日本焦炉新技术纵观
1临近更新期的日本焦炉
焦炭是高炉炼铁的热源，而且是不可或缺的铁矿石的还原剂。日本古代制铁法“风箱制铁”，以砂铁为原料，用木炭作还原剂，生产铁。但是，为了工业化生产铁需要大量的木材。因此，17世纪英国开始使用高强度热量大的煤。之后的1735年，英国率先开始使用焦炭炼铁。
1894年，日本在釜石首次成功地使用焦炭进行高炉炼铁，使用的是用北海道夕张煤制造的焦炭。但是，在当时用日本产的煤制造的焦炭质量差，高炉操作时常出现不顺的情况。
高炉操作和焦炭的关系密切。而且，生产焦炭的焦炉处于炼铁工序的上游，焦炉的耐久性和生产效率低下对后面生产工序的影响是重要的，仍在继续长期性地研究。
2 焦炉的结构
焦炉是用大量的耐火砖砌筑的长约150m的巨大构造物。炭化室和燃烧室交互配置，一座焦炉约有100孔。在下部炉体有回收余热的蓄热室。操作时，燃烧室的温度为1200-1350℃，蓄热室为900-1200℃。
炭化室和燃烧室使用的耐火砖是硅砖。在高温下，硅砖也可以发挥良好的耐压强度和热传导性。硅砖温度高容积稳定，温度低则急剧收缩，砖内产生龟裂。焦炉一旦点火后几十年的时间里一直保持高温连续运行状态。
焦炉有装煤的炭化室和燃烧煤气供热的燃烧室。为了将煤制成焦炭，将煤密闭在炭化室中，用来自燃烧室的热（约1200℃）间接加热，燃烧约20小时。将该反应过程称为“干馏”。在此期间，煤在400℃以下保持煤的状态，但在约350℃开始热分解，产生挥发分。400℃以上释放出大量的挥发分，煤软化熔融，产生分子重新排列。到500℃附近，由于缩聚作用熔融物固化，半焦组织形成。温度进一步上升，氢作为热分解气体释放，促进缩聚反应，约900℃完成结焦。在此期间，生成焦炉煤气（氢、甲烷等）和焦油等。蒸馏焦油获得轻油和沥青。打开炭化室两侧的炉盖向外面推出干馏的红焦。推出的焦炭采用CDQ进行熄焦，利用余热。
焦炉的寿命在40年左右。现在日本使用的焦炉基本是在高度经济增长期建设的，已经运行了近40年，最长的焦炉达到了46年。因此，今后焦炉将集中迎来更新期。
由于焦炉的老化，炉体损伤加快，热效率降低。结果，需要大量的能源，CO2排放量也增加。这样的话就需要新建焦炉，建设一座焦炉需要数百亿日元的费用，造价非常高。各钢铁公司为了减轻建设焦炉的负担，在进行各种研究。代表性的方法有两个，一个是新一代焦炉的研究；另一个是延长焦炉寿命的技术开发。
3 新一代焦炉技术大幅度提高生产率
各钢铁公司之间的协作，推进了新一代焦炉“SCOPE21”开发项目。经济产业省支持的该项目以日本铁钢联盟和煤综合利用技术中心为开发母体，各钢铁公司和11家焦炭厂合作进行开发。从1994年到2003年，用了10年的研究时间。经过调查研究和主要技术研究阶段，建设了中试厂进行试验操作。项目结束后的1号机建设在新日铁大分厂内，现在正在运行中。今后，将根据该研究成果，进行实用化的研究。SCOPE21新工艺的关键是提高生产率，扩大资源使用范围，增强资源应对能力。
为了提高焦炉的生产率，减少焦炉干馏时间是一大课题。现有焦炉的干馏时间约20小时，前半部时间是炭化室中所有煤的水分蒸发，在100℃需要加热8小时。然后，逐渐升温，最终达到1000℃。煤的热传导性差，即使受到来自燃烧室的热，接触到壁面和离开壁面的煤也有温差。因此干馏工序需要20小时的长时间，缓慢干馏。
因此，新工艺将煤干燥工序换为预处理。预处理采用流化床干燥分级机和气流塔加热机，只需要几分钟就将煤的温度加热到400℃，再将加热的煤装入炭化室，从400℃加热到1000℃。与从100℃加热相比，所需时间大幅度缩短，加上预处理时间大约8小时就可完成煤干馏。
SCOPE21工艺大幅度缩短了煤干馏时间，减少了为高温保持焦炉所需的热量。巨大的焦炉运行中大量的热量放散到外部，而新工艺有很大的节能效果。图2为SCOPE21工艺及快速加热曲线。
4 SCOPE21工艺扩大使用低品位煤
SCOPE21工艺的预处理工序使用气流塔加热机。该装置为细长管，采用高温煤气可将煤快速加热。通过该预处理工序，实现了对煤的改质。在高炉中，焦炭起保证煤气和铁水通路的作用，所以要求达到不易破碎的强度。适合这种焦炭的原料是富有黏结性的强黏结煤。强黏结煤价格高，所以，黏结性低的低品位、廉价的非弱黏结煤也作为原料使用。一般将这些原煤混合使用，传统焦炉非弱黏结煤的混合比率最多约20%。但是，SCOPE21工艺采用迅速加热，实现了煤的改质，混合比率可以提高到50%，提高了使用各种原料资源的应对能力。
生产1亿t 粗钢需要0.4亿t焦炭，需要原煤0.6亿t。日本原煤全部依靠进口，所以，确保稳定的原煤是重要的问题。一般情况下，煤的埋藏量很丰富，但可以用于生产焦炭的焦煤只有10%左右。因此，今后期待开发出采用非弱黏结煤等所谓的低品位煤生产焦炭的技术。从这个意义上，SCOPE21工艺引起极大的关注。
5 精确诊断炭化室炉墙损伤的技术
尽可能延长现有焦炉寿命技术也在开发中，其中一例是焦炉炭化室诊断修补技术。
焦炉炭化室内侧的炉墙装入原煤到推出焦炭时，炉墙承载负荷，耐火砖剥蚀。如果炉墙出现凹凸不平，就不能顺利地推出焦炭，最终炉墙出现孔洞，有不能使用的危险。到目前为止，对这种炉墙损伤的程度只能靠操作者目测判断。但是，炭化室是宽度45cm、高度6m的细长形，操作者不可能从炭化室外观测到内部。而且，炭化室内部是1000℃以上的高温，确认损伤状况和修补都很困难。
这次开发的是高精度诊断炭化室炉墙的损伤状况，高效率修补的技术。首先是诊断，开发了使用机器人的诊断装置。采用该装置观察炭化室的炉墙，可以调查毫米级的凹凸状况。诊断装置为CCD照相机，为了在高温下作业搭载了水冷隔热装置。该装置将炉墙以1mm间隔扫描，单侧炉墙整体只要4min就可以完成观测。装置带有与CCD照相机并列的柱状耐热反射镜。通过调整反射镜的角度，可以从垂直方向观察炉墙。并将获得的观测数据图像化。该照相机还具有检测墙面凹凸形状的功能，可以立体地掌握损伤的准确位置和损伤深度等。
在开发初期，虽然采用了拍摄装置，但因是从斜的方向拍摄炉墙，诊断精度不太高。新的诊断装置可以从炉墙的正面拍摄，可获得清晰的图像，切实提高诊断度。
6 代替人进行修补作业的机械手
根据炉墙精确的诊断结果，进行修补。传统的修补是将耐火性粉体与燃烧煤气一块喷补到损伤部位，进行局部性喷补修补。修补作业由操作者从焦炉前面，采用长臂的喷补枪进行，人的负荷很大。最长的喷补枪有10m长，作业时边弯曲边振动，前端的喷嘴很难进行正确的操作，施工精度不高。
为解决这些问题，开发了修补机械手。采用该机械手可以进行复杂准确的操作。该装置是在1000℃以上的高温环境中作业，采用包覆隔热材的水冷面板的高刚性外骨架结构，前端安装有非接触式炉壁形状检测装置和喷嘴。喷嘴在狭小的炭化室也充分确保与炉墙的间隔，运用伺服马达驱动的关节，以±1mm的精度正确到达修补部位。此外，根据损伤深度，通过控制喷嘴的操作速度，修补精度可以达到平坦度±5mm的高精度。
通过引入新的炭化室诊断修补技术，炉体受到的机械负荷减轻，可防止焦炉整体热效率恶化，并期待带来抑制CO2排放的效果。该项技术可自动、高精度且短时间对1000℃以上非常狭小的焦炉内部损伤进行诊断和修补，并获得2008年度大河内纪念生产奖。
7 焦炉的节能技术
焦炉运行中需要维持1200℃的高温，是耗能型设备。因此，进行了许多焦炉节能技术的研究。其代表性的技术之一是干熄焦设备（CDQ）。
CDQ最早是前苏联开发的。1973年石油危机后，日本钢铁业作为节能措施引进了CDQ技术，1976年日本国内的第1台CDQ投产。CDQ是用惰性气体为热载体冷却红焦，然后，惰性气体将吸收的热量传给余热锅炉，通过热交换获得蒸汽。该蒸汽作为钢铁厂内蒸汽利用和进行发电回收电力。
日本第一台CDQ的规模是56t/h，其后开发了大规模的CDQ技术，现在最大处理量为180-200t/h。实现了处理能力的提高。在日本境外，最近建设的焦炉CDQ已成为标准设备，中国等建设的许多焦炉都配有CDQ。
此外，废塑料循环利用也是焦炉环保技术之一。
经预处理的废塑料填充到焦炉的炭化室。填充物被加热、干馏，所有的塑料在250-480℃气化，得到的高温气体在常温下分离为高热量煤气和油分，在钢铁厂内再利用。
这样的焦炉节能和环保技术开发目前仍在继续。但是，日本现场技术人员的高龄化也日益严重，存在技术传承等问题。期待在今后建设中解决这些问题，开发具有适合新时代的环保性焦炉。
(来源：钢铁产业)
现货资源
| 品名 | 规格 | 材质 | 厂家 | 地区仓库 | 价格 | 现货 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 螺纹钢 | 12-32 | HRB400E | 长治市创发商贸有限公司 | 首钢长钢(首钢长钢) | 0 | 详情 |
| 热轧卷板 | 3.75*1500 | Q235B | 苏州鑫昊欣金属科技有限公司 | 沙钢(玖隆物流) | 3630 | 详情 |
| 普碳中板 | 16*2500*12800 | Q235B | 上海北铭高强度钢材有限公司 | 重钢(川流富锦库) | 4110 | 详情 |
| 低合金板 | 210 | Q355NB | 舞钢市坤钰供应链管理有限公司 | 舞钢(产业集聚区) | 0 | 详情 |
| 无缝管 | 76*35 | 45# | 山东东银金属材料有限公司 | 聊城(东银库) | 4230 | 详情 |
| 圆钢 | 22*9380 | 25CrMoA | 山东大万实业有限公司 | 宣钢(河北宣化) | 0 | 详情 |
| 热轧卷 | 3.0*1800*C | Q235B | 上海盛钢联供应链管理有限公司 | 宝钢(泉安/津澜) | 0 | 详情 |
| 高线 | 10 | 300 | 洛阳威钢商贸有限公司 | 山西晋南(晋南厂库) | 3650 | 详情 |
相关新闻
推荐文章
-
建材预测：跌势不止，今日钢价怎么走？
多地相出下调首付比例等利多地产政策，但新房销售额提升仍不明显，地产政策对钢材需求提振需进一步观察，目前为钢材传统需求淡季，宏观暂无重大利好。
-
亏损加剧！同比少2.5万亿！钢价又要反复？
特别关注央行：前五个月人民币贷款增加11.14万亿元。分部门看，住户贷款增加8891亿元，其中，中长期贷款增加8598亿元；企（事）业单位贷款...
-
建材预测：累降50！钢价来回拉扯！下周走势如何？
本周20mmHRB400E螺纹钢全国均价3691元/吨跌30，美联储降息预期延迟，国内宏观暂无明显向上推动；产业端建材库存增加、表需下降，基本面偏弱。
