1 前言
焦炭是一種固體燃料，質硬、多孔、發熱量高；煙煤在隔絕空氣下加熱到950-1050℃，經乾燥、熱解、熔融、粘結、固化、收縮等階段最終制的焦炭，這一過程稱為高溫乾餾。在乾餾溫度為500-700℃情況下制的焦炭稱為半焦。煉焦過程中產生的經**、淨化後的焦爐煤氣既是高熱值的燃料，又是重要的有機合成工業原料。
煉焦爐是將一次能源（煤）轉化為二次能源(焦炭、煤氣、化工等產品)的一種複雜的能源轉換熱工裝置。近十年來，我國的焦化工業獲得了飛速的發展，煉焦技術在理論、工藝及裝置等諸多方面有了長足的進步。
高溫煉焦於2023年提出，2023年英國人達比首次將焦炭用於高爐煉鐵。焦爐經歷成堆乾餾、倒焰爐、廢熱式和蓄熱室焦爐四個發展階段。現代焦爐是指以生產冶金焦、氣化焦等為主要目的，可以**煉焦化學產品的水平室焦爐，它由爐體和附屬裝置構成。
焦爐爐體由炭化室、燃燒室、蓄熱室、斜道、爐頂與基礎、抵抗牆等結構組成，並通過煙道與煙囪相連。爐體的附屬裝置主要包括：護爐鐵件粗煤氣匯出裝置、加熱裝置及爐門修理站。
焦爐的發展趨勢是焦爐的大型化和高效化。焦爐大型化就是擴大炭化室容積，增加焦爐的煉焦能力。這可通過增加炭化室的長度、高度和寬度來實現。
焦爐高效化是指通過採取可行的技術措施，提高傳熱強度，縮短結焦時間，使生產能力提高。可通過提高火道溫度，用高導熱性能的爐牆磚和減薄爐牆厚度等方法來實現。
焦化產業是為冶金產業服務的重要基礎能源原材料產業，在我國經濟建設、社會發展、財政稅收及穩定就業方面發揮著重要作用。中國經濟持續發展，隨著城市化程序的逐步推進，鋼材需求持續增長，焦炭產量也呈逐漸遞增之勢。自2023年《焦化行業准入條件》實施以來，焦化行業不斷加大淘汰落後產能和技術改造力度，努力實現焦爐建設和改造的大型化、自動化、清潔環保化，促進了焦化產業結構的優化公升級。
為我國焦化行業優化產業結構和節能減排、清潔生產、環保治理、扭虧增盈、提高經濟效益發揮了重要作用，也使我國焦化行業高消耗、高排放情況進一步明顯改觀。
本設計的主要內容為2×60孔煉焦爐的設計，分別進行了方案論證，對格仔磚高度和煙囪高度工藝計算，最後進行了總結和致謝。
2 文獻綜述
2.1焦化工業的發展
2.1.1焦化工業與鋼鐵工業
我國鋼鐵生產的持續高速增長推動了煉焦生產的高速度發展，焦炭產量連續多年快速增加。2023年產量達到38757萬噸，同比增長9.13％，其中冶金焦炭36700萬噸，佔94.
69％。焦炭產量的快速增長導致煉焦煤**緊張，特別是優質煉焦煤**更加緊張，煉焦煤**大幅度攀公升。同時，高爐大型化、噴吹煤粉等強化冶煉技術的應用，使焦比大幅度下降，焦炭料柱骨架作用更加突出，對焦炭質量提出了更高的要求。
增加煉焦配煤中優質煉焦煤的配入比例是提高焦炭質量的有效和通常做法，這進一步加大了煉焦行業對優質煉焦煤的需求，使煉焦行業對優質煉焦煤的需求與優質煉焦煤資源及**之間的矛盾也更加突出。為彌補國內煉焦煤**緊張和調劑品種，近年來煉焦煤進口量逐年增加，2023年全國累計的進口煉焦煤4727萬噸，同比增長37.05％[1]。
如何合理利用煤炭資源，穩定焦炭質量，降低生產成本，提高企業經濟效益，滿足鋼鐵工業可持續發展的需要是擺在煉鐵和焦化企業面前的緊迫任務，也是長期任務。煉鐵和煉焦工作者應攜手共同研究煉鐵對焦炭質量的要求，切實解決好我國煉焦煤資源合理利用和煉焦行業健康發展問題，為煉鐵行業可持續發展提供質量穩定、可靠的冶金焦炭[2]。
2.1.2焦化行業的特點
現階段我國焦化行業的特點是：滿足持續發展的鋼鐵工業對焦炭和焦爐煤氣的需求；建設現代化大型焦爐替代落後產能，全面提高工藝裝備水平；發展搗固煉焦,節省優質煉焦煤；廣泛普及節能減排的幹熄焦技術；煤調濕技術的開發和起步；真空碳酸鉀脫硫脫氰技術的開發和國產化；煤焦油加工裝置的大型化；苯加氫技術的推廣[3]。
2.1.3中國焦化在世界的地位
中國是世界焦炭生產大國，焦炭產量佔世界焦炭總產量的36％左右，焦炭出口量佔世界焦炭出口**總量的50％以上[4]。
中國是乙個煉焦生產大國，而不是煉焦生產強國，在許多方面還有很大差距。中國是世界第一焦炭出口大國，但是，焦炭質量並不高，焦炭質量還有待進一步提高。中國有數量龐大的焦爐，但小型焦爐較多，裝備水平不高。
中國的焦化工業是乙個較大的工業門類，一定能為中國的發展和世界經濟的發展做出應有的貢獻。
2.2焦爐發展
我國焦化工業 ,從建國以來大體上經過三次里程碑式的飛躍。第一次飛躍是 50年代末至 60年代初 ,我國有了自行設計和自行製造裝備的58型焦爐為代表的焦化廠。第二次飛躍是60年代中至 70年代初,以攀枝花建設為重點以炭化室高 5.
5m焦爐為代表,並集中採用了多項新技術和新裝備的焦化廠。第三次飛躍是改革開放以來，以寶鋼及部分應用國外技術進行改造擴建而建成的具有 80年代水平的焦化廠2023年[5]。鞍山焦化耐火材料設計研究院成立後，才開始發展真正意義上的中國產的焦爐。
2023年，我國首座自行設計的58型焦爐在北京焦化廠建成投產；2023年，我國自行設計的3孔6.1m試驗焦爐在鞍鋼試驗成功；2023年，我國首座5.5m焦爐在攀鋼建成投產；2023年，我國自行設計的單孔8m試驗焦爐在鞍鋼試驗成功。
2023年。我國首座從日本引進的6m焦爐(m型焦爐)在寶鋼建成投產；2023年，我國自行設計的首座6m焦爐(jn60型)在北京焦化廠建成投產；2023年，我國首座從德國引進的7.63m焦爐在山東兗礦建成投產；2023年，我國自行設計的首座6.
98m焦爐在鞍鋼鮁魚圈建成投產[6]。
搗固焦爐炭化室高度從最初的 2.8m、3.2m、3.8m 到 4.3m、5m、5.5m、6.25m 的跳躍式發展。
2.3焦炭質量
2.3.1焦炭質量指標的變化
焦炭冷強度是表徵常溫下焦炭的抗碎能力和耐磨能力。焦炭熱強度是反映焦炭在使用環境溫度和氣氛下，抵抗破碎和磨損的能力。
焦炭冷強度用m40和m10表示。抗碎機械強度m40指焦炭在轉鼓中轉動一定時間後，大於40mm的重量所佔式樣總量的百分數。抗耐磨械強度m10 指焦炭在轉鼓中轉動一定時間後，小於10mm的重量所佔式樣總量的百分數。
焦炭的熱態性質通常採用焦炭的反應性指數cri和反應後強度csr來表示。csr以轉鼓後大於10㎜粒級焦炭佔反應後殘餘焦炭的質量百分數表示。cri/csr測試反應性地測量了高溫時二氧化碳中的焦炭，以及翻滾後的強度。
在測試中，焦炭在1100°c的容器中與co2氣體發生反應，歷時2 小時。 反應後的重量損失等於 cri。焦炭質量指標m40、m10在高爐塊狀帶具有一定得模擬性。
經過塊狀帶以後，焦炭要經歷碳溶反應和高溫作業，按m40、m10的檢測過程，已不具有模擬性。日本提出的cri和csr，目前已被各國接受，我國已列為國標。但cri和csr對焦炭在高爐中的模擬性並不理想，它的不夠完善之處不在於對反應溫度和co2缺乏模擬性，而是在於它是在鹼金屬條件下測定的。
實際上高爐中有一定的鹼金屬存在，鹼金屬的存在可使各種焦炭的反應性差別大大縮小。這顯然對焦炭質量的正確評定和生產焦炭的原料成本產生直接影響[7]。
2.3.2提高焦炭質量的途徑
焦炭在高爐內的作用有：熱源、還原劑、滲碳劑、料柱骨架等等。焦炭中除不足l％的碳隨高爐煤氣逸出，其餘全部消耗在高爐中，其大致比例為：
風口燃燒55％～65％，料線與風口間碳溶反應25％～35％，生鐵滲碳7％～10％，其他元素還原反應及損失2％～3％。隨著高爐冶煉焦比的降低，風口輔助燃料噴吹量的加大，焦炭在風口燃燒的比例相對減少，而消耗於碳溶反應比例增加[1]。
sushi kumar gupta博士[1]等人根據大量文獻資料的研究，總結出在高爐內焦炭自上而下的過程中產生粉化的主要因素：機械衝擊和磨損、碳溶損反應、鹼浸蝕、高溫熱力、風口高速鼓風破壞。高爐內焦粉消耗主要因素有三個：
碳溶損反應、滲碳反應、焦炭與爐渣反應。當產生的焦粉與消耗的焦粉二者平衡沒有焦粉聚集時，高爐即可順行[8]。
焦炭的灰、硫對於煉鐵生產是有害雜質。但焦炭灰、硫的降低受到煤資源自身條件限制。因此，根據煉鐵生產的具體情況和企業的煤資源狀況制定合理的焦炭灰、硫指標是充分、合理利用煤炭資源、降低生產成本的重要措施。
「十一五」期間，我國焦化行業對煉焦煤資源優化、合理利用和穩定/提高焦炭質量主要是通過以下技術及管理措施實現的：
(1)焦爐大型化技術。截至2023年底，我國炭化室高》5.5公尺搗固焦爐和》6公尺頂裝大焦爐的產能已達到1.
4億噸以上。焦爐的大型化對節省優質煉焦煤資源、改善焦炭質量貢獻巨大。
(2)搗固煉焦工藝技術。截至2023年底，我國搗固焦爐產能已突破l億噸，對節省資源緊張的焦煤和肥煤資源貢獻突出。根據中焦協焦炭煤資源委員會的調查和統計，採取搗固煉焦工藝技術，焦煤和肥煤配比可分別下降8.
9和5.2個百分點，氣煤、1/3焦煤和瘦煤配比分別提高4.6、3.
5和6.5個百分點。
(3)幹熄焦技術。在鋼鐵聯合企業焦化廠該技術已得到推廣和普及，幹熄焦產能已達到約1億噸。採用幹熄焦技術能明顯改善焦炭質量，為改善我國鋼鐵聯合企業焦化廠焦炭質量做出了貢獻，間接節省了緊缺的焦煤和肥煤資源。
(4)精細優化配煤技術。以煤巖配煤技術為代表的精細優化配煤技術得到推廣和應用，使我國焦化行業配煤技術水平上了乙個新台階。進場煉焦煤應用分類及合理堆放、煤場優化管理、焦炭質量指標數值化**及配煤專家系統的開發及應用，不同規格、形式的試驗焦爐的開發、應用都促進了配煤技術向精細化、優化方向發展。
「十一五」期間焦炭質量的穩步提高，一方面得益於焦煤和肥煤配入比例的提高，另一方面也得益於上述精細優化配煤技術的推廣和應用。
(5)焦炭質量研究。高爐煉鐵技術的進步對焦炭質量提出了新的要求。焦炭質量研究的新進展為煉焦生產及優化配煤，實現煉焦煤資源優化、合理利用指明方向。
例如，獨立焦化企業，尤其是搗固煉焦企業由片面控制焦炭冷態機械強度到兼顧熱態效能，[1]。
2.4焦爐管理自動化
2.4.1焦爐機械及其發展
近年來，由於焦炭市場的火爆，山西境內的各大型焦化廠層出不窮，焦爐機械及配套機械的需求量非常大。目前已形成了適合我國情況的與大、 中、 小型焦爐配套的全部焦爐機械系列。就整個焦爐機械的發展而言，有 3 種影響因素：
（1）對環境問題越來越重視，公布了一些環境汙染控制法，這就影響了所有焦爐機械的設計。（2）為了增加生產能力而使用大容積的焦爐，並縮短結焦時間，就需要生產更堅固和功率更大的機器，也需要對一些費時過程使之機械化。（3）由於職業危害的控制， 避免因為工作造成對人身的傷害， 還需考慮改善操作人員的工作條件[7]。
裝煤車執行在焦爐爐頂面的裝煤車軌道上，其作用是把從煤塔取出並經計量後的煤按作業計畫裝入炭化室內，並將裝煤過程中從裝煤孔溢位的煙氣匯入固定的集塵幹管中。上海寶鋼焦化廠從日本引進的焦爐機械功能及自動化程度較高， 其裝煤車具有：（1）轉盤給煤裝置；（2）電磁開閉爐蓋及爐蓋的隔熱；（3）裝煤孔蓋泥漿密封的機械化；（4）裝煤車上設有點火水洗方式的無菸裝煤設施；（5）上公升管機械化操作；（6）爐頂面吸塵清掃等功能[7]。