焦炭

焦炭是一種以固定碳為主要成分的固體燃料，通過將黏結(jié)性煤在隔絕空氣的條件下加熱至約1000℃進行干餾而得到的多孔性團塊。其成分主要包括水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳，元素組成有C、H、O、N、S和P。焦炭的真密度通常在1.8到1.95g/cm3之間，著火溫度范圍為450到650℃。它的反應(yīng)性受到化學(xué)反應(yīng)速度和擴散因素的影響，抗堿性則取決于礦石中的堿含量。現(xiàn)代焦炭生產(chǎn)過程包括洗煤、配煤、煉焦、熄焦以及煤氣和化工產(chǎn)品的回收處理等多個步驟。

根據(jù)不同的應(yīng)用需求，焦炭可以進一步分為冶金焦、鑄造用焦、鐵合金冶煉用焦、氣化用焦和電石生產(chǎn)用焦等類型。在高爐冶煉中，焦炭主要作為熱源、還原劑、料柱骨架和滲碳劑使用。此外，它還廣泛應(yīng)用于鑄造、造氣、電石生產(chǎn)和有色金屬冶煉等領(lǐng)域。

冶金焦是高爐煉鐵過程中不可或缺的重要原料，其使用量占據(jù)焦炭總產(chǎn)量的絕大部分，對質(zhì)量有嚴格要求。在中國，不同規(guī)模的高爐對焦炭塊度有不同的標準，大型高爐采用大于40毫米的大塊焦，而中小型高爐則選用大于25毫米的塊焦。對于鑄造行業(yè)而言，為了提升化鐵爐的熔煉效率和溫度，需要使用塊度大且均勻一致的焦炭。鐵合金冶煉過程對焦炭的性能提出了特殊要求，包括良好的比電阻和化學(xué)活性，這些特性主要由其生產(chǎn)工藝的特性所決定。氣化用焦作為合成氨或燃料氣的原料，需具備優(yōu)良的反應(yīng)性能，通常選擇氣孔率高、耐磨性較差的小塊焦。電石生產(chǎn)中使用的焦炭在電弧爐內(nèi)與石灰石發(fā)生復(fù)雜反應(yīng)，生成碳化鈣即電石，這要求焦炭能在1800至2200攝氏度的高溫下保持穩(wěn)定。此外，焦炭還被用于有色金屬冶煉以及鈣、鎂、磷肥等的生產(chǎn)?，F(xiàn)代焦炭生產(chǎn)流程涵蓋了洗煤、配煤、煉焦、熄焦以及煤氣和化工產(chǎn)品的回收處理等多個步驟。洗煤環(huán)節(jié)旨在減少原煤中的灰分和其他雜質(zhì)含量；配煤則是根據(jù)不同的需求將各種煤炭按比例混合以優(yōu)化最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

煉焦用煤的選擇須基于揮發(fā)分、粘結(jié)性和結(jié)焦性等關(guān)鍵指標，并確保低灰分、硫分和磷含量。同時，需評估煉焦過程中煤的膨脹壓力，低揮發(fā)分煤可能因膠質(zhì)體粘度高而產(chǎn)生較大膨脹壓力，對爐體構(gòu)成威脅。經(jīng)濟因素如煤價和運輸距離也是重要考量。常用煉焦煤種包括氣煤、肥煤、焦煤和瘦煤。通過配煤策略，即洗選后按比例混合不同結(jié)焦性的煤，旨在保障焦炭質(zhì)量的同時，節(jié)約稀缺的主焦煤資源，拓寬煤源，并增加化工產(chǎn)品產(chǎn)量。

煉焦過程涉及將配好的煤料裝入炭化室，在隔絕空氣下，兩側(cè)燃燒室加熱，使煤經(jīng)歷干燥、預(yù)熱、熱解、軟化至半焦，最終形成高強度焦炭。熄焦步驟緊隨煉焦之后，確保焦炭品質(zhì)穩(wěn)定。

干熄焦法是一種高效的焦炭冷卻技術(shù)，其過程涉及將熾熱的焦炭經(jīng)由熄焦車進行噴水、惰性氣體或二氧化碳逆流穿過紅焦層實現(xiàn)熱交換，以降低焦炭溫度至200℃以下。此方法對環(huán)境污染極小，能有效提高焦炭質(zhì)量，同時回收大量顯熱用于余熱鍋爐生產(chǎn)蒸汽。

在煉焦過程中，除了產(chǎn)出焦炭外，還伴隨逸出高熱值煤氣及多種可提取的化工原料，包括冶金焦、煤焦油、氨、粗苯和焦爐煤氣等。這些副產(chǎn)品不僅具有經(jīng)濟價值，也需妥善處理以減少環(huán)境影響。

蜂巢式煉焦爐作為一種先進的煉焦設(shè)備，以其獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化了煉焦過程，提高了能源利用效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

焦炭

蜂巢式煉焦爐以粘土磚砌成，因其頂部形似老式蜂巢的拱頂而得名。標準蜂巢爐的直徑為3.63米，內(nèi)部可容納5至7噸煤，煤層厚度在45至60毫米之間。爐旁設(shè)有爐門，頂部則有裝煤孔。這種焦爐通常成排建造，相鄰兩爐之間有隔墻，形成一長列共用煙道的爐組，這些爐組往往圍繞煤礦內(nèi)的山丘布局。裝煤軌道鋪設(shè)在爐頂，新采掘的煤可直接送入爐內(nèi)，無需額外粉碎或配煤處理；而裝焦炭的軌道則設(shè)于爐旁。蜂巢式焦爐的設(shè)備和操作相對簡單，易于大規(guī)模建設(shè)，并可根據(jù)需求靈活啟動或停用，且其啟停過程無需大量資金投入。

倒焰式焦爐是一種高效的煉焦設(shè)備，其設(shè)計特點包括窄長的炭化室和直立的燃燒室火道。該技術(shù)通過在炭化室內(nèi)生成煤氣，并在兩側(cè)及底部的火道中進行燃燒來提供煉焦所需的熱量。這種焦爐能夠?qū)崿F(xiàn)不回收化學(xué)產(chǎn)品的技術(shù)改革，縮短了結(jié)焦時間，提高了熱量利用率，并允許使用低揮發(fā)份的煤來生產(chǎn)冶金焦。此外，由于隔絕空氣加熱和外部消火措施的實施，焦炭產(chǎn)率得以提升。盡管存在一些局限性，如產(chǎn)生的煤氣不足以自給自足且無法調(diào)節(jié)送入燃燒室的煤氣量，但其在高爐煉鐵、鑄造、造氣、電石生產(chǎn)和有色金屬冶煉等領(lǐng)域的應(yīng)用仍然廣泛。

在高爐煉鐵過程中，焦炭扮演著至關(guān)重要的角色。它不僅作為熱源為高爐提供必要的熱量，而且作為還原劑參與鐵礦石的還原過程。同時，焦炭還構(gòu)成了料柱的骨架結(jié)構(gòu)，有助于維持高爐內(nèi)物料的穩(wěn)定性，并作為滲碳劑影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

在高爐冶煉過程中，實現(xiàn)金屬鐵與氧的化學(xué)及機械分離需消耗大量熱量。這些熱量主要來源于三個方面：熱風(fēng)帶入高爐的熱量、噴吹燃料在風(fēng)口前的燃燒釋放熱量以及焦炭在風(fēng)口前的燃燒釋放熱量，其中以焦炭燃燒提供的熱量占比最大。對于全焦冶煉的高爐而言，生產(chǎn)1噸鐵水通常需要消耗500至600公斤的焦炭，幾乎為高爐提供全部所需熱量。而在采用風(fēng)口前噴吹燃料的高爐中，盡管存在其他熱源，焦炭所提供的熱量仍占全部熱量的70%至80%。

還原劑的作用：

礦石被投入高爐頂端后，在向下移動的過程中與煤氣相遇并經(jīng)歷還原反應(yīng)。該還原過程可分為間接還原和直接還原兩個階段。在間接還原階段，上升的爐氣中的一氧化碳（CO）將鐵礦石中的高價鐵氧化物還原為低價鐵或金屬鐵，同時生成二氧化碳（CO?），此過程主要發(fā)生在高爐上部的塊狀帶區(qū)域。直接還原則發(fā)生在高爐的高溫區(qū)，這里一氧化碳將鐵氧化物進一步還原，產(chǎn)生的二氧化碳在高溫下迅速與焦炭中的碳發(fā)生反應(yīng)重新生成一氧化碳。

料柱骨架的重要性：

在高爐冶煉過程中，焦炭作為關(guān)鍵原料之一，其堆積密度最小且塊度最大，占據(jù)了爐料總體積的35%至50%。高溫區(qū)礦石軟化熔融后，焦炭成為唯一固態(tài)存在物，支撐料柱并保持其良好的透氣性和透液性，對爐況順行至關(guān)重要。

生鐵中的碳含量主要來自焦炭，約占入爐焦炭含碳量的7%至10%，這一過程主要發(fā)生在高爐軟熔帶和滴落帶。液態(tài)渣鐵與焦炭接觸面積增大，加速了鐵水的滲碳過程，最終在滴落帶基本完成滲碳。

鑄造焦作為沖天爐燃料提供熱量并進行滲碳，氣化焦則用于提高化鐵爐溫度。在電石生產(chǎn)中，焦炭作為導(dǎo)電體和發(fā)熱體，而氣化工業(yè)用焦則用于制造發(fā)生爐煤氣和水煤氣。