焦炭

焦炭是一种以固定碳为主要成分的固体燃料，通过将黏结性煤在隔绝空气的条件下加热至约1000℃进行干馏而得到的多孔性团块。其成分主要包括水分、灰分、挥发分和固定碳，元素组成有C、H、O、N、S和P。焦炭的真密度通常在1.8到1.95g/cm³之间，着火温度范围为450到650℃。它的反应性受到化学反应速度和扩散因素的影响，抗碱性则取决于矿石中的碱含量。现代焦炭生产过程包括洗煤、配煤、炼焦、熄焦以及煤气和化工产品的回收处理等多个步骤。

根据不同的应用需求，焦炭可以进一步分为冶金焦、铸造用焦、铁合金冶炼用焦、气化用焦和电石生产用焦等类型。在高炉冶炼中，焦炭主要作为热源、还原剂、料柱骨架和渗碳剂使用。此外，它还广泛应用于铸造、造气、电石生产和有色金属冶炼等领域。

冶金焦是高炉炼铁过程中不可或缺的重要原料，其使用量占据焦炭总产量的绝大部分，对质量有严格要求。在中国，不同规模的高炉对焦炭块度有不同的标准，大型高炉采用大于40毫米的大块焦，而中小型高炉则选用大于25毫米的块焦。对于铸造行业而言，为了提升化铁炉的熔炼效率和温度，需要使用块度大且均匀一致的焦炭。铁合金冶炼过程对焦炭的性能提出了特殊要求，包括良好的比电阻和化学活性，这些特性主要由其生产工艺的特性所决定。气化用焦作为合成氨或燃料气的原料，需具备优良的反应性能，通常选择气孔率高、耐磨性较差的小块焦。电石生产中使用的焦炭在电弧炉内与石灰石发生复杂反应，生成碳化钙即电石，这要求焦炭能在1800至2200摄氏度的高温下保持稳定。此外，焦炭还被用于有色金属冶炼以及钙、镁、磷肥等的生产。现代焦炭生产流程涵盖了洗煤、配煤、炼焦、熄焦以及煤气和化工产品的回收处理等多个步骤。洗煤环节旨在减少原煤中的灰分和其他杂质含量；配煤则是根据不同的需求将各种煤炭按比例混合以优化最终产品的质量。

炼焦用煤的选择须基于挥发分、粘结性和结焦性等关键指标，并确保低灰分、硫分和磷含量。同时，需评估炼焦过程中煤的膨胀压力，低挥发分煤可能因胶质体粘度高而产生较大膨胀压力，对炉体构成威胁。经济因素如煤价和运输距离也是重要考量。常用炼焦煤种包括气煤、肥煤、焦煤和瘦煤。通过配煤策略，即洗选后按比例混合不同结焦性的煤，旨在保障焦炭质量的同时，节约稀缺的主焦煤资源，拓宽煤源，并增加化工产品产量。

炼焦过程涉及将配好的煤料装入炭化室，在隔绝空气下，两侧燃烧室加热，使煤经历干燥、预热、热解、软化至半焦，最终形成高强度焦炭。熄焦步骤紧随炼焦之后，确保焦炭品质稳定。

干熄焦法是一种高效的焦炭冷却技术，其过程涉及将炽热的焦炭经由熄焦车进行喷水、惰性气体或二氧化碳逆流穿过红焦层实现热交换，以降低焦炭温度至200℃以下。此方法对环境污染极小，能有效提高焦炭质量，同时回收大量显热用于余热锅炉生产蒸汽。

在炼焦过程中，除了产出焦炭外，还伴随逸出高热值煤气及多种可提取的化工原料，包括冶金焦、煤焦油、氨、粗苯和焦炉煤气等。这些副产品不仅具有经济价值，也需妥善处理以减少环境影响。

蜂巢式炼焦炉作为一种先进的炼焦设备，以其独特的结构设计优化了炼焦过程，提高了能源利用效率和产品质量。

焦炭

蜂巢式炼焦炉以粘土砖砌成，因其顶部形似老式蜂巢的拱顶而得名。标准蜂巢炉的直径为3.63米，内部可容纳5至7吨煤，煤层厚度在45至60毫米之间。炉旁设有炉门，顶部则有装煤孔。这种焦炉通常成排建造，相邻两炉之间有隔墙，形成一长列共用烟道的炉组，这些炉组往往围绕煤矿内的山丘布局。装煤轨道铺设在炉顶，新采掘的煤可直接送入炉内，无需额外粉碎或配煤处理；而装焦炭的轨道则设于炉旁。蜂巢式焦炉的设备和操作相对简单，易于大规模建设，并可根据需求灵活启动或停用，且其启停过程无需大量资金投入。

倒焰式焦炉是一种高效的炼焦设备，其设计特点包括窄长的炭化室和直立的燃烧室火道。该技术通过在炭化室内生成煤气，并在两侧及底部的火道中进行燃烧来提供炼焦所需的热量。这种焦炉能够实现不回收化学产品的技术改革，缩短了结焦时间，提高了热量利用率，并允许使用低挥发份的煤来生产冶金焦。此外，由于隔绝空气加热和外部消火措施的实施，焦炭产率得以提升。尽管存在一些局限性，如产生的煤气不足以自给自足且无法调节送入燃烧室的煤气量，但其在高炉炼铁、铸造、造气、电石生产和有色金属冶炼等领域的应用仍然广泛。

在高炉炼铁过程中，焦炭扮演着至关重要的角色。它不仅作为热源为高炉提供必要的热量，而且作为还原剂参与铁矿石的还原过程。同时，焦炭还构成了料柱的骨架结构，有助于维持高炉内物料的稳定性，并作为渗碳剂影响最终产品的质量。

在高炉冶炼过程中，实现金属铁与氧的化学及机械分离需消耗大量热量。这些热量主要来源于三个方面：热风带入高炉的热量、喷吹燃料在风口前的燃烧释放热量以及焦炭在风口前的燃烧释放热量，其中以焦炭燃烧提供的热量占比最大。对于全焦冶炼的高炉而言，生产1吨铁水通常需要消耗500至600公斤的焦炭，几乎为高炉提供全部所需热量。而在采用风口前喷吹燃料的高炉中，尽管存在其他热源，焦炭所提供的热量仍占全部热量的70%至80%。

还原剂的作用：

矿石被投入高炉顶端后，在向下移动的过程中与煤气相遇并经历还原反应。该还原过程可分为间接还原和直接还原两个阶段。在间接还原阶段，上升的炉气中的一氧化碳（CO）将铁矿石中的高价铁氧化物还原为低价铁或金属铁，同时生成二氧化碳（CO₂），此过程主要发生在高炉上部的块状带区域。直接还原则发生在高炉的高温区，这里一氧化碳将铁氧化物进一步还原，产生的二氧化碳在高温下迅速与焦炭中的碳发生反应重新生成一氧化碳。

料柱骨架的重要性：

在高炉冶炼过程中，焦炭作为关键原料之一，其堆积密度最小且块度最大，占据了炉料总体积的35%至50%。高温区矿石软化熔融后，焦炭成为唯一固态存在物，支撑料柱并保持其良好的透气性和透液性，对炉况顺行至关重要。

生铁中的碳含量主要来自焦炭，约占入炉焦炭含碳量的7%至10%，这一过程主要发生在高炉软熔带和滴落带。液态渣铁与焦炭接触面积增大，加速了铁水的渗碳过程，最终在滴落带基本完成渗碳。

铸造焦作为冲天炉燃料提供热量并进行渗碳，气化焦则用于提高化铁炉温度。在电石生产中，焦炭作为导电体和发热体，而气化工业用焦则用于制造发生炉煤气和水煤气。