焦炭

简介

焦炭是固体燃料的一种。由煤在约1000℃的高温条件下经干馏而获得。主要成分为固定碳，其次为灰分，所含挥发分和硫分均甚少。呈银灰色，具金属光泽。质硬而多孔。

其发热量大多为26380～ 31400kJ/kg(6300～7500kcal/kg)。按用途不同，有冶金焦炭、铸造用焦和化工用焦三大类。按尺寸大小，又有块焦、碎焦和焦屑等之分。主要用于冶炼钢铁或其他金属，亦可用作制造水煤气、气化和化学工业等的原料。

焦炭亦称“焦块”、“焦渣”。煤在锅炉炉内加热到850℃以上时，随着温度升高，煤中的有机物分解， 其中挥发性产物逸出后， 残留下的不挥发产物就是焦炭。其中包括能燃烧的固定碳和燃烧残余物——灰分。燃烧时发出很短的蓝色火焰，并释放大量热量。燃烧过程缓慢而持久，且易在表面形成灰壳。为使焦炭燃尽，应设法及时除去其灰壳。焦炭的物理性质(如粘结性等)，对于层燃炉的运行具有较大的影响。

焦炭产量约占焦化产品的75%左右。焦炭主要用于炼铁，它在生铁生产成本中约占1/2～1/3。高炉冶炼过程实际上是将铁矿石还原的过程， 焦炭即充当了还原剂和热量来源。

焦炭又可用于肥料工业， 利用焦炭与水蒸气、空气作用， 制成半水煤气， 然后再使氢与空气中的氮结合生成氨。焦炭还是生产乙炔、氰氨基钙、二硫化碳和电极等反应剂，也是城市煤气工业的重要原料。从中国焦炭产量分布情况看，中国炼焦企业地域分布不平衡，主要分布于华北、华东和东北地区。 [2] 

主要成分是固定碳，挥发物很少，燃烧时无烟。热值约为25104 kJ/kg—31380 kJ/kg。银白色或灰黑色，有金属光泽，坚硬多孔。大块的称作块焦或冶金焦，小块称作碎焦，粉末的称作焦屑。铁合金生产中用焦炭作还原剂，要求焦炭的固定碳越高越好，灰分越少越好。其粒度对冶炼有很大影响。粒度大的焦炭，比电阻小，导电性强，电极下插困难，电炉热损失增加，粒大的焦炭反应表面也小，还原能力相应降低，故粒大的焦炭加入炉内会使炉况恶化。粒度小的焦炭，比电阻大，接触面大，会使电极深插，热损失少，但粒度过小又会降低炉料的透气性，造成刺火塌料。

焦炭物理性质包括焦炭筛分组成、焦炭散密度、焦炭真相对密度、焦炭视相对密度、焦炭气孔率、焦炭比热容、焦炭热导率、焦炭热应力、焦炭着火温度、焦炭热膨胀系数、焦炭收缩率、焦炭电阻率和焦炭透气性等。

焦炭的物理性质与其常温机械强度和热强度及化学性质密切相关。焦炭的主要物理性质如下：
平均比热容为 0.808kj/（kgk）（100℃），1.465kj/（kgk）（1000℃）
热导率为 2.64kj/（mhk）（常温），6.91kj/（mhk）（900℃）；
着火温度（空气中）为 450-650℃；
干燥无灰基低热值为 30-32KJ/g；

化学成分

焦炭反应性与二氧化碳、氧和水蒸气等进行化学反应的能力，CRI =(G0—G1）/G0×100%（注：G0----试验焦炭样重量，g；G1----反应后焦炭样重量，g；）。焦炭反应后强度是指反应后的焦炭再机械力和 热应力作用下抵抗碎裂和磨损的能力。焦炭在高炉炼铁、铸造化铁和固定床气化过程中，都要与二氧化碳、氧和水蒸气发生化学反应。由于焦与氧和水蒸气的反应有与二氧化碳的反应类似的规律，因此大多数国家都用焦炭与 二氧化碳间的反应特性评定焦炭反应性。

焦炭反应性CRI及反应后强度CSR的重复性r不得超过下列数值：
CRIr≤2.4%
CSR：≤3.2%

焦炭反应性及反应后强度的试验结果均取平行试验结果的算术平均值。

焦炭是高温干馏的固体产物，主要成分是碳，是具有裂纹和不规则的孔孢结构体（或孔孢多孔体）。裂纹的多少直接影响到焦炭的力度和抗碎强度，其指标一般以裂纹度（指单位体积焦炭内的裂纹长度的多少）来衡量。衡量孔孢结构的指标主要用气孔率（指焦炭气孔体积占总体积的百分数）来表示，它影响到焦炭的反应性和强度。不同用途的焦炭，对气孔率指标要求不同，一般冶金焦气孔率要求在 40 ～ 45% ，铸造焦要求在 35 ～ 40% ，出口焦要求在 30% 左右。焦炭裂纹度与气孔率的高低，与炼焦所用煤种有直接关系，如以气煤为主炼得的焦炭，裂纹多，气孔率高，强度低；而以焦煤作为基础煤炼得的焦炭裂纹少、气孔率低、强度高。焦炭强度通常用抗碎强度和耐磨强度两个指标来表示。焦炭的抗碎强度是指焦炭能抵抗受外来冲击力而不沿结构的裂纹或缺陷处破碎的能力，用 M40 值表示；焦炭的耐磨强度是指焦炭能抵抗外来摩檫力而不产生剥离形成碎屑或粉末的能力，用 M10 值表示。焦炭的裂纹度影响其抗碎强度M40 值，焦炭的孔孢结构影响耐磨强度 M10 值。M40 和 M10 值的测定方法很多，中国多采用德国米贡转鼓试验的方法。

质量指标

1 、焦炭中的硫分：硫是生铁冶炼的有害杂质之一，它使生铁质量降低。在 炼钢生铁 中硫含量大于 0.07% 即为废品。由高炉炉料带入炉内的硫有 11% 来自矿石； 3.5% 来自石灰石； 82.5% 来自焦炭，所以焦炭是炉料中硫的主要来源。焦炭硫分的高低直接影响到高炉炼铁生产。当焦炭硫分大于 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%，矿石加入量增加 0.3% 高炉产量降低 1.5 — 2.0%. 冶金焦的含硫量规定不大于 1% ，大中型高炉使用的冶金焦含硫量小于 0.4 — 0.7%。

2 、焦炭中的磷分：炼铁用的冶金焦含磷量应在 0.02 — 0.03% 以下。

3 、焦炭中的灰分：焦炭的灰分对高炉冶炼的影响是十分显著的。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 、焦炭中的挥发分：根据焦炭的挥发分含量可判断焦炭成熟度。如挥发分大于 1.5% ，则表示生焦；挥发分小于 0.5 — 0.7%，则表示过火，一般成熟的冶金焦挥发分为 1% 左右。

5 、焦炭中的水分：水分波动会使焦炭计量不准，从而引起炉况波动。此外，焦炭水分提高会使 M40 偏高， M10 偏低，给转鼓指标带来误差。

6 、焦炭的筛分组成：在高炉冶炼中焦炭的粒度也是很重要的。中国过去对焦炭粒度要求为：对大焦炉（1300 — 2000 平方米）焦炭粒度大于 40 毫米；中、小高炉焦炭粒度大于 25 毫米。但一些 钢 厂的试验表明，焦炭粒度在 40 — 25 毫米为好。大于 80 毫米的焦炭要整粒，使其粒度范围变化不大。这样焦炭块度均一，空隙大，阻力小，炉况运行良好。

一级指标

冶金焦是高炉焦、铸造焦、铁合金焦和有色金属冶炼用焦的统称。由于 90% 以上的冶金焦均用于高炉炼铁，因此往往把高炉焦称为冶金焦。中国制定的冶金焦质量标准（GB/T1996-94）就是高炉质量标准。

工业指标

指标    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

机械强度 抗碎强度 M40 /%

(按供需双方协议)    大于 92.0    92.0-88.1    88.0-83.0

耐抹强度 M 10 /%    不大于 7.0    ⒏5    10.5

挥发分 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 : 水分只作为生产操作中控制技术，不作质量考核依据

指标    特级    一级    二级

块度 .mm    >80    80-60    >60

水分 .%    不大于5.0

灰分 .%    ≤ 8.00    ⒏01-10.00    ⒑01-12.00

挥发分    不大于 1.50

硫分 .% (不大于)    0.60    0.80    0.80

转鼓强度.% 不小于    85.0    81.0    77.0

落下强度.% 不小于    92.0    88.0    84.0

显气孔率.% 不大于    40    45    45

碎焦率（<40mm） %    不大于 4.0

注：1. 表内三级铸造焦炭按块度分为三类：大于 80mm 、 80-60mm 、大于 60mm （统焦，强度指标以大于 80mm 为准）。
⒉ 表内规定的：块度（mm）、灰分（%）、强度（%）都是质量考核指标，以上指标人一项达不到规定的级别时，则不能作为该级验收，（强度指标）

用途

焦炭主要用于高炉炼铁和用于铜、铅、锌、钛、锑、汞等有色金属的鼓风炉冶炼，起还原剂、发热剂和料柱骨架作用。炼铁高炉采用焦炭代替木炭，为现代高炉的大型化奠定了基础，是冶金史上的一个重大里程碑。为使高炉操作达到较好的技术经济指标，冶炼用焦炭（冶金焦）必须具有适当的化学性质和物理性质，包括冶炼过程中的热态性质。焦炭除大量用于炼铁和有色金属冶炼（冶金焦）外，还用于铸造、化工、电石和铁合金，其质量要求有所不同。如铸造用焦，一般要求粒度大、气孔率低、固定碳高和硫分低；化工气化用焦，对强度要求不严，但要求反应性好，灰熔点较高；电石生产用焦要求尽量提高固定碳含量。以下是不同焦粒度对应的详细用途

机制焦：{冶金用；试用于钢厂}

捣鼓焦粒度8cm-150cm: {化铁水；用于电机壳、暖气片、机械配重的铸造}

肥煤焦 ：{化铁水；用于电机壳、暖气片、机械配重的铸造}

大块改良焦：{用于普通铸造；机械配件等粗略部件适用于2-3.5吨的炉型}

定型焦粒度25cm：{用于普通铸造和稍严格的铸造产品；如水泵管件消防扣件等}

固定炭85以上；挥发分1.5.；灰分13.5；硫0.5以下 :

有捣鼓焦粒度8cm以上：{用于一般普通铸造}

定型焦粒度25cm; {用于精密铸造和球墨铸造}

改良焦： （主焦煤炼） {用于精密铸造和球墨铸造适用}

固定炭86以上；硫0.5以下；灰分12 以下；挥发分1.5以下 :

捣鼓焦粒度4cm--8cm或10cm以上：{用于普通铸造}

定型焦粒度25cm: {用于精密铸造和球墨铸造适用于3吨以上的炉型}

固定炭88以上；硫0.5以下；灰分10以下；挥发分1.5以下铸造焦 :

定型焦粒度25cm:{适用于一切高级精密球墨铸造和出口国际指标}

捣鼓焦8cm以上：{用于普通铸造和严格的铸造产品；如水泵管件消防扣件等}

固定炭788385以上高硫焦 :{用于化铜、化铝、化塑料、化工用焦}

固定碳 83以上气煤焦 : {用于一氧化碳的提取造气，富含丰富的煤气}

固定炭 78左右煤粉焦 : {铸造部件退火、民用焦碳、化工焦碳、化铜、化铝、塑料}

固定炭65左右煤泥焦 : {民用焦碳、铸造部件退火、化工焦碳}

焦炉煤气用途

目前，我国焦炭年产量超过4亿t，每年可有近1000×108m3焦炉煤气可作资源型开发利用。主要应用于制甲醇、化肥、发电、制氢、还原铁。

1、焦炉煤气用于生产甲醇

甲醇是重要的有机化工原料，也是优良的液体燃料，利用焦炉煤气制造甲醇是我国目前焦炉煤气综合利用的主要方式。焦炉煤气中含有25%以上的CH4,，只需将焦炉煤气中的甲烷转化成一定比例的CO和H2， 就能满足合成甲醇的工艺要求。

2、焦炉煤气用于生产化肥

用焦炉煤气制合成氨也是焦炉煤气综合利用的重要途径之一。数据表明，1720m3焦炉煤气可以生产1t合成氨，进而合成尿素，生产成本低于以天然气或无烟煤为原料的尿素生产工艺，成本优势明显。由于规定尿素为国家免税产品，因此相比甲醇等化工产品来说，经济效益具有较好的优势。

3、焦炉煤气用于发电

利用焦炉煤气发电是较为成熟的技术，有：蒸汽发电、燃气轮机发电、内燃机发电、燃气—蒸汽联合循环发电4类。蒸汽机的发电效率最低，不到30%，其次是燃气机发电和内燃机发电，发电效率30%-35%。燃气－蒸汽联合循环发电技术是我国大中型钢铁联合企业正在积极推广的技术，是热能资源的高效梯级综合利用，其发电效率高达45％以上，在兰州厚壁无缝钢管、济钢、 宝钢、太钢等企业得到推广。

4、焦炉煤气制氢

氢气是最清洁的能源，人类社会的发展目标是实现以氢能为主要能源。由于焦炉煤气含有丰富的氢资源，用焦炉煤气制氢的主要方法是采用变压吸附技术从焦炉煤气中分离氢气。

目前，许多大中型焦化企业都在策划设计和建设苯加氢装置