副产品焦炉炼焦工艺提升关键技术深度解析

炼焦煤在副产品焦炉炉群中转化为焦炭。炼焦过程在隔绝空气条件下加热破碎炼焦煤混合料，驱除挥发分。产出焦炭为硬质多孔碳材料，用于高炉还原铁质原料。副产品焦炉同步回收焦炉煤气、硫酸铵、焦油、油类等挥发化学品。近三四十年开发多项技术，实现：(i) 劣质煤入配煤；(ii) 炼焦工艺大幅改进；(iii) 冶金焦质量提升；(iv) 产率提高；(v) 废热回收；(vi) 炉群排放控制改善。主要技术如下。

煤选择性破碎

煤为非均质材料，组分硬度不同，机械破碎（采矿必然破碎或炼焦制备破碎）中脆弱组分富集细粒级、坚硬组分富集粗粒级，各级配焦性能预期不同，触发选择性破碎概念：控制配煤中不同组分破碎程度。适用于岩相学非均质煤种。

理论合理，旨在控制不同组分破碎度，改善煤中活性/惰性组分均匀性。活性组分主要为镜质组分，最软；矿物质最硬。常规集中破碎中镜质组分破碎相对更细。为生产高质焦炭，宜将矿物质破碎得比镜质组分更细，使煤料软化时矿物质更好同化，增强强度。通常分煤种单独破碎实现。

选择性破碎系统含：缓冲仓、破碎站、配煤站、混煤机，输煤至焦炉煤塔。皮带机从煤场送煤至缓冲仓，缓冲煤场大流量与破碎站小流量差异。破碎站按煤种单独破碎、单独设定破碎机参数。破碎后送配煤站，各煤种分仓储存，按煤种数量及配煤比例设计仓数规格。配煤仓下游经称重给煤机按比例喂入出料皮带。配煤站后送混煤机，添加剂（油、水、焦粉等）在混煤机前上游转运溜槽加入。混煤机均质化混合。混合后送煤塔。煤水分测定在煤塔末端皮带机上游。图1展示选择性破碎基本概念。

图1 选择性破碎基本概念

概念中破碎机参数按煤种预设自动切换，可依配煤组分实现各煤种最优粒度，随时响应煤质变化。如弱粘结煤破大粒度降比表面；高惰性软粘结煤按配煤比破细粒度。混合煤比混合破碎更均质，惰性/活性成分均匀分布不集中于特定粒级，减少焦炭脆弱点，避免惰性分布不均导致收缩差异。

破碎前预筛分

推荐增设破碎前预筛分工序。多数原煤30-50%粒度<3mm无需再破碎。除去细粒级可大幅降低破碎机产能需求，且细粒级比例控制更有效。细煤分离可用气力分级机或翻转筛（弛张筛）。额外投资部分由破碎机产能降低补偿。

减少细颗粒有效降低配煤平均粒径、提高堆积密度、正向提升焦炉产率。降低比表面改善配煤焦化性能，允许提高劣质炼焦煤配比。

加油调节

加少量油（0.1-0.5%）调节配煤堆积密度，对焦炭性能有正向效应。为补偿<0.5mm颗粒增加致堆积密度降低而加油时，煤气压力不同步上升；粒度分布恒定时，加油反而微降煤气压力。多次试运证实室内流动特性改善，可实现更均匀室内煤分布、恒定煤线、减少顶煤溢出，致使溢煤减少、全室煤均匀炭化。优化热耗，避免煤上方集气空间过热（>850℃裂解反应生成碳沉积）。

煤水分控制（CMC）

将煤干燥至恒定水分水平，现为通用配置。恒定水分保障焦炉稳定运行。混合站后用旋转管式干燥机或流化床干燥机干燥，利用焦炉煤气余热干燥炼焦煤。

入炉配煤水分通常8-10%，CMC干燥至~6%，降低焦炉燃料消耗。焦炭用焦炉煤气热值、低压蒸汽或其他废热干燥。图2示意CMC流程。

图2 煤水分控制示意图

CMC效益：(i) 省燃料~71,700 kcal/t；(ii) 焦炭质量提升1.7%；(iii) 焦炭产量增~10%；(iv) 炼焦周期缩短；(v) 水污染减少。

另一有利但未实施方案：气力分级除细煤+破碎站前气流预干燥合一工序，兼具预筛分预干燥优势，基础设备市场有售但煤处理厂未实用化组合应用。

捣固装煤

高炉喷吹煤粉普及要求更高焦炭质量。炼焦煤成本上升、价格波动、相对可得性差，迫使引入廉价煤入配煤，推动捣固装煤技术应用（原为高挥发分差粘结煤开发）。

装煤制备：金属箱内压制煤饼，再装入焦炉。更高装煤密度意味着比常规装煤更好焦炭质量。视情况可获更好焦炭质量，或掺入弱粘结煤。

捣固使装煤堆积密度增30-35%至~1150 kg/m³。需>90% <-3mm、40-50% <-0.5mm破碎以成稳定煤饼。捣固装煤可用~20%低阶弱粘结高挥发分煤，但高密度装煤可能增大炉墙压力，须通过高低挥发分煤最优平衡精选配煤保护耐火砖墙。

捣固工艺20世纪初即用于西里西亚/波兰百年历史。早期捣固站设双炉间隙，稻草作煤饼强度助剂（粘结剂），专用装煤车/推焦机从后装入。捣固焦炭更致密大块，适合对强度敏感的铸造铁作。另一优势：适用煤种范围大幅扩展，挥发分与粘结性限制大幅放宽。

现代工艺在德国福斯滕豪森焦化厂、福克林根发展，聚焦高挥发分煤应用。1978年攻关突破首产6米高煤饼，克服经济应用瓶颈。1984年德国首装此规模投产。常规槽炉与非回收/热回收焦炉均采用此技术。

核心：细碎煤经机械捣固成稳定煤饼于炉外，再装入炉内炭化。捣固装煤通过物理捣固压实煤饼提高装煤堆积密度。煤饼尺寸近似炉膛，经捣固装煤推焦机（落锤捣固）完成。捣固设备可设专用建筑或装煤推焦机上。工艺：特定粒度煤混合料分三等层装入水平钢箱，覆盖全表面落锤板每层捣固振动2分钟，支撑箱到炉转运。亦可垂直捣固并施加振动助颗粒就位。细粒度要求不如常规捣固严苛。

两关键方面：(i) 致密化；(ii) 力学性能。致密化服务炭化，越密焦炭质量越好（兼顾冷态机械强度与高温行为）。力学性能须支撑煤饼转运装炉。

致密化启动时煤颗粒屈服填充间隙，表面水分降内摩擦助颗粒重排。进一步应变发生弹塑性变形、颗粒破碎填充微孔。孔隙减小、孔隙水饱和度升产生阻尼效应。除毛细水影响致密化，表面水作为粘结剂形成粘结力决定致密块力学性能。工艺工程学上捣固煤饼称湿团聚体，特征为毛细孔隙液桥粘结力。

目标湿密度1100-1150 kg/m³，取决于配煤水分粒度、压实能量。煤力学性能也有影响。湿密度随水分6-13%连续升高，更高水分压实能耗用于排水。配煤水分粒度为达成转运装炉强度的两关键变量，操作变量为压实能量，相关力学性能为抗压强度和剪切强度。

煤饼装炉技术随焦炉设计（垂直槽炉或水平非回收/热回收焦炉）不同。垂直焦炉经推焦侧门装饼，高排放。为降排放试验多种系统，尤密封框，但仅部分降低不能消除。新炉群近期采用方案：装煤阶段集气管制造强负压（-400Pa），非装煤时设名义负压，推焦前切换高负压设定点。

配煤规格通常含：25-32%挥发分（干燥无灰基）、自由膨胀指数≥3。但规格随煤源成本变化。个别厂掺入石油焦、焦粉。

捣固装煤优势：(i) 产量增8-10%（高堆积密度）；(ii) 焦炭强度提升（Micum、CSR值），炭化时煤颗粒紧密堆积，产出焦炭更致密、更小、粒度更均匀。

大室顶装焦炉

大室焦炉高7.6m，代表焦化厂最先进成熟技术。表1对比7.6m大室顶装焦炉与6.25m焦炉（年产190万吨焦炭基准）：

表1 大室焦炉与6.25m焦炉对比
项目	单位	大室焦炉	6.25m焦炉
年产量	吨	1,900,000	1,900,000
炉高	m	7.6	6.25
炉宽	mm	550	410
炉容积	m³	~79	~40
炉群数	座	2	4
焦炉数	座	118	160
日出焦次数	次	116	226
焦炉门	扇	236	320
装煤盖	个	472	640
升管盖	个	118	160
操作机组套数	套	1	2
炉龄对比
项目	单位	大室焦炉	6.25m焦炉
炼焦时间	小时	24.5	17
日出焦次/炉	次	0.98	1.41
年出焦次/炉	次	358	515
预期炉龄（单炉16000次出焦）	年	44.6	31

大室焦炉日出焦次少，仅需1套操作机运行，6.25m需2套，优势：(i) 操作机投资成本降；(ii) 运行成本降。按单炉寿命周期出焦次测算，大室焦炉预期寿命显著延长。

每加热墙由38个加热烟道组成，配置：(i) 双烟道部分废气循环低NOx产生；(ii) 三级错位进风口最小化NOx生成并保持垂直温度分布；(iii) 混合煤气空气流量经再生室底部调节板轻松调节。

高压氨水吸引系统

高压氨水吸引系统有效控制焦炉装煤排放。副产品氨水加压至35-40 kg/cm²，装煤时经鹅颈专用喷嘴喷射，在炉内产生足够吸力保留污染物防大气逸散。系统含：高压多级增压泵、坚固管路、专用喷嘴、阀门、控制仪表。节约工艺蒸汽、增加原煤气产率。

焦炭干熄焦（CDQ）

干熄焦替代传统湿熄焦，是焦炉生产中节能工艺。干熄焦厂亦称干冷焦厂。传统湿熄焦：出焦红热焦炭喷水冷却，水汽化排入大气。问题：红热焦炭热能转化为蒸汽汽化排放未利用，能量损失；产生飞扬焦粉，高CO₂排放与热能损失。

湿熄焦中红热焦炭显热散失大气。伴随飞扬排放（0.5t蒸汽/t焦，含苯酚、氰化物、硫化物、粉尘）和大量水耗（~0.6m³/t焦），污染物随水排入环境。

干熄焦厂：红热焦炭在专用耐火衬里钢冷却室经逆流循环惰性气体闭路冷却，回路含冷却室、收尘室、余热锅炉、除尘旋风分离器、磨机风机、鼓风装置、循环风道。红热焦炭热能在余热锅炉回收产蒸汽，实现节能与减少焦粉排放。表2对比两工艺焦炭典型性质：

表2 两工艺产出焦炭典型性质对比
序号	参数	单位	湿熄焦	干熄焦
1	水分	%	2-5	0.1-0.3
2	灰分	%	11.35	11.39
3	挥发分	%	0.5	0.41
4	平均粒径	mm	65	55
5	焦末率（-15mm筛分后）	%	10	13
6	孔隙率	%	49	48
7	鼓指数	%	83.5	85
8	焦炭反应后强度（CSR）	%	58	60

出焦红热焦炭经底开式料斗装熄焦车送干熄焦厂。料斗经起重/装料装置提升至干熄焦室顶部，装料装置卸入前室。红热焦炭（~1000-1100℃）在室内经循环气体逆流冷却：气体上升、焦炭重力下降。连续运行循环气体为混合气，主N₂含少量CO₂、CO、H₂。焦炭下降中经下部吹出循环气冷却至<200℃，底部卸料装置排出。焦炭室内通过时间~5-6小时。

高温循环气（~800-850℃）经冷却室换热后经初级除尘入锅炉。锅炉换热后气温降至~180℃。锅炉产蒸汽作工艺通用蒸汽或转过热高压蒸汽驱动汽轮发电机发电。

循环气经二级除尘入循环鼓风机增压，补N₂修正成分，自底部喷入干熄焦室。必要时装副省煤器降气温至~130℃提升冷却效率。辅助设施：切焦装置切出室内焦炭、循环惰性气除尘系统、鼓风机前二级除尘器。图3展示干熄焦流程图。

图3 干熄焦工艺流程图

干熄焦中红热焦炭经闭路循环气冷却，防飞扬焦粉释放。常规湿熄焦损失的红热焦炭热能被收集复用为蒸汽。技术少用化石燃料、降CO₂排放，助缓解全球变暖。因高效回收能量与减污染特性，干熄焦厂获全球高度关注，被视为应对CO₂全球变暖和大气污染的必备设施。研究按现有干熄焦运行测算：煤炭化产生废热85%被干熄焦回收。干熄焦亦提升焦炭强度。其他优势：减温室气体排放、提高用水效率。

现代零泄漏焦炉门

焦炉漏门是主要污染源。炉门设计经历从泥浆门到现代自调零泄漏门演进。零泄漏门关键特征：(i) 薄不锈钢膜片+刀刃密封框内置门体与砖挡板间；(ii) 刀刃弹簧加载自密封；(iii) 门体风冷；(iv) 大尺寸煤气通道利于炉内气体循环。优势：最小化漏门、免调节运行、风冷门体少变形寿命长、维护减少。

陆基推焦排放控制系统

推焦排放含大量焦粉（~占焦炉总污染物11%）。陆基推焦控制系统治理此污染。含：(i) 固定焦侧导车大吸罩随导车移动导烟入焦侧收尘风道；(ii) 收尘风道；(iii) 烟气净化设备。阵发性高温烟气经焦侧导车大吸罩收集，经热浮风机入收尘风道及其他设备。脉冲风道收尘器净化、蓄热器冷却后排空。PLC程控控制。

自动化与过程控制系统

焦炉自动化分经典层级：L0现场层至L3管理层。自动化设计通常分六基础设备层。图4展示焦炉厂自动化层级。

图4 焦炉厂自动化层级

电气设备、控制元件、仪表经标准4-20mA/24V DC接口接冗余远程I/O单元。智能子系统常用Profibus/Modbus耦合。全厂自动化设备经光纤厂网互联，贯穿所有相关设备区域。全数据经此网收集分发，数据源目标经物理连接（配线架/交换机）及逻辑连接（网管系统）灵活连接，所有系统互通。

焦炉区域过程控制层用集成分布式控制系统（DCS）。焦炉多为顺序控制功能，最适合PLC执行。焦炉加热与机械自动化过程控制由L2控制系统实现，基于L1自动化系统采集处理数据进行各类过程模型计算。L2为操作员提供先进精准易用支持工具，成功改善运行与环保性能。

自动化过程控制系统效益：降低燃气消耗节能、稳定焦炉工况运行、焦炭质量一致、减排、延长炉龄、便利运维数据报表分析。