焦炭的性质、生产与应用全指南

mysmile 百科 2025-09-11 20

焦炭的性质、生产与应用全指南

焦炭

焦炭（coke）是一种以固定碳为核心成分的固体酒精，由黏结性煤在缺氧环境下加热到约1000℃进行干馏而生成的多孔性块状固体。根据工业分析，焦炭由水分、灰分、挥发分和固定碳构成；其元素组成包括C、H、O、N、S和P。焦炭的真密度通常在1.8~1.95g/cm³之间，在空气中的点燃温度范围为450~650℃。其反应性受化学反应速率和扩散因素双重影响，抗碱性则取决于矿石中的碱金属含量。现代焦炭生产流程涵盖洗煤、配煤、炼焦、熄焦以及煤气与化工副产品的回收处理等多道工序。

依据应用领域的不同，焦炭通常分为冶金焦、铸造用焦、铁合金冶炼用焦、气化用焦和碳化钙生产用焦等类别。焦炭主要应用于高炉冶炼过程，发挥提供热源、充当还原剂、支撑料柱骨架和促进渗碳等多重作用。它还被广泛用于铸造、造气、碳化钙制造及有色金属冶炼等工业领域。

相关历史

中国焦炭的生产与应用历史，根据出土文物考证，可追溯至宋代。关于焦炭的最早文字记录见于1650年前后方以智所著的《物理小识》一书。其中详细记载了当时的焦炭炼铁工艺：“煤则各处产之，臭者烧熔闭之成石，再凿而入炉日礁，可五日不绝火，煎矿煮石，殊为省力。”

中国工业化规模的焦炭生产，始于1898年清政府创办的江西萍乡煤矿，当年焦炭产量达2.9万吨。同期，河北开滦煤矿也开始生产焦炭。中华人民共和国成立后的第一个五年计划之前，中国的现代大型焦炉均依赖外国设计，炼焦技术发展缓慢。在第一个五年计划期间，中国引进苏联技术作为基础，而苏联当时的炼焦技术已处于世界领先水平，因此中国炼焦技术迅速提升。1954年，中国自主设计了双联火道废气循环下喷式本-54型焦炉。

欧洲的炼焦技术比中国晚500年，初期采用露天烧炼方式。1603年，英国人休·普拉特发现：若烟煤在缺氧条件下加热，其内部的沥青和焦油物质可通过分馏被去除，剩余物质即为“焦炭”。1620年，英格兰伍斯特郡的达德利（Dud Dudley）首次成功应用焦炭炼铁。1708年，英国人达比（A.Darby）利用烟煤焦炭从铁矿石中成功冶炼出铁水。18世纪末，英国的炼焦和高炉技术传入欧洲大陆，从此焦炭取代木炭成为炼铁主要燃料。早期炼焦炉多为半开式砖窑，通过燃烧干馏煤气和部分煤直接加热干馏，这种方式焦炭产率低、灰分高、成熟度不均。随后发展出封闭式“蜂巢”焦炉。19世纪中期，出现了将炭化室与燃烧室分离的简易焦炉，即火焰炉，其中埃文斯—考比炉最为著名，这种焦炉显著提高焦炭产率，接近现代水平，但未回收荒煤气中的化学产品。

约1860年，法国及其他欧洲国家建成可回收副产品的焦炉，这种焦炉无蓄热室，无法利用废气余热，故称废热式焦炉。19世纪70年代，美国炼焦业较落后，德国技术更先进。德国博士海因里奇·考伯斯（H.Koppers）赴美，在伊利诺伊州建立焦炭公司，采用德式焦炉。考伯斯公司以控股形式扩张，进入公用事业领域。1881年，霍夫曼（G.Hoffmann）提出利用废气换热原理，并于1883年设计出首座奥托一霍夫曼型蓄热式焦炉，该炉下部设纵蓄热室。蓄热式焦炉降低能耗，使煤气出现剩余。1885年，希尔根·施托克（G.Hilgenstock）设计出煤气从底部进入立火道的焦炉，优化煤气分配，进一步降低耗热量。

1904年，考伯斯设计出各燃烧室配独立蓄热室的新焦炉，蓄热室与焦炉中心线垂直（横蓄热室），改善加热系统煤气调节与分配，成为现代焦炉原型。1907年，考伯斯成功采用外部气源（发生炉煤气）加热焦炉。1910年，考伯斯与维尔茨（A.Wirtz）等开发复热式焦炉。其公司焦炉技术20世纪初在美国快速发展。1941年~1943年，美国炼焦化工厂兴起，炼焦用煤量和焦炭产量居世界首位。

应用

焦炭产品主要用于高炉炼铁，其次用于铸造、造气、碳化钙生产和有色金属冶炼等领域。

高炉炼铁

焦炭在高炉冶炼中承担提供热源、作为还原剂、支撑料柱骨架和促进渗碳等功能。

提供热量

高炉冶炼过程需要大量热量完成金属铁与氧的分离，热量来源主要包括热风带入热量、喷吹燃料燃烧释热和焦炭燃烧释热，其中焦炭释热占比最大。全焦冶炼高炉中，每吨铁水消耗500~600kg焦炭，焦炭提供几乎全部热量。对于喷吹燃料的高炉，焦炭供热量仍占70%~80%。

提供还原剂

高炉中矿石从炉顶加入，下降过程中与煤气发生还原反应，分为间接还原和直接还原。间接还原是炉气中CO还原矿石，使高价铁氧化物还原为低价铁或金属铁，同时生成食品添加剂二氧化碳，发生于高炉上部块状带。直接还原在高炉高温区进行，CO还原生成的食品添加剂二氧化碳立即与焦炭中的碳反应生成CO。

料柱骨架

高炉炉料中焦炭堆积密度最小、块度最大，体积占炉料总体积35%~50%。在高温区，矿石软化熔融后，焦炭是唯一固态物料，作为支撑数十米料柱的骨架，确保料柱透气性和透液性，是炉况顺行的关键因素。

铁水渗碳

高炉冶炼生铁碳含量达4%~5%，大部分来自焦炭，进入生铁的碳约占入炉焦炭含碳量的7%~10%。在软熔带，液态渣铁产生，与焦炭接触面积增加，渗碳加速。在滴落带，铁水滴落与焦炭直接接触，渗碳过程快速完成。

其他用途

铸造焦用于冲天炉作燃料，主要提供热量并促进铁水渗碳。气化焦作为气化炉燃料，提升化铁炉温度。焦炭在碳化钙生产电弧炉中作导电体和发热体。气化工业用焦多用于制造发生炉煤气和水煤气。

分类

炼焦炉生产的焦炭根据用户需求分为六类：

高炉炼铁用冶金焦，占焦炭总产量90%以上，对质量要求最高。中国大型高炉使用大于40毫米的大块焦，中小高炉用大于25毫米的块焦。

化铁炉需焦炭块度大而均匀，以提高熔炼温度。

铁合金用焦要求比电阻高和化学活性好，由其生产工艺特性决定。

作为燃料气或合成氨原料气，要求焦炭反应性能好，可使用气孔率高、耐磨性差的小块焦。

碳化钙用焦加入电弧炉，在电弧热和电阻热高温作用（1800~2200℃）下，与石灰石反应生成熔融碳化钙，即电石。

主要用于有色金属冶炼和生产钙、镁、磷肥等。

生产过程炼焦过程

现代焦炭生产包括洗煤、配煤、炼焦、熄焦及煤气和化工产品回收处理等工序：

原煤炼焦前洗选，旨在降低灰分和去除杂质。

选择炼焦用煤基本要求是考察挥发分、粘结性和结焦性，确保低灰分、硫分和磷含量。还需考虑煤的膨胀压力，低挥发分煤胶质体粘度大，易产生高膨胀压力，损害焦炉砌体。炼焦用煤占生产成本比重高，选择时需考虑煤价和运输距离等经济因素。可用煤种包括气煤、肥煤、焦煤和瘦煤等。配煤是将不同结焦性煤洗选后按比例混合，旨在保证焦炭质量的同时节约主焦煤，扩大煤源，并多获化工产品。

将配好煤料装入炼焦炉炭化室，在缺氧条件下由两侧燃烧室供热，随温度升高经历干燥、预热、热分解、软化、半焦和结焦阶段，形成具有一定强度的焦炭。结焦过程变化如下：

炽热焦炭由熄焦车送水熄焦或凉焦，或用CO₂、惰性气体逆流穿过红焦层热交换，焦炭冷却至200℃以下，惰性气体升温至800℃左右，送余热锅炉产蒸汽，此为干熄焦法，污染小、焦炭质量高，可回收显热。

炼焦过程产出焦炭的同时，逸出高热值煤气及可提取化工产品的原料，如冶金焦、煤焦油、氨、粗苯、荒煤气。

炼焦炉蜂巢式炼焦炉

蜂巢式炼焦炉用粘土砖砌成，顶部呈拱顶状，类似蜂巢，故得名。标准蜂巢炉直径3.63米，内装5~7吨煤，铺成45～60毫米厚煤层。旁设炉门，顶有装煤孔。这种焦炉常成排建设，相邻炉间有隔墙，形成炉组，共享烟道。炉组多沿煤矿山岗周围设置。装煤车轨沿炉顶敷设，新煤可直接入炉，无需粉碎或配煤。装焦车轨设于炉旁。蜂巢式焦炉设备操作简单，易于大规模建设，且可灵活开工或停工，启停资金需求低。

倒焰式焦炉

倒焰式焦炉炼焦热量来自炭化室内产生的煤气，在两侧燃烧室火道和炉底火道中燃烧供应。倒焰式焦炉具窄长炭化室，底部有内衬耐火砖的炉门。燃烧室为直立火道而非水平火道。煤气从炭化室经炉顶两边火眼进入立火道，然后入炉底火道，再排入烟道，空气由炉顶吸入火道，火焰向下流动，故称倒焰式。倒焰式焦炉实现了不回收化学产品焦炉的技术革新，可推焦，结焦时间短，热量利用优于蜂巢式；可用低挥发分煤炼冶金焦，煤缺氧加热，炉外消火，焦炭产率高。但产生煤气不足自用，不能回收化学产品，送入燃烧室的煤气量不可调。

化学组成

焦炭化学成分分为有机成分和无机化合物成分。有机成分是以平面碳网为主的类石墨化合物，其他氢、氧、氮和硫与碳形成有机化合物，存在于焦炭挥发分中；无机成分是焦炭中的各种无机矿物质，以灰成分表征其组成。

工业分析

按焦炭工业分析，其成分为：固定碳：80%~85%，灰分：10%~18%，挥发分：1%~3%，水分含量因熄焦方法异，干法熄焦一般小于0.5%；湿法熄焦一般为4%~6%。

固定碳

焦炭固定碳指煤高温干馏后残留的固态可燃物质，工业分析中通过计算得出。固定碳是焦炭有效成分，含量越高，使用价值越大。

水分

高炉焦要求水分低且稳定。焦炭水分高则高炉冶炼焦比高，水分波动会导致上焦计量不准，引起炉温波动，影响高炉稳定。

灰分

灰分是焦炭中的惰性物和有害杂质，主要成分为高熔点的SiO₂和氧化铝等酸性氧化物。高炉冶炼中需加入氧化钙、MgO等碱性氧化物溶剂，与硅、铝等酸性氧化物反应生成低熔点化合物，形成流动性好的熔融炉渣，借密度差异和不相溶性，使炉渣与铁水分离并从高炉顺利排出。炉渣中氧化铝含量影响渣粘度及铁渣分离。焦炭灰分高，需提高烧结矿和炉渣碱度以利造渣，但对高炉生产不利，影响产量和消耗。通常，焦炭灰分每增1.0%，高炉焦比提高2.0%~3.0%，焦炭用量增2.0%~2.5%，炉渣量约增3.0%，溶剂消耗约增4.0%，生铁产量降2.0%~3.0%。

挥发分

焦炭挥发分是焦炭成熟度的标志。一般高炉冶炼用焦挥发分为1.2%左右。若挥发分大于1.8%，表明焦炭未熟，属生焦；若小于0.7%，表明焦炭过火，裂纹多易碎，小块焦多。

元素分析

按焦炭元素分析，其成分为：C（82%~87%），H（1%~1.5%），O（0.4%~0.7%），N（0.5%~0.7%），S（0.7%~1.0%），P（0.01%~0.25%）。

碳和氢是焦炭有效元素，氢的存在主要因焦炭残余挥发分，研究表明氢含量高低可更可靠标志焦炭成熟度。焦炭中碳的微晶结构对性质影响大，单纯碳含量不能作为质量评定指标。

硫是焦炭有害成分。冶金焦含硫量规定不大于1%，大中型高炉用冶金焦含硫量小于0.4—0.7%。焦炭中硫来自原料煤。煤干馏时，部分硫化物随挥发物逸出，50%～60%留焦炭中。焦炭中硫以多种形式存在，主要有煤中矿物质(如黄铁矿)分解产生的硫化物(如FeS、CaS)等；硫化物气化生成硫酸盐(如FeSO、CaSO₄等)；煤续集过程中析出含硫化合物与赤热焦炭作用，结合在碳晶格内的碳硫复合物。

磷也是焦炭有害元素，高炉炉料中磷全部转入生铁。转炉炼钢难除磷，要求生铁含磷低于0.01%～0.015%。但煤中磷几乎全留焦炭中，通常焦炭含磷约0.02%。

理化性质物理性质

焦炭物理性质包括基于阿基米得原理测量的散密度、真相对密度、视相对密度、气孔率；基于气体动力学测量的透气性；热学性质：比热容、热导率、热应力、着火温度、热膨胀系数、收缩率等。焦炭主要物理性质如下：

化学性质反应性

焦炭反应性指焦炭与二氧化碳、氧和水蒸气等进行化学反应的能力。

因焦炭与氧和水蒸气反应规律类似二氧化碳反应，多数国家用焦炭与二氧化碳反应特性评定反应性。焦炭与二氧化碳反应属气固相反应，反应速率受化学反应速度和扩散因素共同影响，与焦炭粒度、气孔结构、光学组织、比表面、灰分成分和含量等相关。

在1000±5℃下测定块焦与二氧化碳反应性时，同时获块焦反应性指数和反应后强度两指标，用于评价。反应性指数以CO₂反应后块焦质量损失百分数表示；反应后强度指反应后焦炭在机械力和热应力下抗碎裂和磨损能力，多用转鼓测定。焦炭反应性及反应后强度结果取平行试验算术平均值。

抗碱性

抗碱性指焦炭在高炉冶炼过程中抵抗碱金属及其盐类作用的能力。焦炭本身钾、钠等碱金属含量低，约0.1～0.3%(质量)，不足以产生有害影响。但高炉冶炼中，由矿石带入大量钾和钠，形成液滴或蒸气，造成碱循环并富集于焦炭，使炉内焦炭钾、钠含量远高于入炉焦，可达3%以上，这对焦炭产生有害影响。高碱负荷高炉中更严重，故抗碱性是对高炉焦的特殊要求。

焦炭抗碱性问题随高碱矿石利用而突出，提高抗碱能力需从焦炭生产和高炉冶炼两方面入手：

性能指标

焦炭因用途不同，质量要求异。供高炉冶炼用冶金焦质量指标包括工业分析、机械强度、粒度筛分组成、块度均匀系数等。铸造用铸造焦要求块度大、强度高、气孔率低和反应性低。气化用焦则应反应性高、气孔率大、耐磨性低。焦炭工业分析包括水分、灰分、硫分、挥发分等。机械强度包括抗碎强度指标M₂s(或M₄o)、耐磨指标Mo,铸造焦还有落下强度指标SI4。焦炭反应性(CRI)和反应后强度(CSR)作为评价高温强度的重要指标。

铸造焦炭

国家标准《铸造焦炭》（GB8729-88）指标如下：

冶金焦炭

冶金焦质量标准(GB/T1996—2003)如下：

物质结构

焦炭结构包括气孔结构和光学组织结构两部分。描述气孔结构的参数有气孔率、孔径分布、裂纹、比表面积等，光学组织结构划分为各向同性、镶嵌状、流动状、叶片状等类型。

气孔结构

焦炭是一种坚硬、以碳为主、含裂纹和缺陷的不规则多孔体，呈银灰色。肉眼可见纵横裂纹。沿粗裂纹掰开，仍含微裂纹的是焦块；将焦块沿微裂纹分开，得焦炭多孔体，即焦体。焦体由气孔和气孔壁构成，气孔壁又称焦质，主要成分为碳和矿物质。焦炭裂纹多少直接影响粒度和抗碎强度。裂纹度与气孔率高低与炼焦煤种直接相关，如气煤为主炼得的焦炭裂纹多、气孔率高、强度低；以焦煤为基础煤炼得的焦炭裂纹少、气孔率低、强度高。焦块微裂纹多少、焦体孔孢结构与耐磨强度、高温反应性能密切相關。孔孢结构通常用裂纹度、气孔率、气孔平均直径和比表面积等参数表示。

光学组织结构

焦炭显微结构研究对象是基质部分，即去除孔隙结构的剩余部分。焦炭显微结构为：各向同性结构，表面光滑，放大2400倍时多为不定型球状集合体，各方位无显著结构；镶嵌结构，各向异性，呈大小不等粒状体，放大2150倍时，结晶体多为完整晶体聚集体，聚集体各晶粒堆积方位不一，致集合体间有空隙；纤维状结构呈流动态，各向异性，放大1360倍时，由一定结晶性粉末体推移聚合而成，外表具棱角。

安全事宜

焦炭生产在高温多尘有煤气条件下进行。焦炉机械繁多，炼焦车间车辆往来频繁。电气设备中有明电线。操作须严格遵循安全技术规程。

使用高炉煤气加热时，严防一氧化碳中毒。除确保煤气不漏外，需配防毒面具。防煤气爆炸，煤气管设防爆阀、放散管和降压警报装置。消除焦炭粉尘影响，筛焦操作设密闭和有效通风装置。焦槽放焦应自动化。

产业现状

2022年，全球钢铁厂消耗约5.76亿吨焦炭。同时，贸易量为2845万吨，较2021年减4%。2023年上半年，全球炼钢焦炭贸易量为1168万吨，同比下降11.7%。中国仍是主要出口国，累计发货406万吨，同比减2%。美国出口大幅下降，累计发货57万吨，同比下降51%。2023年上半年最大进口国为欧盟，总量245万吨（同比下降6%）。

全球焦炭出口减少因2023年上半年全球钢铁产量下降。特别是欧洲钢铁需求低迷，致美国对欧盟出口下降。同时因各国（尤其是印度和巴西）国内产能大幅扩张，预计全球焦炭市场将逐渐萎缩。