焦炭的化学性质

焦碳:一种固体燃料,质硬,多孔,发热量高.用煤高温干馏而成,多用于炼铁焦炭的种类：焦炭通常按用途分为冶金焦（包括高炉焦、铸造焦和铁合金焦等）、气化焦和电石用焦等。由煤粉加压成形煤，在经炭化等后处理制成的新型焦炭称为型焦。冶金焦是高炉焦、铸造焦、铁合金焦和有色金属冶炼用焦的统称。由于90%以上的冶金焦均用于高炉炼铁，因此往往把高炉焦称为冶金焦。中国制定的冶金焦质量标准（GB/T1996-94）就是高炉质量标准。气化焦是专用于生产煤气的焦炭。主要用于固态排渣的固定床煤气发生炉内，作为气化原料，生产以CO和H2为可燃成分的煤气。气化过程的主要反应有：C+O2→CO2+408177KJCO2+C→2CO-162142KJC+H2O→CO+H2-118628KJC+2H2O→CO2+2H2-75115KJ因为产生CO和H2的过程均是吸热反应，需要的热量由焦炭的氧化、燃烧提供，因此气化焦也是气化过程的热源。气化焦要求灰分低、灰熔点高、块度适当和均匀。其一般要求如下：固定炭80%；灰分15%；灰熔点1250摄氏度；挥发分3.0%；粒度15-35mm和35mm两级。冶金焦虽可以用作气化焦，但由于受炼焦煤资源和价格等的限制，一般不用冶金焦制气。以高挥发分粘结煤为原料生产的气煤焦，块度小、强度低，不适用于高炉冶炼，但它的气化反应性好，可取代气化焦用于制气。电石用焦是在生产电石的电弧炉中作导电体和发热体用的焦炭。电石用焦加入电弧炉中，在电弧热和电阻热的高温（1800-2200摄氏度）作用下，和石灰发生复杂的反应，生成熔融状态的炭化钙（电石）。其生成过程可用下列反应式表示：CaO+3C→CaC2+CO-46.52KL电石焦基础知识电石用焦是在生产电石的电弧炉中作导电体和发热用的焦炭。电石用焦加入电弧炉中，在电弧热和电阻热的高温（1800-2200℃）作用下，和石灰石发生复杂的发应，生成熔融状态的碳化钙（电石）。其生成过程可用下列发应式表示：CaO+3C→CaC2+CO-46.52KJ电石用焦应具有灰份低、反应性高、电阻率大和粒度适中等特性，还要尽量除去粉末和降低水分。其化学成分和粒度一般应符合如下要求：固定碳大于84%，灰份小于14%，挥发份小于2%，硫份小于1。5%，磷分小于0.04%，水分小于1.0%，粒度根据生产电石的电弧炉容量而定：电炉容量/KV•A粒度/mm＜50003-125000-100003-1510000-200003-18＞200003-20粒度合格率要求在90%以上。铁合金焦基础知识铁合金焦是用于矿热炉冶炼铁合金的焦炭。铁合金焦在矿热炉中作为固态还原剂参与还原反应，反应主要在炉子中下部的高温区进行。以冶炼归铁合金为例，其反应式为SiO2（液）+2C（固）=Si（液）+2CO（气），随着反应的进行，焦炭中的固定碳不断消耗，主要以CO形式从炉顶逸出。焦炭灰份中的三氧化二铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁和五氧化二磷等，部分或大部分被还原出来，进入合金中；未参加反应的部分进入炉渣。焦炭中的硫和硅生成硫化硅和二硫化硅后挥发掉。冶炼不同品种的铁合金，对焦炭质量的要求不一，生产硅铁合金时对焦炭质量要求最高，所以能满足硅铁合金生产的铁合金焦，一般也能满足其他铁合金生产的要求。硅铁合金生产对焦炭的要求是：固定碳含量高，灰份低，灰中有害物质三氧化二铝和五氧化二磷等的含量要少，焦炭反应性好，焦炭电阻率特别是高温电阻率要大，挥发份要低，有适当的强度和食粮的块度，水分少而稳定。中国冶标（YB/T034-92）规定了铁合金焦的技术要求，要求粒度为2-8mm，8-20mm，8-25mm。其他指标见表型焦是由煤粉等原料加压成型煤，再经炭化等后处理制成的一种新型焦炭。型焦品种较多，按所用原料可分为褐煤型焦和无烟煤型焦等；按制备工艺可分为冷压型焦和热压型焦两类；按用途可分为高炉型焦和铸造型焦等。焦炭的质量指标[焦炭的质量指标]焦炭是高温干馏的固体产物，主要成分是碳，是具有裂纹和不规则的孔孢结构体（或孔孢多孔体）。裂纹的多少直接影响到焦炭的力度和抗碎强度，其指标一般以裂纹度（指单位体积焦炭内的裂纹长度的多少）来衡量。衡量孔孢结构的指标主要用气孔率（只焦炭气孔体积占总体积的百分数）来表示，它影响到焦炭的反应性和强度。不同用途的焦炭，对气孔率指标要求不同，一般冶金焦气孔率要求在40～45%，铸造焦要求在35～40%，出口焦要求在30%左右。焦炭裂纹度与气孔率的高低，与炼焦所用煤种有直接关系，如以气煤为主炼得的焦炭，裂纹多，气孔率高，强度低；而以焦煤作为基础煤炼得的焦炭裂纹少、气孔率低、强度高。焦炭强度通常用抗碎强度和耐磨强度两个指标来表示。焦炭的抗碎强度是指焦炭能抵抗受外来冲击力而不沿结构的裂纹或缺陷处破碎的能力，用M40值表示；焦炭的耐磨强度是指焦炭能抵抗外来摩檫力而不产生表面玻璃形成碎屑或粉末的能力，用M10值表示。焦炭的裂纹度影响其抗碎强度M40值，焦炭的孔孢结构影响耐磨强度M10值。M40和M10值的测定方法很多，我国多采用德国米贡转鼓试验的方法。如表31-1所示。转故试验完成后，用孔径为40mm和10mm的筛子筛分，大于40mm粒级的百分数为M40值，小于10mm粒级的百分数为M10值。我国冶金焦规定的强度指标见表31-2。表31-1焦炭转鼓实验方法转鼓特性焦炭试样筛分强度指标直径/长度（mm）转速（转/分）转数（转）重量（kg）粒度（mm）孔形筛孔(mm)耐磨强度（粒极mm/指标）抗碎强度（粒极mm/指标）1000/10002510050〉60圆形40，1010/M1040/M40表31-2我国冶金焦强度指标（%）强度指标Ⅰ级冶金焦Ⅱ级冶金焦Ⅲ级冶金焦M4080.076.072.0M108.09.010.0表31-3几个国家冶金用焦炭与精煤灰分国标（Ad）国别中国美国原苏联德国法国日本Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级焦炭灰分（%）≤12.0≤13.5≤15.07.010.08.09.010.0精煤灰分（%）12.55.5～6.58.0～8.56.0～7.07.06.6～8.0焦炭的化学性质是由固定碳、挥发分、水分、灰分、硫分和磷分来决定的。（一）固定碳和挥发分固定碳是焦碳的主要成分。将焦炭再次隔绝空气加热到850℃以上,从中析出挥发物,剩余部分系固定碳和灰分。挥发物含量是焦炭成熟度的重要标志,挥发物含量过高表示焦炭不成熟(生焦),挥发物含量过低表示焦炭过烧(过火焦)、生焦耐磨性差，使高炉透气性不好，并能引起挂料，增加吹损，破坏高炉操作制度，过火焦易碎，易落入熔渣中，造成排渣难和风口烧坏等。（二）灰分焦碳燃烧后的残余物是灰分，它是焦炭中的有害杂质，其中主要是二氧化硅和三氧化二铝，还有氧化钙、氧化镁等氧化物，灰分石含量增高，固定碳减少。高炉冶炼过程中，为造渣所消耗的石灰石和热量将增加，高炉利用系数降低，焦比增加。因煤在炼焦过程中灰分全部转入焦炭，故焦炭灰分高低取决于煤的灰分。焦炭灰分越低，对高炉操作越有利。（三）水分焦炭在102~105℃的烘箱内干燥到恒重后的损失量为水分.冶金焦水分一般为3%~5%。焦炭水分应力求稳定，因高炉生产一般以湿焦计量，焦炭水分波动，对高炉操作不利，造成炉况波动。（四）硫分焦炭含硫占高炉配料中硫来源的80%以上，硫进入生铁后造成生铁含硫高，为除去这部分硫，需增加溶剂脱硫，影响高炉正常生产。在炼焦过程中，煤中含硫的70%~90%转入焦炭，故焦炭硫分的高低取决于煤的硫分，一般冶金焦硫分不大于0.9%。（五）磷分焦炭中的磷分在炼铁时大部分转入铁中，生铁含磷使其冷脆性变，在用于转炉炼钢时，磷给难以除掉，因此生铁中磷分越低越好。煤炼焦时磷分全部转入焦炭，故焦炭磷分高低取决于煤的磷分。构成煤炭有机质的元素主要有碳、氢、氧、氮和硫等，此外，还有极少量的磷、氟、氯和砷等元素。碳、氢、氧是煤炭有机质的主体，占95％以上；煤化程度越深，碳的含量越高，氢和氧的含量越低。碳和氢是煤炭燃烧过程中产生热量的元素，氧是助燃元素。煤炭燃烧时，氮不产生热量，在高温下转变成氮氧化合物和氨，以游离状态析出。硫、磷、氟、氯和砷等是煤炭中的有害成分，其中以硫最为重要。煤碳燃烧时绝大部分的硫被氧化成二氧化硫（SO2），随烟气排放，污染大气，危害动、植物生长及人类健康，腐蚀金属设备；当含硫多的煤用于冶金炼焦时，还影响焦炭和钢铁的质量。所以，“硫分”含量是评价煤质的重要指标之一。煤中的有机质在一定温度和条件下，受热分解后产生的可燃性气体，被称为“挥发分”，它是由各种碳氢化合物、氢气、一氧化碳等化合物组成的混合气体。挥发分也是主要的煤质指标，在确定煤炭的加工利用途径和工艺条件时，挥发分有重要的参考作用。煤化程度低的煤，挥发分较多。如果燃烧条件不适当，挥发分高的煤燃烧时易产生未燃尽的碳粒，俗称“黑烟”；并产生更多的一氧化碳、多环芳烃类、醛类等污染物，热效率降低。因此，要根据煤的挥发分选择适当的燃烧条件和设备。煤中的无机物质含量很少，主要有水分和矿物质，它们的存在降低了煤的质量和利用价值。矿物质是煤炭的主要杂质，如硫化物、硫酸盐、碳酸盐等，其中大部分属于有害成分。“水分”对煤炭的加工利用有很大影响。水分在燃烧时变成蒸汽要吸热，因而降低了煤的发热量。煤炭中的水分可分为外在水分和内在水分，一般以内在水分作为评定煤质的指标。煤化程度越低，煤的内部表面积越大,水分含量越高。“灰分”是煤碳完全燃烧后剩下的固体残渣，是重要的煤质指标。灰分主要来自煤炭中不可燃烧的矿物质。矿物质燃烧灰化时要吸收热量，大量排渣要带走热量，因而灰分越高，煤炭燃烧的热效率越低；灰分越多，煤炭燃烧产生的灰渣越多，排放的飞灰也越多。一般，优质煤和洗精煤的灰分含量相对较低。