建设大容积焦炉可减少污染物放散，降低煤塔、熄焦系统和焦炉机械的资金投入，还可以提高生产效率，减少人员数量，延长炉役寿命等。大多数焦化厂最初都是建设相对较小的焦炉，产量相当低。当对焦炭的需求增加时，焦化厂通过增加焦炉组数来增加产能。由于当时没有较大容积的焦炉，即使最初设计的大产能焦化厂，通常也由大量的小容积焦炉组成。

      虽然焦炉的容积和生产能力在持续发展，但大容积炭化室的焦炉组数量非常有限。全世界大多数焦炭仍然由炭化室高度为5-6m的焦炉组生产，这种焦炉的炭化室长度为14-16m，宽度0.40-0.45m，单体焦炉的生产能力为30-50万吨焦炭/年。

      决策者们不愿意投资大容积高产能现代化焦炉的主要原因是，新建焦化厂需要考虑焦炉组与原有配套设施之间的匹配。由于焦化厂预投资少，因此一些决策者们不考虑现代化大容积焦炉具有的长期经济效益和环保上的优势，而采用老式熟悉的焦炉设计。

      大多数大容积焦炉组的建设，都是为了满足高产能的要求。与小焦炉相比，大容积焦炉具有许多的优势，本文将具体分析大容积焦炉的优势。

      1 大容积焦炉的定义

      大容积焦炉是指年生产能力超过150万吨焦炭的焦炉组。焦炉组包括：①一套焦炉配套机械；②单煤塔；③单个熄焦系统；④一个焦炭装卸台。

      焦炉容积经历了由小到大的发展历程。20世纪初，焦炉容积限制在：炭化室高度2.5-3m，容积为10-15m³，生产能力为7-10吨/炉。炭化室高度的变化见表1、炭化室容积的发展见图1。

      建设于2003年，位于德国杜伊斯堡的施韦尔根焦化厂，是大容积焦炉发展的典型代表。其炭化室高度达8.43m，炭化室长度20.8m，宽度0.59m，有效容积94m³，产量为55吨/炉，其两组70座焦炉总产能为270万吨/年。焦炉容积大幅度扩大之初，人们非常怀疑能否很好地应对大型焦炉在设计和操作方面带来的巨大挑战。但这也是在有限的建设空间达到所需焦炭产能的唯一办法。

      2 大容积焦炉的优势

      表2示出了不同容积焦炉的对比。很明显，随着炭化室容积的增大，对焦炉组的数量需求会减少，这会导致：①推焦和装煤操作减少，由于焦炉污染物的放散大多产生于炭化室打开进行推焦和装煤操作的时候，炭化室容积的扩大会减少污染物放散总量；②减少了焦炉密封面长度，使得结焦期污染物的放散更少了；③节省了焦化厂土地投资；④焦炉设备数量减少，煤塔、熄焦系统和焦台减少，减少了焦化厂的投入；⑤减少操作人员数量，不仅提高了生产效率，也对焦炉的维护有好处，可以有效降低生产成本。

      从德国一家焦化厂的改造就可以看出，大型焦炉可以大幅度地减少人员数量。该焦化厂焦炉高度为4-6m时，生产能力为250万吨/年。焦炭生产及焦炉维护所需要的人员数量为336人/（百万吨焦·年）。当被8.4m高炭化室的现代化焦炉替换后，生产能力为270万吨/年，需要人员数量急剧下降到106人/（百万吨焦·年）。

      另外，大容积焦炉增加了焦炉的使用寿命，尤其是宽炭化室焦炉。焦炉组的使用寿命由炭化室耐火砖的情况决定。耐火砖受损的主要因素是焦炉装煤、推焦时热震导致的机械张力。根据调查，普通的焦炉炉役寿命在12000到15000次推焦。对耐火砖的大修可以延长焦炉寿命。根据这些经验，通过增加炭化室宽度，焦炉组使用寿命可以大大延长。焦炉之间这一对比的前提是炉墙稳定性和操作环境相同。

      如上所述，影响焦炉耐火砖使用寿命的主要原因之一是推焦时产生的机械张力，而推焦时所需要的力决定了机械张力的大小。不同宽度炭化室的焦炉结焦试验显示，结焦时间延长时，煤的收缩显著增加；宽炭化室焦炉可以延长结焦时间。另外，在宽炭化室焦炉中，焦饼和炭化室墙之间有一个一定尺寸的缝隙。这个缝隙减小了焦炭和炉墙砖之间的摩擦力，因而减小了推焦所需要的力。

      3 设计标准

      为使炭化室容积最优，焦炉设计必须考虑下列重要标准。

      1）炭化室长度

      加长焦炉炭化室长度是增加焦炉产能最经济的途径，这使得在焦炉炭化室容积的增长与所需耐火材料数量呈线性增加。而焦炉的机械和电子设备、维护设备几乎不变。

      焦炉炭化室长度超过16m时，宽度必须大于500mm。这是因为煤的收缩率较高，推煤的推力减少。

      焦炉炭化室的长度越长，对加热煤气热量分布的调节就越难。这可以通过调整加热煤气的供应，并从焦炉两侧排出废气来解决。

      另一方面，双侧供应会增加投入成本。对于炭化室长度在20m的焦炉组来说，单侧系统的安装已经非常成功，但是精确调节加热系统还需要一个过程。

      2）炭化室高度

      加大炭化室高度以增加焦炭产能是最不经济的。首先，为了保持炉墙稳定，焦炉炉墙宽度和斜度必需加大，这会导致耐火砖使用数量高于线性增加。其次，机械设备数量会上升，加大了投入成本。

      加大焦炉炭化室高度，增加了对操作精度的要求。这会在以后的结焦阶段导致炉顶空间加大，并且容易导致过热和炭富集堆积。

      随着炭化室高度的增加，竖直方向加热温度分布的调节变得更加困难。因此，燃气供应需要精确调节，阶段性地供应燃气十分重要，并且要有废气循环系统。对大容积焦炉来说，这些要求都是必不可少的。

      3）炭化室宽度

      炭化室宽度对焦炉产能几乎没有影响。实际上，当炭化室宽度增加时，焦炉的生产能力还会稍微降低一点，因为炭化室宽度加大与结焦时间延长不成比例。

      炭化室宽度增加会导致耐火材料用量和设备数量轻微增加。较宽的焦炉增加了结焦时间，减少了推焦和装料的次数。确定炭化室宽度时需要让焦炉推焦和装料次数达到最优。减少推焦和装料意味着减少污染物放散。增加结焦时间会导致煤收缩率更大，会减少推焦力。

      4 大容积焦炉实例

      大容积焦炉并不是一项新技术，在过去的10年时间里，蒂森克虏伯公司就建设了大容积焦炉，包括施韦尔根和HKM的焦炉。同时于1984年在德国杜伊斯堡建成了一座大容积焦炉组，第二座于2014年建成。其他大容积焦炉分布于中国和韩国。

      在这些焦化厂中，韩国浦项钢铁公司和现代钢铁公司（HSC）在焦炉建设时对可应用的先进技术、资金投入、焦炉操作和维护都进行了充分的考虑，具体见表3。下面就以韩国这两个公司的焦炉做为大容积焦炉的例子进行说明。在这两个焦化厂中，四个焦炉组安装在两个区间，有一个共同的中心线，每套机器服务一个区（两个焦炉组），另一套焦炉为两区共同的备用。

      每个区都有其自身的湿熄焦系统，包含低污染物排放的熄焦塔及其他配套设施。浦项钢铁公司湿熄焦系统只有在紧急情况下使用，正常生产时，采用干熄焦。在现代钢铁公司，只有湿熄焦，所以两区之间有一个备用的设备。

      在两个公司的焦化厂中，煤气处理车间设计为单生产线处理车间，可以处理来自4个焦炉组的荒煤气。这使得安装大容积焦炉成为可能，这样可以降低生产运行和维护成本。

      备煤车间设计成每个区具有各自独立的生产线，但是各线之间有几处联系，这样，用较小的煤处理能力，即一条煤处理生产线处理两区的煤成为可能。

      几年来的生产运行表明，浦项钢铁公司和HSC的焦化厂选择的设计理念和技术是非常高效和可靠的。韩国大容积焦炉的技术数据考虑了目前欧洲对NO_x排放低于500mg/ Nm³的限制。

      大容积焦炉有扩大产能的潜力。大容积焦炉的炭化室长度由18m延长到20m，可以使生产能力增长10%，预计费用增加5%，同时生产和维护成本也要增加。

      5 其他因素分析

      除了对焦化厂设计理念和技术参数的选择外，工程的实施对于焦化厂建设质量也是极为重要的。

      中国由于财务预算及其他的一些规定，导致拥有大容积焦炉的焦化厂虽然在技术理念与基本技术上都与韩国相同，但焦炉在质量和功能上，与韩国焦化设备有明显差别。其中，耐火材料的供应是一个关键问题，因为它是工程建设进度以及焦化厂建设质量的保证。工程建设是否成功，要取决于服务与供应的合理分割，以及与客户之间在质量上的沟通、信任和理解。需要在工程计划阶段给予着重考虑。

      总之，大容积焦炉具有的典型特点如下：

      ①对建造空间的要求给予了优化；

      ②减少了污染物的放散；

      ③减少了焦炉配套机械、煤塔和熄焦系统的数量；

      ④减少了人工成本；

      ⑤延长了焦炉使用寿命；

      ⑥此外，只有对技术理念、工程建设的理念进行精心选择及实施，以及在客户和技术提供者之间有良好的互信与沟通，大容积焦炉的优势才能得以实现。

      实践证明，大容积焦炉应用是成功的，其在降低成本、提高生产效率、环保等方面的表现是完美的。   （陈松  齐婳）