節(jié)能減排是全球鋼鐵行業(yè)發(fā)展的一個重要課題和必然趨勢，這也促使煤焦化工業(yè)更新技術(shù)和裝備，以滿足日益苛刻的環(huán)保要求。在這種情況下，德國ZKS焦化廠建造的3號焦?fàn)t點火投產(chǎn)。該焦?fàn)t采用了單孔炭化室壓力控制系統(tǒng)，使炭化室內(nèi)的壓力在整個煉焦過程中保持穩(wěn)定，而且能夠避免裝煤過程中產(chǎn)生煙塵。ZKS的第二座新型焦?fàn)t（1號）也正在加緊建設(shè)，即將竣工投產(chǎn)。兩座焦?fàn)t的總產(chǎn)量約為每年130萬噸焦炭。
位于德國迪林根（Dillingen）市的ZKS焦化廠的3號新型焦?fàn)t是基于搗固煉焦技術(shù)的焦?fàn)t組。在搗固式焦?fàn)t中，煤餅是在裝入焦?fàn)t之前被壓實的，通過機(jī)側(cè)爐門裝入。得益于這一技術(shù)，即使采用半焦煤也能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)焦炭。該工程由兩個階段組成（3號和1號焦?fàn)t），總體規(guī)劃計劃如下：興建3號焦?fàn)t（50孔）3號焦?fàn)t投產(chǎn)拆除原有1號焦?fàn)t在原址新建1號焦?fàn)t（40孔）新建的1號和3號焦?fàn)t投產(chǎn)后，關(guān)停2號焦?fàn)t。
該大型投資項目采用最先進(jìn)的環(huán)保型煉焦技術(shù)，同時維持ZKS焦化廠原有的約130萬噸焦炭年生產(chǎn)能力。未來2號焦?fàn)t是否重建需要ZKS最終作出決定。
最大的搗固式焦?fàn)t
原有的1號和2號焦?fàn)t共由90孔炭化室組成，高度（熱態(tài)）為6.25米，新建的50孔3號焦?fàn)t與原有的兩座焦?fàn)t并排而立，高度為6.25米。新焦?fàn)t的尺寸設(shè)計旨在增加爐體耐材的堅固性（與原焦?fàn)t相比增加30%），其SUGA值（焦?fàn)t爐墻的極限負(fù)荷）達(dá)到12千帕，并且適用原有的焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備。
該新建焦?fàn)t為世界上炭化室最高的搗固式焦?fàn)t，整個焦?fàn)t的設(shè)計、供貨、安裝和烘爐涵蓋以下方面：爐體耐材模塊、支撐系統(tǒng)、操作走臺、燃燒系統(tǒng)和荒煤氣系統(tǒng)（包括單孔炭化室壓力控制系統(tǒng)）。
3號焦?fàn)t的加熱系統(tǒng)設(shè)計為槍式雙煙道構(gòu)造，以交錯助燃空氣和廢氣再循環(huán)設(shè)計對稱加熱。該項目的主要特點是集先進(jìn)的煉焦技術(shù)與環(huán)保措施于一身，其主要技術(shù)參數(shù)見附表。
技術(shù)創(chuàng)新層出不窮
復(fù)熱式加熱技術(shù)。意大利PW公司成功開發(fā)出復(fù)熱式焦?fàn)t加熱技術(shù)，運(yùn)用于此焦?fàn)t，既可以用混合煤氣加熱，也可以用焦?fàn)t煤氣加熱。該技術(shù)設(shè)置的自動加熱控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種加熱方式：1/3焦?fàn)t使用混合煤氣，2/3焦?fàn)t使用焦?fàn)t煤氣；1/3焦?fàn)t使用焦?fàn)t煤氣，2/3焦?fàn)t使用混合煤氣；焦?fàn)t全部使用混合煤氣；焦?fàn)t全部使用焦?fàn)t煤氣。
同時，加熱方式的切換可以不依靠人工操作，而由PLC（可編程邏輯控制器）控制的卷揚(yáng)機(jī)完成。廢氣箱通過兩個氣缸實現(xiàn)加熱方式的轉(zhuǎn)換，一個氣缸用于風(fēng)門瓣的選擇（一個較大的風(fēng)門瓣用于混合煤氣加熱，2個較小的風(fēng)門瓣用于焦?fàn)t煤氣加熱），另一個氣缸用于廢氣瓣的位置調(diào)節(jié)（焦?fàn)t煤氣送氣位置和混合煤氣送氣位置）。
熱控制技術(shù)。該焦?fàn)t蓄熱室劃分為以下部分：機(jī)側(cè)爐頭（加熱1火道~4火道）、機(jī)側(cè)中間部分（加熱5火道~18火道）、焦側(cè)爐頭（加熱31火道~34火道）和焦側(cè)中間部分（加熱19火道~30火道）。廢氣箱內(nèi)設(shè)置了2個調(diào)節(jié)板（上下各1個），操作者可以輕松地控制爐頭與中間部分空氣和混合煤氣的流量。爐頭火道通過標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)節(jié)板實現(xiàn)微調(diào)，使?fàn)t頭加熱得以控制，減少損耗，節(jié)省能源。
爐體耐火材料設(shè)計。整個焦?fàn)t的設(shè)計包括焦?fàn)t的所有特色的基本設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計。120名耐火磚筑砌工人在工棚里每天工作，在不到7個月的時間里筑砌800種不同形狀的17000噸耐火磚。磚型設(shè)計借助于VAP（仿真組裝程序）完成，實現(xiàn)了精準(zhǔn)設(shè)計、對耐火材料用量的精確估計和砌筑方案的優(yōu)化。耐火磚由德國和捷克共和國的廠家制造。
該焦?fàn)t設(shè)計過程中，采用了多套特殊軟件工具以優(yōu)化焦?fàn)t設(shè)計，使整個設(shè)計過程得以完全控制，從而達(dá)到所需的尖端水平。仿真組裝程序是一款可以對復(fù)雜的焦?fàn)t爐襯進(jìn)行3D設(shè)計的軟件包，從小煙道到焦?fàn)t頂?shù)拿恳粔K磚都可以在程序中進(jìn)行尺寸設(shè)計及合適的位置擺放。仿真組裝程序是設(shè)計和施工的得力助手，尤其是在滑動縫和膨脹縫方面，能減少設(shè)計錯誤，避免安裝問題。仿真組裝程序可以提供詳細(xì)的耐材表、工程量清單、施工草圖和剖面圖。
在設(shè)計和建設(shè)時，相關(guān)施工人員將焦?fàn)t爐襯耐材磚層的高度提高到了140毫米，以減少燃燒室的水平磚縫，避免爐役后期炭化室之間竄漏和減少CO有害氣體的排放。
火焰分析。進(jìn)行火焰分析的目的是評估NOx（氮氧化物）值和溫度分布情況。為了滿足原燃料消耗、環(huán)保和產(chǎn)品質(zhì)量等方面的要求，根據(jù)火焰分析對燃燒室進(jìn)行了精心設(shè)計。焦?fàn)t設(shè)計時，建立了1個3D的CFD（計算流體動力學(xué)）模型來優(yōu)化燃燒室內(nèi)的氣流熱循環(huán)系統(tǒng)，并對空氣進(jìn)氣孔和廢氣循環(huán)進(jìn)行測試，以保證加熱均勻和減少氮氧化物的生成，而模擬分析采用的CFD計算工具能夠處理復(fù)雜的運(yùn)算。
支撐系統(tǒng)的優(yōu)化。支撐系統(tǒng)旨在給予爐襯耐材適當(dāng)?shù)膲毫?，以抵消燃燒室?nèi)的拉應(yīng)力。在支撐系統(tǒng)設(shè)計時，其遵從了下列連貫的步驟設(shè)計：首先，確定支撐系統(tǒng)的基本尺寸（爐壁防護(hù)板、支柱、門框、燃燒室爐頭）和初期應(yīng)力分布；其次，用Ansys軟件對熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力下的爐頭（爐壁防護(hù)板、門框、燃燒室爐頭）進(jìn)行FEM（有限單元法）分析；最后，對燃燒室進(jìn)行FEM分析。支撐力的計算基于以下操作條件：膨脹壓力（煤干餾）導(dǎo)致的拉應(yīng)力和推焦造成的拉應(yīng)力。
為了將計算的壓力與燃燒室的不同部分相關(guān)聯(lián)，防護(hù)板被設(shè)計成許多相互獨立的板塊。這一特殊設(shè)計可以確保在正常焦?fàn)t操作條件下支撐系統(tǒng)始終通過防護(hù)板與爐襯耐材接觸，尤其能防止裂紋的形成，而裂紋形成正是高度超過5米和安裝整體防護(hù)板的焦?fàn)t常出現(xiàn)的問題。
巧妙控制“絕”煙塵
在搗固焦?fàn)t裝煤中，煤餅是通過機(jī)側(cè)爐門裝入的，裝煤餅過程會產(chǎn)生大量煙塵。為減少煙塵排放，過去運(yùn)用了多種治理方法，例如使用密封框，但是密封框只能部分減少而不能杜絕這種煙塵排放。
在ZKS的新焦?fàn)t中，采用的煙塵控制方法能在焦?fàn)t裝煤時的集氣管內(nèi)產(chǎn)生400帕的強(qiáng)大負(fù)壓。在不裝煤時的干餾過程中，集氣管內(nèi)的負(fù)壓力設(shè)置在零值附近，在開始推焦之前又被轉(zhuǎn)換到較高的負(fù)壓設(shè)置。為此，意大利PW公司設(shè)計開發(fā)了Sopreco閥門。這種特殊的控制閥位于水封閥與橋管之間。該閥門與作用于氣動閥致動器上的壓力控制環(huán)路相配合，使炭化室內(nèi)的壓力穩(wěn)定在正值，在ZKS的3號新焦?fàn)t中預(yù)設(shè)為130帕。由于采用了這種設(shè)計，再借助于水封閥，可將焦?fàn)t炭化室與集氣管完全切斷。
隨著ZKS焦化廠3號焦?fàn)t的投產(chǎn)，50個Sopreco閥門投入使用，基本杜絕了煙塵排放。
焦?fàn)t點火 性能穩(wěn)定
焦?fàn)t在預(yù)熱控制系統(tǒng)的操作下開始加熱，加熱曲線嚴(yán)格遵循理論曲線，最大偏差不超過0.4%。在耐材完全膨脹以后，焦?fàn)t被維持在一個穩(wěn)定而狹窄的溫度范圍內(nèi)，以測試用于新焦?fàn)t的原有設(shè)備。
焦?fàn)t經(jīng)微調(diào)以后，又成功地進(jìn)行了5天的混合煤氣加熱性能測試，平均干餾時間為22小時。試驗結(jié)果顯示，該焦?fàn)t不僅操作性能更加穩(wěn)定，而且還達(dá)到了國際上現(xiàn)行最嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。
隨著ZKS焦化廠新3號焦?fàn)t成功地通過性能測試，其新1號焦?fàn)t的建設(shè)也在緊鑼密鼓的進(jìn)行之中。