焦炭生产工艺与应用
焦炭广泛用于高炉炼铁、冲天炉熔铁、铁合金冶炼和有色金属冶炼等生产，作为还原剂、能源和供炭剂，也应用于电石生产、气化和合成化学等领域作为原料。据统计，世界焦炭产量的90％以上用于高炉炼铁，冶金焦炭已经成为现代高炉炼铁技术的必备原料之一，被喻为钢铁工业的“基本食粮”，具有重要的战略价值和经济意义。我国是传统的焦炭生产和出口大国，近年来焦炭产量一直占世界焦炭产量的50％左右，出口量占世界贸易量的60%左右，根据中国炼焦行业协会的统计，我国2007 年和2008年焦炭产量分别达到3.3 亿吨和3.27 亿吨，出口为1400 万吨和1213 万吨，焦炭是我国目前为数不多排名世界第一位的、具有重要影响力的资源型产品。由烟煤、石油、沥青或者其他液体碳氢化合物为原料，在隔绝空气的条件下干馏得到的固体产物都可称之为广义的焦炭。本报告中所指焦炭相对上述范围较小，是指以烟煤为主要原料，在隔绝空气条件下通过室式焦炉中加热至950～1050℃干馏形成而得到的固体产物，特征通常表现为质地坚硬、多孔、呈银灰色并有不同粗细裂纹的炭质固体块状材料，其真相对密度为1.8～1.95，堆积密度为400～520kg/m3，肉眼可以观察到明显的纵横裂纹。
根据原料煤的性质、干馏的条件不同，可以形成不同规格和质量的高温焦炭，其中用于高炉冶炼的称高炉焦，用于冲天炉熔铁的称铸造焦，用于铁合金生产的称铁合金用焦，还有非金属冶炼用焦（以上统称冶金焦），以及气化用焦、电石用焦等。
一、炼焦煤
1．世界炼焦煤资源的分布
据统计，截止到2004 年底，全世界探明的煤炭总储量大约为4.3 万亿吨，其中前苏联、中国、美国、澳大利亚、加拿大、德国等世界前十名的主要产煤国的储量约占世界煤炭资源总量的95％。其中，炼焦煤不到硬煤资源量的1/10，肥煤、焦煤和瘦煤约占炼焦煤总量的1/2，低硫、低灰的优质炼焦煤资源大约有600 亿吨。在世界炼焦煤资源中，约有1/2 分布在亚洲地区,1/4 分布在北美洲地区，其余1/4 则分散在世界其他地区。
2．中国炼焦煤资源的储量与分布
中国煤炭探明可采储量仅次于美、俄，居于世界第三位，炼焦煤约占全部1 万多亿吨的“查明资源储量”中的26％，其中气煤（包括1/3 焦）占“查明资源储量”的12％，焦煤占6％，瘦煤、贫瘦煤和肥煤、气肥煤各占4％和3％。中国的炼焦煤资源以山西省为最多，“查明资源储量”达1000 多亿吨，占全国炼焦煤“查明资源储量”的56％强，“查明资源储量”居于第二位、
第三位的分别是安徽省和山东省，各在200 亿吨左右，其余各省“查明资源储量”依次为贵州、黑龙江、河北和河南，均不到100 亿吨。特别值得注意的是，近年来的地质勘探表明，新疆有较为丰富的煤炭资源，炼焦煤蕴藏量很可能要远远大于目前所知的80 亿吨的查明资源量。
3．煤中矿物质的来源
煤中矿物质是除了水分以外无机质的总称，一般来源有三个：（1）原生矿物质。原生矿物质是指存在于成煤植物中的矿物质，主要包括碱金属和碱金属盐类，有钠、镁、硫、磷、钒、钛等。原生矿物质参与煤的分子结构，与有机质紧密结合在一起，在煤中呈细分散分布，很难用机械方法洗选出来。（2）次生矿物质。次生矿物质是指成煤过程中，由外界混入煤层中的矿物质，通常以多种形态嵌布于煤中，选除的难易程度与分布形态有关，若在煤中分散均匀，且颗粒很小，就很难与煤分离，若颗粒较大，在煤中较为聚集，则将煤破碎后利用密度差可将其选除。（3）外来矿物质。外来矿物质是指在采煤过程中混入矸石，主要成分是SiO2、AL2O3和FeS2等，其块度越大、密度越大，越容易与煤分离，用一般选煤方法即可除去。
4．煤的元素组成
煤的组成以有机质为主体。煤中的有机质主要由碳、氢、氧、氮和硫等元素组成，其中碳、氢、氧元素之和占煤中有机质的95％以上，这些元素在煤有机质中的含量与煤的成因类型、煤的岩相组成和变质程度密切相关。此外，煤中还含有微量的磷、氯和某些金属元素。
5．炼焦煤中的灰分对焦炭质量的影响
煤的灰分是指煤中所有可燃物质完全燃烧时，煤中矿物质在一定温度下经过一系列分解、化合等复杂反应后剩下的残渣。煤的灰分与煤中矿物质有密切关系，对生产有不利影响。
（1）影响焦炭质量。灰分在炼焦生产中是一种无用的杂质，不仅不易破碎，造成的炼焦煤料的细度不好，而且在炼焦时不熔融，不粘结也不收缩，较大的颗粒在焦炭内形成裂纹中心，降低焦炭的机械强度。某些灰分还使焦炭的热反应性增强，焦炭的反应后强度降低。
（2）影响焦炉生产。如果煤中灰分的成分是熔点低的化合物，则对焦炉的操作有害处。例如在焦化室负压操作时，灰分很容易在炉墙表面熔融结疤，损害炉体。灰分太高时，还会影响正常推焦。（3）影响炼铁生产。煤中绝大部分灰分转入焦炭中，一般认为，焦炭灰分增加1％，炼铁焦比增加2％～2.5％，石灰石增加4％，高炉产量下降3％，所以通常情况下炼焦用煤的灰分不应大于10％。
6．煤中硫的形态
煤中硫通常以有机硫和无机硫的状态存在。
（1）煤中的有机硫。有机硫是指与煤有机结构相结合的硫，其组成结构非常复杂，存在形式有硫醇、硫醚等，主要来自于成煤植物中的蛋白质和微生物蛋白质，蛋白质中含硫量为0.3％～2.4％，而植物的总含硫量一般都小于0.5％，所以硫分在0.5％以下的大多数煤，一般都以有机硫为主。有机硫与煤中有机质共生，结为一体，分布均匀，不易清除。（2）煤中的无机硫。无机硫主要来自矿物质中各种含硫化合物，形态以硫化物硫和少量磷酸盐硫为主。硫化物硫清除的难易程度与硫化物的颗粒大小及分布状态有关，粒度大者可用洗选法除去，粒度极小且均匀分布在煤中者，就难以选除。
7．炼焦煤中硫的不利影响
煤中的硫对于炼焦、炼铁、气化、燃烧和储运都十分有害。
（1）煤在炼焦时，大约60％的硫进入焦炭，而带入高炉内的硫分则有80％以上是由焦炭产生的。硫的存在使得生铁具有热脆性，用这些生铁炼钢不能轧制能材。为了除去硫，在高炉生产中需要增加石灰石和焦炭用量，因而导致高炉生产能力降低，焦比升高。经验表明，焦炭中硫含量每增加0.1％，炼铁时焦炭和石灰石将分别增加2％，高炉生产能力下降2％～2.5％。因此炼焦煤配合煤要求硫分小于1％。
（2）煤中的硫，特别是硫铁矿，能加速煤的风化和自燃，破坏煤的黏结性，由此降低焦炭的机械强度。
（3）对炼焦化学产品的精制带来困难，腐蚀设备，影响化学产品质量；煤气中含硫分高，直接影响钢铁加工的产品质量。
8．烟煤的黏结性和结焦性
黏结性和结焦性是烟煤的重要工艺性质，煤的黏结性是评价炼焦用煤的主要指标，炼焦用煤必须有一定的黏结性。煤的黏结性是指烟煤在干馏时粘结其本身或外加惰性物的能力。煤的黏结性反映烟煤在干馏过程中能够软化熔融形成胶质体并固化黏结的能力。测定煤黏结性的试验一般加热速度较快，到形成半焦即停止。煤的黏结性是煤形成焦炭的前提和必要条件，炼焦煤中肥煤的黏结性最好。煤的结焦性是指煤在工业焦炉或模拟工业焦炉的炼焦条件下，结成具有一定块度和强度焦炭的能力。煤的结焦性反映烟煤在干馏过程中软化熔融黏结成半焦，以及半焦进一步热解、收缩最终形成焦炭全过程的能力。测定煤结焦性的试验一般加热速度较慢。结焦性好的煤除具备足够而适宜的黏结性外，还应在半焦到焦炭阶段具有较好的结焦能力。在炼焦煤中焦炭的结焦性最好。
