焦碳

一種固體燃料，質硬、多孔、發熱量高、用煤高溫乾餾而成，多用於煉鐵。焦碳通常按用途分為冶金焦（包括高爐焦、鑄造焦和鐵合金焦等）、氣化焦和電石用焦等。

基本介紹

• 中文名：焦碳
• 外文名：coke
• 類型：燃料
• 特點：質硬、多孔、發熱量高
• 分類：氣化焦和電石用焦
• 學科：冶金

分類種類

焦碳通常按用途分為冶金焦（包括高爐焦、鑄造焦和鐵合金焦等）、氣化焦和電石用焦等。

由煤粉加壓成形煤，在經炭化等後處理製成的新型焦碳稱為型焦。

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。由於90%以上的冶金焦均用於高爐煉鐵，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。

套用歷史

1961年，在中國廣東新會發掘南宋末年（大約1270年前後）煉鐵遺址時，除找到爐渣、石灰石、鐵礦石外，還找到了焦炭。這是世界上冶鐵用焦炭的最早實例。

英國在1709年，由 Abraham Darby I 採用焦炭替代木炭煉鐵，獲得成功，並獲得了這項技術專利。

反應強度

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%（註：G0----試驗焦炭樣重量，g；G1----反應後焦炭樣重量，g;)。焦炭反應後強度是指反應後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。由於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。　中國標準（GB/T4000-1996）規定了焦炭反應性及反應後強度試驗方法。其做法是使焦炭在高溫下與二氧化碳發生反應沒，然後測定反應後焦炭失重率及其機械強度。焦炭反應性CRI及反應後強度CSR的重複性r不得超過下列數值：

CRIr≤2.4%　CSR：≤3.2%　焦炭反應性及反應後強度的試驗結果均取平行試驗結果的算術平均值。

物理性質

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、焦炭熱膨脹係數、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： 1. 真密度為 1.8-1.95g/cm³； 2. 視密度為 0.88-1.08g/ cm³； 3. 氣孔率為 35-55%； 4. 散密度為 400-500kg/ m³； 5. 平均比熱容為 0.808kj/（kg·k）（100℃），1.465kj/（kg·k）（1000℃）； 6. 熱導率為 2.64kj/（m·h·k）（常溫），6.91kg/（m·h·k）（900℃）； 7. 著火溫度（空氣中）為 450-650℃； 8. 乾燥無灰基低熱值為 30-32kj/g； 9. 比表面積為 0.6-0.8m²/g 。

焦炭的化學成分包括有機成分和無機成分兩大部分。 有機成分是以平面炭網為主體的類石墨 化合物，其他元素氫、氧、氮和硫與炭形成的有機化合物，則存在於焦炭揮發分中，無機成 分是存在於焦炭的各種無機礦物質，以焦炭灰成分表征其組成。 焦炭的化學成分主要用焦炭工業分析和焦炭元素分析來測定。（1）按焦炭元素分析， 焦炭成分為：炭 82%～87%，氫 1%～1.5%，氧 0.4%～0.7%，氮 0.5%～0.7%，硫 0.7%～1.0%， 磷 0.01%～0.25%。（2）按焦炭工業分析，其成分為：灰分 10%～18%，揮發分 1%～3%，固 定碳 80%～85%。 可燃基揮發分是焦炭成熟度的重要標誌， 成熟焦炭的可燃基揮發分為 0.7%～ 1.2%。

相關理論

氣化焦

氣化焦是專用於生產煤氣的焦碳。主要用於固態排渣的固定床煤氣發生爐內，作為氣化原料，生產以CO和H₂為可燃成分的煤氣。氣化過程的主要反應有：

焦碳

C+O₂→CO₂+408177KJ

CO₂+C→2CO-162142KJ

C+H₂O→CO+H₂-118628KJ

C+2H₂O→CO₂+2H₂-75115KJ

因為產生CO和H₂的過程均是吸熱反應，需要的熱量由焦碳的氧化、燃燒提供，因此氣化焦也是氣化過程的熱源。氣化焦要求灰分低、灰熔點高、塊度適當和均勻。其一般要求如下：固定炭>80%；灰分1250℃；揮發分<3.0%；粒度15-35mm和35mm兩級。冶金焦雖可以用作氣化焦，但由於受煉焦煤資源和價格等的限制，一般不用冶金焦制氣。以高揮發分粘結煤為原料生產的氣煤焦，塊度小、強度低，不適用於高爐冶煉，但它的氣化反應性好，可取代氣化焦用於制氣。

電石焦

電石用焦是在生產電石的電弧爐中作導電體和發熱體用的焦碳。電石用焦加入電弧爐中，在電弧熱和電阻熱的高溫（1800-2200℃）作用下，和石灰發生複雜的反應，生成熔融狀態的炭化鈣（電石）。其生成過程可用下列反應式表示：

CaO+3C→CaC₂+CO-46.52KL

電石用焦應具有灰份低、反應性高、電阻率大和粒度適中等特性，還要儘量除去粉末和降低水分。其化學成分和粒度一般應符合如下要求：固定碳大於84%，灰份小於14%，揮發份小於2%，硫份小於1.5%，磷分小於0.04%，水分小於1.0%，粒度根據生產電石的電弧爐容量而定：

粒度合格率要求在90%以上。

鐵合金焦

鐵合金焦是用於礦熱爐冶煉鐵合金的焦碳。鐵合金焦在礦熱爐中作為固態還原劑參與還原反應，反應主要在爐子中下部的高溫區進行。以冶煉歸鐵合金為例，其反應式為SiO₂（液）+2C（固）=Si（液）+2CO（氣），隨著反應的進行，焦碳中的固定碳不斷消耗，主要以CO形式從爐頂逸出。焦碳灰粉中的三氧化二鋁（Al₂O₃）、氧化鐵（Fe₂O₃)、氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)和五氧化二磷(P₂O₅)等，部分或大部分被還原出來，進入合金中；未參加反應的部分進入爐渣。焦碳中的硫和矽生成硫化矽和二硫化矽後揮發掉。冶煉不同品種的鐵合金，對焦碳質量的要求不一，生產矽鐵合金時對焦碳質量要求最高，所以能滿足矽鐵合金生產的鐵合金焦，一般也能滿足其他鐵合金生產的要求。

矽鐵合金生產對焦碳的要求是：固定碳含量高，灰份低，灰中有害物質三氧化二鋁和五氧化二磷等的含量要少，焦碳反應性好，焦碳電阻率特別是高溫電阻率要大，揮發份要低，有適當的強度和食糧的塊度，水分少而穩定。

中國冶標（YB/T034-92）規定了鐵合金焦的技術要求，要求粒度為2-8mm，8-20mm，8-25mm。其他指標見表

型焦是由煤粉等原料加壓成型煤，再經炭化等後處理製成的一種新型焦碳。型焦品種較多，按所用原料可分為褐煤型焦和無煙煤型焦等；按製備工藝可分為冷壓型焦和熱壓型焦兩類；按用途可分為高爐型焦和鑄造型焦等。

質量評價

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於 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。當焦炭硫分大於 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於 1% ，大中型高爐使用的冶金焦含硫量小於 0.4 — 0.7% 。

焦炭中的磷分

煉鐵用的冶金焦含磷量應在 0.02 — 0.03% 以下。

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。

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。如揮發分大於 1.5% ，則表示生焦；揮發分小於 0.5 — 0.7%，則表示過火，一般成熟的冶金焦揮發分為 1% 左右。

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。

焦炭的篩分組成

在高爐冶煉中焦炭的粒度也是很重要的。我國過去對焦炭粒度要求為：對大焦爐（ 1300 — 2000 平方米）焦炭粒度大於 40 毫米；中、小高爐焦炭粒度大於 25 毫米。大於 80 毫米的焦炭要整粒，使其粒度範圍變化不大。這樣焦炭塊度均一，空隙大，阻力小，爐況運行良好。

質量指標

焦碳是高溫乾餾的固體產物，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碳的力度和抗碎強度，其指標一般以裂紋度（指單位體積焦碳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（只焦碳氣孔體積占總體積的百分數）來表示，它影響到焦碳的反應性和強度。不同用途的焦碳，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。焦碳裂紋度與氣孔率的高低，與煉焦所用煤種有直接關係，如以氣煤為主煉得的焦碳，裂紋多，氣孔率高，強度低；而以焦煤作為基礎煤煉得的焦碳裂紋少、氣孔率低、強度高。焦碳強度通常用抗碎強度和耐磨強度兩個指標來表示。焦碳的抗碎強度是指焦碳能抵抗受外來衝擊力而不沿結構的裂紋或缺陷處破碎的能力，用M40值表示；焦碳的耐磨強度是指焦碳能抵抗外來摩檫力而不產生表面玻璃形成碎屑或粉末的能力，用M10值表示。焦碳的裂紋度影響其抗碎強度M40值，焦碳的孔孢結構影響耐磨強度M10值。M40和M10值的測定方法很多，我國多採用德國米貢轉鼓試驗的方法。