具体流程如图2所示。
图2是本发明两段换热式焦炉的流程图。其中的箭头表示：
短横虚线表示空气、煤气的流向，点虚线表示燃烧烟气的流向，实线箭头表示煤、焦炭及荒煤气的流向。
传统焦炉中，煤的干燥、干馏过程都是在炭化室内完成。两段换热式焦炉内则分干燥预热和干馏两步完成：首先煤在干燥预热室内脱水、干燥(煤含水量可降至0％)，同时被预热到一定温度。在此过程中，煤中的水分转化成平均温度不超过150℃的蒸汽。入炉煤预热到150～250℃，然后由放煤阀控制经输煤管道流入炭化室进行干馏完成结焦，并产生荒煤气。
在燃烧室内，预热后的空气和煤气燃烧产生高温烟气，将部分热量通过炉墙传给炭化室的煤料，高温燃烧烟气降至1200～1300℃，进入换热室。在换热室内，常温空气和煤气被高温燃烧烟气预热到700～900℃，进入燃烧室燃烧；换热后，燃烧烟气降至400～600℃，进入干燥预热室。在干燥预热室内，煤被干燥预热至150～250℃，燃烧烟气降至200～300℃排出。
本发明与传统炼焦技术相比所具有的有益效果在于：
(1)实现了预热煤炼焦，能改善焦炭质量或增加劣质煤(气煤等)用量：本发明可实现预热煤炼焦，进入炭化室的煤水分为0，并且达到一定温度(通过干燥预热，煤的含水量可降至0％，煤的干基堆密度达0.9t/m3，如图3所示)，与同一煤料的煤炼焦相比(含水10％的炼焦煤干基堆密度为0.75t/m3)，所得到的焦炭真比重大，气孔率低，抗碎强度、耐磨强度高，反应性低，反应后强度大，40～80毫米的粒级百分率增加，平均粒径也大。对于规定的焦炭质量指标，预热煤炼焦可增加劣质煤——高挥发份弱粘煤(如气煤)的配用量，从而扩大炼焦煤源，降低炼焦成本。
(2)减少环境污染：预热煤炼焦不含外在水分，经计算剩余氨水量可减少90％，酚氰污水可减少2/3；由于两段换热式焦炉煤首先装入温度较低的干燥预热室，避免了蓄热式焦炉的装煤污染，可以取消现有焦炉复杂的装煤除尘系统。
(3)炼焦耗热量降低，节约能源：本发明采用干燥预热煤炼焦，占煤料10％左右的水不进入焦炉炭化室，相对传统工艺，水蒸汽离开煤料的温度降低，同时由于结焦时间缩短，炉体散热量减少，炼焦煤气消耗量减少相应的燃烧烟气热损失减少，所以总的耗热量可以降低18％以上。
(4)提高焦炉生产能力或减少焦炉孔数：预热煤炼焦时，由于在炭化室需要的热量少，传热速度快，结焦时间大为缩短，如图4所示，当火道温度不变时，煤炼焦时间需18.5小时，而预热到250℃的煤，结焦时间可缩短至12.5小时，即可增产30％。若考虑堆密度的增加，焦炭生产能力提高的幅度将更大，一般可达35％～40％。加以预热煤堆密度大，使焦炉生产能力显著提高。当生产能力既定时，还可以减少炭化室孔数。
(5)结构简单容易操作：本发明取消了常规焦炉的蓄热室，同时也取消了加热交换系统，不仅简化了整个炼焦系统，而且可以减少大量生产操作。并且可以取消机、焦侧操作台，调整推焦机的高度，简化装煤车等。这些都将大量减少投资，简化生产操作。
(6)其他：本发明还具有炉墙温度骤变小，可延长炉体使用寿命；出焦位置低，有利于拦焦的烟尘控制；不需要平煤，消除了平煤的污染；荒煤气露点降低，可减少初冷器面积等优点。
下面描述本发明的换热式两段焦炉的具体操作工艺。
本发明的工艺包括煤的干燥预热、干馏形成焦炭的过程，和空气煤气燃烧及烟气换热系统的过程。
首先描述煤的干燥预热、干馏形成焦炭。如图1所示并结合图2，煤从干燥预热室1上部装入，在干燥预热室1内脱水干燥，并被预热到150～250℃；煤中的水分转化成平均温度不超过150℃的蒸汽，煤中的水分含量可降至0％。预热后的煤经放煤斗5，由放煤阀6控制，经输煤管道8流入炭化室10干馏，完成结焦，并产生荒煤气。煤在干燥预热室中的干燥预热时间与在炭化室中的干馏时间是一致的。
空气煤气燃烧及烟气换热系统的过程如下。如图1所示并结合图2，常温煤气和空气经过配套输送设备(未示出)进入换热室2，换热室2内并行布置煤气/空气管道7，管外烟气自下而上与管内煤气和空气进行热交换。常温煤气和空气在换热室2的煤气/空气管道7被预热后，进入燃烧室9顶部燃烧，燃烧产生的高温烟气在立火道内循环的过程中将部分热量通过炉墙传给炭化室10的煤料。降至1200～1300℃的燃烧烟气进入换热室2，将常温煤气和空气预热到700～900℃。降至400～600℃的燃烧烟气进入干燥预热室1的换热管道4，将煤干燥预热至150～250℃。最后降至200～300℃的燃烧烟气经集气道由烟囱排出。
本发明已经结合具体实施方式进行了描述。本领域技术人员理解本发明并不限于具体实施例中描述的方式，本发明的保护范围由权利要求限定。