现代焦炉使用的煤气加热主要分为两种，一是单纯的焦炉煤气加热，这种加热方式主要存在于单一的焦化厂；二是采用高炉煤气加热，不过由于高炉煤气的热值较低，需要在高炉中掺混一定比例的焦炉煤气以提高热值，就是我们经常说的贫煤气。用贫煤气中，主要可燃气体成分为一氧化碳，约占比例为25-30%。一氧化碳具有无色无味，剧毒等特性，不易被人发现，并且对人危害极大。当空气中的一氧化碳含量达到0.03mg/L（24ppm）时，对人体有害，当含量达到0.2mg/L时，人就有生命危险。随着国家生产法规的日益完善，对焦化厂的安全要求越来越高，这也就提高了焦炉地下室安全要求。
焦炉交换设备不但是完成焦炉加热的核心设备，而且对于确保焦炉地下室的安全操作环境起着重要作用。由于换向设备在生产中呈周期性运行，且处在封闭场所内，其安全性就成了设计的难点和重点，而安全性的重点和难点及时参与交换传动的设备的密封性。为了进行更加科学的交换系统设计，本文对焦炉交换系统的交换方式进行研究分析。
1. 交换设备的发展
交换是指由液压交换机的带动下，驱动煤气拉条和废弃拉条做往复的运动，实现煤气、空气和废弃的定时交换。
焦炉的交换设备主要设备包括：液压交换机、交换传动装置（包括拉杆和链轮）、交换旋塞、废弃开闭器等设备。
现在生产和设计的焦炉中，贫煤气的交换方式分为两种，开闭器铊式交换和交换旋塞式交换。
交换开闭器由交换机带动废弃拉条进行交换，控制进入蓄热室的空气和贫煤气，以及排出的废气。交换开闭器安装在焦炉两侧的烟道走廊上。
贫煤气交换旋塞用来切断和接通贫煤气的供应。贫煤气交换旋塞安装在焦炉地下室的贫煤气管道支管上。
我国最早出现的铊式交换焦炉是上个世纪50年代初前苏联援建我国的“ПВР”型焦炉，由于受到当时设计水平及设备加工工艺的限制，那时候的铊式交换存在很多的缺点及隐患，所以到了1958年，由焦耐院设计的“58”型焦炉最早采用了旋塞式交换，到了上个世纪70年代，由于铊式交换的设计及加工工艺有了突飞猛进的发展，所以从“80”型焦炉开始，均采用新的铊式交换的方式，到了本世纪，随着国内外业主对安全的要求的进一步提高，更加安全的旋塞式交换又重新回到了设计人员的视野中。
本文选择中冶焦耐工程技术有限公司对海外市场设计的四个典型焦炉的交换方式：6.25米捣固焦炉和6.78米捣固焦炉，采用的是开闭器铊式交换，另一个是7米顶装焦炉越南海外版和7.65米顶装焦炉，采用的是交换旋塞式交换。上述焦炉都是中冶焦耐工程技术有限公司最近10年在国内外具有较强竞争力的炉型，同时也代表了现代焦炉的自动化加热水平，也是未来一段时间有较强竞争力的炉型。
2. 工艺流程分析
2.1 JN6.25米捣固焦炉交换流程分析
将贫煤气供入炉内采用侧入式。机、焦侧贫煤气主管布置在地下室两侧管沟内。采用煤气铊的上升和下降来进行各燃烧室的煤气交换，铊式双体交换开闭器安装在焦炉烟道走廊上，孔板盒和调节旋塞来进行煤气流量的调节，孔板盒和调节旋塞安装在高炉煤气主管上部的支管上，支管与交换开闭器之间采用连接弯管连接。见图1和图2。
图1 6.25米捣固焦炉贫煤气管道系统图 图2 6.25米捣固焦炉交换传动系统图
2.2 JN6.78米捣固焦炉交换流程分析
最近几年捣固焦炉主打炉型——6.78米捣固焦炉，同样采用开闭器铊式交换，将贫煤气供入炉内采用侧入式。孔板盒和调节旋塞来进行煤气流量的调节，孔板盒和调节旋塞安装在高炉煤气主管上部的支管上，支管与交换开闭器之间采用连接弯管连接。机、焦侧贫煤气主管布置在地下室两侧管沟内。采用煤气铊的上升和下降来进行各燃烧室的煤气交换，铊式双体交换开闭器安装在焦炉烟道走廊上。
与6.25米捣固焦炉的开闭器铊式交换不同的地方在于，将交换油缸的数量增加到了4个，增加除碳空气定时换向油缸和风门单独控制定时换向油缸，用于交换废气砣及空气蓄热室风门，同时也增加了焦炉加热系统在运行中的稳定性。
2.3 JN7米顶装焦炉（海外炉型）交换流程分析
将贫煤气供入炉内采用侧入式。机、焦侧贫煤气主管布置在地下室两侧管沟内。采用A、B型交换旋塞的交替开闭来控制各燃烧室煤气的交换，孔板盒和调节旋塞来进行煤气流量的调节，交换旋塞及孔板盒和调节旋塞安装在高炉煤气主管上部的支管上。见图3和图4.
图3 7米顶装焦炉贫煤气管道系统图 图4 7米顶装焦炉交换传动系统图
2.4 JN7.65米顶装焦炉交换流程分析
现有焦炉中最大炉型——7.65米顶装焦炉，同样采用交换旋塞交换，也是现有焦炉中自动化水平最高，运行最稳定的焦炉。同样将贫煤气供入炉内采用侧入式。机、焦侧贫煤气主管布置在地下室两侧管沟内。采用A、B型交换旋塞的交替开闭来控制各燃烧室煤气的交换，孔板盒和调节旋塞来进行煤气流量的调节，交换旋塞及孔板盒和调节旋塞安装在高炉煤气主管上部的支管上。
与7米顶装焦炉海外版不同的是，国内大部分7.65米顶装焦炉将液压交换机的8个油缸改为5个油缸，1、两个焦炉煤气油缸（用于单双数火道煤气的交换）；2、两个贫煤气油缸（用于单双数火道煤气的交换）；3、一个废气油缸（用于交换废气砣及空气蓄热室风门）。不过在这里要说明一点，国内焦化业主众多，同样也有使用8个油缸进行交换的，在此只是将国内普遍存在的7.65米顶装焦炉的交换传动配置水平拿出来做比较。
3. 设备、操作和技术的比较
3.1 相同点
从最近几年的焦炉发展来看，无论是捣固焦炉还是顶装焦炉，在加热交换传动的区域变化还是较大，还是到交换传动油缸的数量都有较大的区别，但是无论是开闭器铊式交换还是旋塞交换，都是采用液压交换机驱动交换拉条，以完成煤气、空气和废气定时换向，液压交换机能够根据使用需要进行顺序动作。液压交换机的具体动作包括焦炉煤气和贫煤气交换旋塞（或贫煤气铊），废气交换开闭器风门及废气砣等设备的动作，来满足焦炉加热的需要。
3.2 不同点
经过上述我们对国内外捣固和顶装的主体炉型的比较形成了如下的不同点总结：
根据上述不同点的比较，可以得出以下结论：
① 从交换设备结构上分析，开闭器煤气铊与密封面是双层刀边平面研磨的，靠煤气铊的自重来密封，密封性较差；交换旋塞的旋芯与壳体之间的接触面是锥形研磨的，靠弹簧的压力来密封，密封性很好。
交换旋塞组装图 开闭器煤气铊组装图
② 从开闭器煤气铊和交换旋塞的气密性试验标准分析，交换旋塞的标准明显高于开闭器煤气铊。
③ 从实际的工作环境分析，开闭器煤气铊的密封面直接与高温气体接触，会集结灰尘，而且煤气铊在开闭器内部，清理十分困难，所以大大影响煤气铊的密封性；交换旋塞都采用集中供油方式，机焦侧各设一个集中润滑供油管路，交换旋塞密封面会不断的自动注入甘油，这就更加确保交换旋塞的密封性，不过煤气中的灰尘也会粘在密封面上，需要定期用油清洗，给生产维护带来较大的工作量。
④ 从实际工作条件分析，交换开闭器安装在烟道走廊，处于负压操作，所以即使开闭器的煤气铊泄漏，贫煤气会随着废气排入大气中。在我国的焦化厂实际生产中还没有普及对废气的中一氧化碳含量进行检测，但是在日本等发达国家已经对废气进行监测，发现使用开闭器煤气铊交换的焦炉在投产一段时间以后会含有一定的一氧化碳，不仅浪费能源，还会污染环境；交换旋塞安装在焦炉地下室，处于正压操作，一旦发生煤气泄漏，就会直接排放到地下室大气中，危险性较大，所以在交换旋塞的空气口，连接了压缩空气管道，采用了压缩空气强制送风来保证旋塞的负压。
交换旋塞安装位置 开闭器安装位置
4. 投资比较
对于焦炉的建设和运行来说，建设单位更关心的是经济投资，下面将对6.25米和6.78米捣固焦炉以及7米和7.65米顶装焦炉，在交换传动的部分设备投资上进行比较，仅供参考。
这里要对上述投资数据进行一下说明，上述数据的来源是中冶焦耐在近10年对不同炉型的报价。首先这里有7米焦炉的海外版炉型，也就是中冶焦耐的越南台塑项目；其次这10年期间，焦化行业的投资产生了较大的变化，随着焦炭的供需关系和金属材料的价格欺负也变化较大；最后在某些年份也存在设计和设备制造的大小年，也就是说在焦化项目的大年里设备制造的价格也会有所提高。
不过，根据上面的数据显示，还是能清晰地看出，采用交换旋塞交换的焦炉要比采用开闭器铊式交换的焦炉在贫煤气设备上的吨焦投资要高出一些。
通过前面我们在技术上的对比，可以看出，采用交换旋塞进行贫煤气交换的焦炉在密封性，和密封性带来的安全性上来说都是优于采用开闭器铊式交换的焦炉的，所以在设计、制造、采购和施工成本上都会有一定的投资增加。
5. 结论
根据上述的对比和分析，以现代化捣固焦炉和顶装焦炉的基础，综合考虑环境保护及安全、生产操作及维护和建设投资，可以得出以下结论：
① 交换旋塞比开闭器煤气铊存在较大的安全性，安全性主要体现在交换旋塞的密封性能上，密封性能又是由交换旋塞的加工工艺所带来的。如果配上集中润滑装置和压缩空气强制送风系统，可以根本上解决贫煤气的泄漏问题。
② 交换旋塞交换不会向大气中泄漏一氧化碳，在现在国际和国家的碳中和、碳排放政策的大环境下，任何一点一氧化碳的泄露都不仅仅是环境的污染和能源浪费，而是带来了更大的设备加工水平和自动化水平的落后。
③ 设备的清洗维护，交换旋塞比开闭器煤气铊的清洗在人力和时间上都大幅减少，并且清洗的结果也更理想。因为交换旋塞的加热方式整体在大气中暴露得较少，并且高炉煤气的洁净度要高于焦炉煤气。
④ 经济投资上分析，除去国内外的差异和不同时间的差异，旋塞交换比开闭器铊式交换投资要大。
根据上述比较，旋塞交换和开闭器铊式交换各有优缺点，可根据需要，对比环保、操作和投资，选择合适的贫煤气交换方式。
参考文献：
[1]《焦化设计参考资料》冶金工业出版社 1980年 第373页
[2]《现代焦化生产技术手册》冶金工业出版社 2010年 第227页
[3]《工业企业煤气安全规程》2019年 第12页
[4]《焦炉生产技术》辽宁科技出版社 2003年 第74页
[5]“大型焦炉的下部调节方式”《燃料与化工》CN21-1164/TQ Vol.51,No,6 Nov,2020
