焦炭

簡介

焦炭是固體燃料的一種。由煤在約1000℃的高溫條件下經干餾而獲得。主要成分為固定碳，其次為灰分，所含揮發分和硫分均甚少。呈銀灰色，具金屬光澤。質硬而多孔。

其發熱量大多為26380～ 31400kJ/kg(6300～7500kcal/kg)。按用途不同，有冶金焦炭、鑄造用焦和化工用焦三大類。按尺寸大小，又有塊焦、碎焦和焦屑等之分。主要用于冶煉鋼鐵或其他金屬，亦可用作制造水煤氣、氣化和化學工業等的原料。

焦炭亦稱“焦塊”、“焦渣”。煤在鍋爐爐內加熱到850℃以上時，隨著溫度升高，煤中的有機物分解， 其中揮發性產物逸出后， 殘留下的不揮發產物就是焦炭。其中包括能燃燒的固定碳和燃燒殘余物——灰分。燃燒時發出很短的藍色火焰，并釋放大量熱量。燃燒過程緩慢而持久，且易在表面形成灰殼。為使焦炭燃盡，應設法及時除去其灰殼。焦炭的物理性質(如粘結性等)，對于層燃爐的運行具有較大的影響。

焦炭產量約占焦化產品的75%左右。焦炭主要用于煉鐵，它在生鐵生產成本中約占1/2～1/3。高爐冶煉過程實際上是將鐵礦石還原的過程， 焦炭即充當了還原劑和熱量來源。

焦炭又可用于肥料工業， 利用焦炭與水蒸氣、空氣作用， 制成半水煤氣， 然后再使氫與空氣中的氮結合生成氨。焦炭還是生產乙炔、氰氨基鈣、二硫化碳和電極等反應劑，也是城市煤氣工業的重要原料。從中國焦炭產量分布情況看，中國煉焦企業地域分布不平衡，主要分布于華北、華東和東北地區。 [2] 

主要成分是固定碳，揮發物很少，燃燒時無煙。熱值約為25104 kJ/kg—31380 kJ/kg。銀白色或灰黑色，有金屬光澤，堅硬多孔。大塊的稱作塊焦或冶金焦，小塊稱作碎焦，粉末的稱作焦屑。鐵合金生產中用焦炭作還原劑，要求焦炭的固定碳越高越好，灰分越少越好。其粒度對冶煉有很大影響。粒度大的焦炭，比電阻小，導電性強，電極下插困難，電爐熱損失增加，粒大的焦炭反應表面也小，還原能力相應降低，故粒大的焦炭加入爐內會使爐況惡化。粒度小的焦炭，比電阻大，接觸面大，會使電極深插，熱損失少，但粒度過小又會降低爐料的透氣性，造成刺火塌料。

焦炭物理性質包括焦炭篩分組成、焦炭散密度、焦炭真相對密度、焦炭視相對密度、焦炭氣孔率、焦炭比熱容、焦炭熱導率、焦炭熱應力、焦炭著火溫度、焦炭熱膨脹系數、焦炭收縮率、焦炭電阻率和焦炭透氣性等。

焦炭的物理性質與其常溫機械強度和熱強度及化學性質密切相關。焦炭的主要物理性質如下：
平均比熱容為 0.808kj/（kgk）（100℃），1.465kj/（kgk）（1000℃）
熱導率為 2.64kj/（mhk）（常溫），6.91kj/（mhk）（900℃）；
著火溫度（空氣中）為 450-650℃；
干燥無灰基低熱值為 30-32KJ/g；

化學成分

焦炭反應性與二氧化碳、氧和水蒸氣等進行化學反應的能力，CRI =(G0—G1）/G0×100%（注：G0----試驗焦炭樣重量，g；G1----反應后焦炭樣重量，g；）。焦炭反應后強度是指反應后的焦炭再機械力和 熱應力作用下抵抗碎裂和磨損的能力。焦炭在高爐煉鐵、鑄造化鐵和固定床氣化過程中，都要與二氧化碳、氧和水蒸氣發生化學反應。由于焦與氧和水蒸氣的反應有與二氧化碳的反應類似的規律，因此大多數國家都用焦炭與 二氧化碳間的反應特性評定焦炭反應性。

焦炭反應性CRI及反應后強度CSR的重復性r不得超過下列數值：
CRIr≤2.4%
CSR：≤3.2%

焦炭反應性及反應后強度的試驗結果均取平行試驗結果的算術平均值。

焦炭是高溫干餾的固體產物，主要成分是碳，是具有裂紋和不規則的孔孢結構體（或孔孢多孔體）。裂紋的多少直接影響到焦炭的力度和抗碎強度，其指標一般以裂紋度（指單位體積焦炭內的裂紋長度的多少）來衡量。衡量孔孢結構的指標主要用氣孔率（指焦炭氣孔體積占總體積的百分數）來表示，它影響到焦炭的反應性和強度。不同用途的焦炭，對氣孔率指標要求不同，一般冶金焦氣孔率要求在 40 ～ 45% ，鑄造焦要求在 35 ～ 40% ，出口焦要求在 30% 左右。焦炭裂紋度與氣孔率的高低，與煉焦所用煤種有直接關系，如以氣煤為主煉得的焦炭，裂紋多，氣孔率高，強度低；而以焦煤作為基礎煤煉得的焦炭裂紋少、氣孔率低、強度高。焦炭強度通常用抗碎強度和耐磨強度兩個指標來表示。焦炭的抗碎強度是指焦炭能抵抗受外來沖擊力而不沿結構的裂紋或缺陷處破碎的能力，用 M40 值表示；焦炭的耐磨強度是指焦炭能抵抗外來摩檫力而不產生剝離形成碎屑或粉末的能力，用 M10 值表示。焦炭的裂紋度影響其抗碎強度M40 值，焦炭的孔孢結構影響耐磨強度 M10 值。M40 和 M10 值的測定方法很多，中國多采用德國米貢轉鼓試驗的方法。

質量指標

1 、焦炭中的硫分：硫是生鐵冶煉的有害雜質之一，它使生鐵質量降低。在 煉鋼生鐵 中硫含量大于 0.07% 即為廢品。由高爐爐料帶入爐內的硫有 11% 來自礦石； 3.5% 來自石灰石； 82.5% 來自焦炭，所以焦炭是爐料中硫的主要來源。焦炭硫分的高低直接影響到高爐煉鐵生產。當焦炭硫分大于 1.6% ，硫份每增加 0.1% ，焦炭使用量增加 1.8% ，石灰石加入量增加 3.7%，礦石加入量增加 0.3% 高爐產量降低 1.5 — 2.0%. 冶金焦的含硫量規定不大于 1% ，大中型高爐使用的冶金焦含硫量小于 0.4 — 0.7%。

2 、焦炭中的磷分：煉鐵用的冶金焦含磷量應在 0.02 — 0.03% 以下。

3 、焦炭中的灰分：焦炭的灰分對高爐冶煉的影響是十分顯著的。焦炭灰分增加 1% ，焦炭用量增加 2 — 2.5% 因此，焦炭灰分的降低是十分必要的。

4 、焦炭中的揮發分：根據焦炭的揮發分含量可判斷焦炭成熟度。如揮發分大于 1.5% ，則表示生焦；揮發分小于 0.5 — 0.7%，則表示過火，一般成熟的冶金焦揮發分為 1% 左右。

5 、焦炭中的水分：水分波動會使焦炭計量不準，從而引起爐況波動。此外，焦炭水分提高會使 M40 偏高， M10 偏低，給轉鼓指標帶來誤差。

6 、焦炭的篩分組成：在高爐冶煉中焦炭的粒度也是很重要的。中國過去對焦炭粒度要求為：對大焦爐（1300 — 2000 平方米）焦炭粒度大于 40 毫米；中、小高爐焦炭粒度大于 25 毫米。但一些 鋼 廠的試驗表明，焦炭粒度在 40 — 25 毫米為好。大于 80 毫米的焦炭要整粒，使其粒度范圍變化不大。這樣焦炭塊度均一，空隙大，阻力小，爐況運行良好。

一級指標

冶金焦是高爐焦、鑄造焦、鐵合金焦和有色金屬冶煉用焦的統稱。由于 90% 以上的冶金焦均用于高爐煉鐵，因此往往把高爐焦稱為冶金焦。中國制定的冶金焦質量標準（GB/T1996-94）就是高爐質量標準。

工業指標

指標    Ⅰ    Ⅱ    Ⅲ

灰分 A d/ %    不大于 12.00    12.01-13.50    13.51-15.00

硫分 S t,d/%    不大于 0.060    061-0.80    0.81-1.00

機械強度 抗碎強度 M40 /%

(按供需雙方協議)    大于 92.0    92.0-88.1    88.0-83.0

耐抹強度 M 10 /%    不大于 7.0    ⒏5    10.5

揮發分 V daf /%    不大于1.9

水分含量 M t/ %    ⒋0 ± 1.0    ⒌0 ± 2.0    不大于 12.0

焦末含量 /%    不大于 4.0    5.0    12.0

注 : 水分只作為生產操作中控制技術，不作質量考核依據

指標    特級    一級    二級

塊度 .mm    >80    80-60    >60

水分 .%    不大于5.0

灰分 .%    ≤ 8.00    ⒏01-10.00    ⒑01-12.00

揮發分    不大于 1.50

硫分 .% (不大于)    0.60    0.80    0.80

轉鼓強度.% 不小于    85.0    81.0    77.0

落下強度.% 不小于    92.0    88.0    84.0

顯氣孔率.% 不大于    40    45    45

碎焦率（<40mm） %    不大于 4.0

注：1. 表內三級鑄造焦炭按塊度分為三類：大于 80mm 、 80-60mm 、大于 60mm （統焦，強度指標以大于 80mm 為準）。
⒉ 表內規定的：塊度（mm）、灰分（%）、強度（%）都是質量考核指標，以上指標人一項達不到規定的級別時，則不能作為該級驗收，（強度指標）

用途

焦炭主要用于高爐煉鐵和用于銅、鉛、鋅、鈦、銻、汞等有色金屬的鼓風爐冶煉，起還原劑、發熱劑和料柱骨架作用。煉鐵高爐采用焦炭代替木炭，為現代高爐的大型化奠定了基礎，是冶金史上的一個重大里程碑。為使高爐操作達到較好的技術經濟指標，冶煉用焦炭（冶金焦）必須具有適當的化學性質和物理性質，包括冶煉過程中的熱態性質。焦炭除大量用于煉鐵和有色金屬冶煉（冶金焦）外，還用于鑄造、化工、電石和鐵合金，其質量要求有所不同。如鑄造用焦，一般要求粒度大、氣孔率低、固定碳高和硫分低；化工氣化用焦，對強度要求不嚴，但要求反應性好，灰熔點較高；電石生產用焦要求盡量提高固定碳含量。以下是不同焦粒度對應的詳細用途

機制焦：{冶金用；試用于鋼廠}

搗鼓焦粒度8cm-150cm: {化鐵水；用于電機殼、暖氣片、機械配重的鑄造}

肥煤焦 ：{化鐵水；用于電機殼、暖氣片、機械配重的鑄造}

大塊改良焦：{用于普通鑄造；機械配件等粗略部件適用于2-3.5噸的爐型}

定型焦粒度25cm：{用于普通鑄造和稍嚴格的鑄造產品；如水泵管件消防扣件等}

固定炭85以上；揮發分1.5.；灰分13.5；硫0.5以下 :

有搗鼓焦粒度8cm以上：{用于一般普通鑄造}

定型焦粒度25cm; {用于精密鑄造和球墨鑄造}

改良焦： （主焦煤煉） {用于精密鑄造和球墨鑄造適用}

固定炭86以上；硫0.5以下；灰分12 以下；揮發分1.5以下 :

搗鼓焦粒度4cm--8cm或10cm以上：{用于普通鑄造}

定型焦粒度25cm: {用于精密鑄造和球墨鑄造適用于3噸以上的爐型}

固定炭88以上；硫0.5以下；灰分10以下；揮發分1.5以下鑄造焦 :

定型焦粒度25cm:{適用于一切高級精密球墨鑄造和出口國際指標}

搗鼓焦8cm以上：{用于普通鑄造和嚴格的鑄造產品；如水泵管件消防扣件等}

固定炭788385以上高硫焦 :{用于化銅、化鋁、化塑料、化工用焦}

固定碳 83以上氣煤焦 : {用于一氧化碳的提取造氣，富含豐富的煤氣}

固定炭 78左右煤粉焦 : {鑄造部件退火、民用焦碳、化工焦碳、化銅、化鋁、塑料}

固定炭65左右煤泥焦 : {民用焦碳、鑄造部件退火、化工焦碳}

焦爐煤氣用途

目前，我國焦炭年產量超過4億t，每年可有近1000×108m3焦爐煤氣可作資源型開發利用。主要應用于制甲醇、化肥、發電、制氫、還原鐵。

1、焦爐煤氣用于生產甲醇

甲醇是重要的有機化工原料，也是優良的液體燃料，利用焦爐煤氣制造甲醇是我國目前焦爐煤氣綜合利用的主要方式。焦爐煤氣中含有25%以上的CH4,，只需將焦爐煤氣中的甲烷轉化成一定比例的CO和H2， 就能滿足合成甲醇的工藝要求。

2、焦爐煤氣用于生產化肥

用焦爐煤氣制合成氨也是焦爐煤氣綜合利用的重要途徑之一。數據表明，1720m3焦爐煤氣可以生產1t合成氨，進而合成尿素，生產成本低于以天然氣或無煙煤為原料的尿素生產工藝，成本優勢明顯。由于規定尿素為國家免稅產品，因此相比甲醇等化工產品來說，經濟效益具有較好的優勢。

3、焦爐煤氣用于發電

利用焦爐煤氣發電是較為成熟的技術，有：蒸汽發電、燃氣輪機發電、內燃機發電、燃氣—蒸汽聯合循環發電4類。蒸汽機的發電效率最低，不到30%，其次是燃氣機發電和內燃機發電，發電效率30%-35%。燃氣－蒸汽聯合循環發電技術是我國大中型鋼鐵聯合企業正在積極推廣的技術，是熱能資源的高效梯級綜合利用，其發電效率高達45％以上，在蘭州厚壁無縫鋼管、濟鋼、 寶鋼、太鋼等企業得到推廣。

4、焦爐煤氣制氫

氫氣是最清潔的能源，人類社會的發展目標是實現以氫能為主要能源。由于焦爐煤氣含有豐富的氫資源，用焦爐煤氣制氫的主要方法是采用變壓吸附技術從焦爐煤氣中分離氫氣。

目前，許多大中型焦化企業都在策劃設計和建設苯加氫裝置