煤炭炭化工艺优化：生产高质量冶金焦炭

冶金焦炭生产煤炭炭化概述

煤炭炭化亦称煤焦化。过程为煤在无空气或受控气氛中热分解，生成碳质残渣——焦炭。

煤炭炭化温度范围分类

煤炭炭化可在三个温度范围进行：

• 低温炭化——通常500-700℃。液体产物收率高、气体产物收率低。产生焦炭挥发分高、自由燃烧。
• 中温炭化——~800℃。生产无烟软焦。副产品特性似高温炭化。现极少采用。
• 高温炭化——>900℃。气体产物收率高、液体产物收率低。生产硬焦，通常用于焦煤生产冶金焦。

煤炭炭化过程

煤向焦炭转化随加热进行。达融融状态时，加热煤层软化熔融。~375-475℃煤分解形成塑性层。塑性层中破坏性蒸馏反应快速进行，挥发产物析出。~475-600℃焦油和芳烃化合物显著析出。气体和可冷凝蒸汽困在塑性团中，膨胀倾向使其膨胀。随反应进行、熔融带温度升高，煤塑性下降。持续加热和气体析出，熔融层逐渐重凝固成半焦，具典型细胞焦炭结构。此阶段焦炭仍含大量挥发分。温度进一步升高>600℃，破坏性蒸馏继续，析出气体和少量焦油。600-1100℃焦炭稳定化：焦炭收缩、结构发育、最终氢析出。最终反应发生：从极复杂高分子量烃中分离氢。随温度升高，焦炭收缩伴随收缩裂纹发育。

结焦机理

焦煤炭化时，先形成光学各向同性塑性团，继而逐渐形成层状向列液晶。此聚合相称中相。为各向同性流体煤与最终由中相形成固体各向异性半焦间中间相，性能介于固液间。若中相流动性极高则立即聚结成单一大单元。随温度升高范围，中相连续形成、尺寸增长最终相互接触。致使中相固化转化为焦煤光学各向异性焦炭纹理。

焦煤历史

史料记载古代中国第四世纪生产焦炭。中国人不晚于九世纪首用焦炭取暖烹饪。1709年英国建立焦炭高炉生产铸铁。18世纪早期焦炭制造为在地面堆煤堆燃烧，仅外层燃烧，内部处于炭化状态。

“炉床”法焦炭制造用块煤，19世纪上半叶许多地区沿用。此法类似木炭燃烧，但用覆盖焦粉煤堆代替覆盖树枝叶土木堆。

随后发展出不同形状尺寸蜂窝炉满足炼铁对硬焦日增需求。

蜂窝炉

蜂窝炉为简易耐火砖室，拱顶使内部呈旧式蜂窝状。典型尺寸宽4 m、高2.5 m。蜂窝炉通常排成排建，邻炉共用墙。一排炉称一座。一座通常含多炉，有时数百。蜂窝炉典型剖面见图1。

图1 蜂窝炉典型剖面

装煤轨道沿炉顶延伸；出焦轨道沿炉侧。拱顶有孔从顶部装煤或引火物。卸料孔在下部周壁。

煤通过拱顶孔装入空炉，成锥形堆，用通过门耙平成均匀层，深度约600-900 mm。

炭化靠炉墙上一炉残留热启动。装煤后几乎立即从煤产生挥发分气体。燃烧空气通过炉门顶部开口或侧门进入。炭化开始产生挥发分在半闭侧门内燃烧。炭化自上而下进行。热量由燃烧挥发分供给，无副产品回收。废气排放大气。

焦化时间主要取决于煤层深度，48-72小时。炭化进行中析出气体体积减小，门开口相应减小或顶部加砖调节。调节空气量防止过量空气进入，否则会烧掉部分焦炭并可能冷却炉子。

热焦用水淬火通过侧门人工出焦。焦化完成开门，白热焦经水流淬火。淬火焦人工耙出装入火车运输。炉墙拱顶保留足够热量启动下一炉炭化。

煤在焦炉燃烧时，未随气体驱除的煤杂质积累形成渣，实为去除杂质聚集体。非目标焦炭产品，渣或弃用或作砖、混合水泥甚至肥料成分。

新炉用煤或木材预热升温后再装煤。

蜂窝炉焦化因产量小、污染极大现已淘汰。但仍在使用。

副产品焦炉

全球最大量焦炭产自副产品焦炉。煤在无空气中炭化，炉子正压操作。此焦炉焦化称副产品焦化，因炉气收集送副产品厂回收各种副产品。大多数副产品焦炉集成于钢铁联合企业供焦炉煤气。

副产品焦炉焦化详情及焦炉副产品厂见单独文章：https://www.ispatguru.com/coke-making-in-byproduct-coke-oven-batteries/ 和 https://www.ispatguru.com/coke-oven-by-product-plant/。

非回收焦炉

非回收焦炉中煤在大炉室炭化。炭化从顶部辐射传热和底部底板传导传热进行。一次燃烧空气通过炉室两侧推焦侧和焦侧门上方装料水平面上方若干口进入。部分燃烧气体经炉壁“下降管”进入底部烟道，加热炉底。燃烧气体汇集共用隧道经烟囱排出，在炉内形成自然通风。因不回收副产品称非回收焦化。这些炉通常废气进入余热锅炉转换多余热为蒸汽发电，故也称热回收焦化。非回收焦炉焦化详见：https://www.ispatguru.com/non-recovery-coke-ovens-battery/。