第一節(jié) 焦炭定義及性質(zhì)
一、焦炭定義
焦炭是在高溫?zé)捊惯^程中，煙煤在隔絕空氣的條件下，加熱到950-1050℃，經(jīng)過干燥、熱解、熔融、粘結(jié)、固化、收縮等階段最終形成的主要固體產(chǎn)物，主要成分是炭，是具有裂紋和不規(guī)則的孔孢結(jié)構(gòu)體（或孔孢多孔體）。
二、焦炭的性質(zhì)
焦炭的物理性質(zhì)包括焦炭篩分組成、焦炭散密度、焦炭真相對(duì)密度、焦炭視相對(duì)密度、焦炭氣孔率、焦炭比熱容、焦炭熱導(dǎo)率、焦炭熱應(yīng)力、焦炭著火溫度、焦炭熱膨脹系數(shù)、焦炭收縮率、焦炭電阻率和焦炭透氣性等。焦炭的物理性質(zhì)與其常溫機(jī)械強(qiáng)度和熱強(qiáng)度及化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。焦炭的主要物理性質(zhì)如下：
真密度為1.8-1.95g/cm3；視密度為0.88-1.08g/cm3；氣孔率為35-55%；散密度為400-500kg/m3；平均比熱容為0.808kj/（kgk）（100℃），1.465kj/（kgk）（1000℃）；熱導(dǎo)率為2.64kj/（mhk）（常溫），6.91kg/（mhk）（900℃）；著火溫度（空氣中）為450-650℃；干燥無灰基低熱值為30-32KJ/g；比表面積為0.6-0.8m2/g。
焦炭在高爐煉鐵、鑄造化鐵和固定床氣化過程中，都要與二氧化碳、氧和水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。焦炭的反應(yīng)性是指其與二氧化碳、氧和水蒸氣等進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的能力。焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度是指反應(yīng)后的焦炭再機(jī)械力和熱應(yīng)力作用下抵抗碎裂和磨損的能力。通常焦炭的反應(yīng)性CRI及反應(yīng)后強(qiáng)度CSR的重復(fù)性r不得超過下列數(shù)值：CRIr≤2.4%；CSR：≤3.2%。
三、焦炭分類
高溫?zé)捊巩a(chǎn)生的焦炭主要用于高爐煉鐵和用于銅、鉛、鋅、鈦、銻、汞等有色金屬的鼓風(fēng)爐冶煉，起還原劑、發(fā)熱劑和料柱骨架作用。因此根據(jù)用途的不同，可以將焦炭分為三類即冶金焦、鑄造焦、半焦（蘭炭）。
冶金焦是高爐焦、鑄造焦、鐵合金焦和有色金屬冶煉用焦的統(tǒng)稱，孔率要求在40～45%。由于90%以上的冶金焦均用于高爐煉鐵，因此往往把高爐焦稱為冶金焦。
鑄造焦是專用與化鐵爐熔鐵的焦炭，氣孔率要求為35～40%。鑄造焦是化鐵爐熔鐵的主要燃料，其作用是熔化爐料并使鐵水過熱，支撐料柱保持其良好的透氣性。因此，鑄造焦應(yīng)具備塊度大、反應(yīng)性低、氣孔率小、具有足夠的抗沖擊破碎強(qiáng)度、灰分和硫分低等特點(diǎn)。
半焦（蘭炭）是利用神府煤田盛產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)侏羅精煤塊燒制而成的一種新型的炭素材料，結(jié)構(gòu)為塊狀，粒度一般在3mm以上，顏色呈淺黑色，主要有兩種規(guī)格：一是土煉蘭炭，二是機(jī)制蘭炭。具有固定炭高、比電阻高、化學(xué)活性高、含灰份低、鋁低、硫低、磷低的特性,正逐步取代冶金焦而廣泛運(yùn)用于電石、鐵合金、硅鐵.碳化硅等產(chǎn)品的生產(chǎn)。
第二節(jié) 焦炭發(fā)展歷程
中國是使用煤最早的國家之一，早在公元前就用煤冶煉銅礦石、燒陶瓷，至明代已用焦炭冶鐵。但煤作為化學(xué)工業(yè)的原料加以利用并逐步形成工業(yè)體系，則是在近代工業(yè)革命之后。煤中有機(jī)質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單元，是以芳香族稠環(huán)為核心，周圍連有雜環(huán)及各種官能團(tuán)的大分子（見煤化學(xué)）。這種特定的分子結(jié)構(gòu)使它在隔絕空氣的條件下，通過熱加工和催化加工,能獲得固體產(chǎn)品,如焦炭或半焦。同時(shí)，還可得到大量的煤氣(包括合成氣)，以及具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的化學(xué)品和液體燃料（如烴類、醇類、氨、苯、甲苯、二甲苯、萘、酚、吡啶、蒽、菲、咔唑等）。因此，煤化工的發(fā)展包含著能源和化學(xué)品生產(chǎn)兩個(gè)重要方面，兩者相輔相成，促進(jìn)煤炭綜合利用技術(shù)的發(fā)展。
初創(chuàng)時(shí)期主要為冶金用焦和煤氣的生產(chǎn)。18世紀(jì)中葉由于工業(yè)革命的進(jìn)展，英國對(duì)煉鐵用焦炭的需要量大幅度地增加，煉焦?fàn)t應(yīng)運(yùn)而生。1763年發(fā)展了將煤用于煉焦的蜂窩式煉焦?fàn)t，它是由耐火磚砌成圓拱形的空室，頂部及側(cè)壁分別開有煤料和空氣進(jìn)口。點(diǎn)火后，煤料分解放出的揮發(fā)性組分，與由側(cè)門進(jìn)入的空氣在拱形室內(nèi)燃燒，產(chǎn)生的熱量由拱頂輻射到煤層提供干餾所需的熱源，一般經(jīng)過48～72h，即可得到合格的焦炭。
18世紀(jì)末，煤用于生產(chǎn)民用煤氣。1792年，蘇格蘭人W.默多克用鐵甑干餾煙煤，并將所得煤氣用于家庭照明。1812年，這種干餾煤氣首先用于倫敦街道照明，隨后世界一些主要城市也相繼采用。1816年，美國巴爾的摩市建立了煤干餾工廠生產(chǎn)煤氣。從此，鐵甑干餾煤的工業(yè)就逐步得到發(fā)展。1840年，法國用焦炭制取發(fā)生爐煤氣，用于煉鐵。1875年，美國生產(chǎn)增熱水煤氣用作城市煤氣。1850～1860年，法國及歐洲其他國家相繼建立了煉焦廠。這時(shí)的煉焦?fàn)t已開始采用由耐火材料砌成的長方形雙側(cè)加熱的干餾室。室的每端有封閉鐵門，在推焦時(shí)可以開啟，這種爐就是現(xiàn)代煉焦?fàn)t（圖2）的雛形。焦炭雖是煉焦的主要目的產(chǎn)物，煉焦化學(xué)品的回收，也引起人們的重視。19世紀(jì)70年代德國成功地建成了有化學(xué)品回收裝置的焦?fàn)t，由煤焦油中提取了大量的芳烴，作為醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料等工業(yè)的原料。
第一次世界大戰(zhàn)期間，鋼鐵工業(yè)高速發(fā)展，同時(shí)作為火炸藥原料的氨、苯及甲苯也很急需，這促使煉焦工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，并形成煉焦副產(chǎn)化學(xué)品的回收和利用工業(yè)。1925年，中國在石家莊建成了第一座焦化廠，滿足了漢冶萍煉鐵廠對(duì)焦炭的需要。
1920～1930年間，煤低溫干餾的 研究 得到重視并較快發(fā)展，所得半焦可作民用無煙燃料，低溫干餾焦油則進(jìn)一步加工成液體燃料。1934年，在中國上海建成擁有直立式干餾爐和增熱水煤氣爐的煤氣廠，生產(chǎn)城市煤氣。
全面發(fā)展時(shí)期第二次世界大戰(zhàn)前夕及大戰(zhàn)期間，煤化工取得了全面而迅速的發(fā)展。納粹德國為了發(fā)動(dòng)和維持戰(zhàn)爭,大規(guī)模開展由煤制取液體燃料的 研究 工作,加速發(fā)展液體燃料的工業(yè)生產(chǎn)。1923年發(fā)明的由一氧化碳加氫合成液體燃料的費(fèi)托合成法，1933年開始工業(yè)生產(chǎn)，1938年產(chǎn)量已達(dá)590kt。1931年,F.柏吉斯由于成功地將煤直接液化制取液體燃料，而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)金。這種由煤高壓加氫液化制取液體燃料的方法，1939年已達(dá)到1.10Mt的年生產(chǎn)能力。在此期間，德國還建立了大型的低溫干餾工廠，以褐煤為主加入少量煙煤的壓型煤磚作為原料,開發(fā)了克虜伯-魯奇外熱式干餾爐及魯奇－斯皮爾蓋斯內(nèi)熱式干餾爐。所得半焦用于造氣,經(jīng)費(fèi)托合成制取液體燃料;低溫干餾焦油經(jīng)簡單處理后作海軍船用燃料，或經(jīng)高壓加氫制取汽油和柴油。1944年低溫干餾焦油年生產(chǎn)能力已達(dá)到945kt。第二次世界大戰(zhàn)末期，德國用加氫液化方法由煤及煤焦油年生產(chǎn)的液體燃料達(dá)4Mt,由煤生產(chǎn)液體燃料總量已達(dá)每年4.8Mt。與此同時(shí),工業(yè)上還從煤焦油中提取各種芳烴及雜環(huán)有機(jī)產(chǎn)品,作為染料、炸藥等的原料。此外,由煤直接化學(xué)加工制取磺化煤、腐植酸和褐煤蠟的小型工業(yè)，及以煤為原料制取碳化鈣，進(jìn)而生產(chǎn)乙炔從而以乙炔為原料的化學(xué)工業(yè)也獲得發(fā)展。
蕭條時(shí)期第二次世界大戰(zhàn)后，由于大量廉價(jià)石油和天然氣的開采，除煉焦工業(yè)隨鋼鐵工業(yè)的發(fā)展而不斷發(fā)展外，工業(yè)上大規(guī)模由煤制取液體燃料的生產(chǎn)暫時(shí)中止，不少工業(yè)化國家用天然氣代替了民用煤氣。以石油和天然氣為原料的石油化工飛速發(fā)展，致使以煤為基礎(chǔ)的乙炔化學(xué)工業(yè)的地位大大降低。值得提出的是南非由于其所處的特殊地理和政治環(huán)境以及資源條件，以煤為原料合成液體燃料的工業(yè)一直在發(fā)展。1955年SASOL-Ⅰ費(fèi)托合成法工業(yè)裝置建成。1977年，又開發(fā)了大型流化床反應(yīng)器，并先后開發(fā)SASOL-Ⅱ、SASOL-Ⅲ，1982年相繼建成兩座規(guī)模為年產(chǎn)1.6Mt的人造石油生產(chǎn)工廠。
技術(shù)開發(fā)時(shí)期1973年中東戰(zhàn)爭以及隨之而來的石油大幅度漲價(jià)，使由煤生產(chǎn)液體燃料及化學(xué)品的方法又重新受到重視。歐美等國對(duì)此又進(jìn)行了開發(fā) 研究 工作，并取得了進(jìn)展。如在煤直接液化的方法中發(fā)展了氫煤法、供氫溶劑法(EDS)和溶劑精煉煤法(SRC)等；在煤間接液化法中發(fā)展了SASOL法，將煤氣化制得合成氣,再經(jīng)合成制取發(fā)動(dòng)機(jī)燃料；亦可將合成甲醇再轉(zhuǎn)化生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)汽油，或直接作為燃料甲醇使用。
第三節(jié) 世界焦炭 市場發(fā)展 及預(yù)測
一、世界焦炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
世界主要國家焦炭產(chǎn)量分布
我國是焦炭生產(chǎn)大國，產(chǎn)量位居世界第一，占到世界焦炭產(chǎn)量的59%，排名第二的日本占到11%的份額。
在主要焦炭出口國中，中國、波蘭、俄羅斯、日本、美國五個(gè)國家焦炭出口量約占世界焦炭貿(mào)易量的78.8%。此外，哥倫比亞、法國、捷克、比利時(shí)、澳大利亞、波黑、烏克蘭等國焦炭出口量在50萬噸以上。
在主要焦炭進(jìn)口國中，德國、印度、美國、日本、奧地利、法國六個(gè)國家焦炭進(jìn)口量占世界焦炭貿(mào)易量的48.07%。此外，比利時(shí)、捷克、芬蘭、意大利、羅馬尼亞、塞爾維亞、英國、加拿大、韓國、馬來西亞、中國臺(tái)灣省等國家和地區(qū)進(jìn)口焦炭量在50萬噸以上。
2004-2008年世界鋼鐵、焦炭產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)表
單位：萬噸
按照資源型驅(qū)動(dòng)、市場性拉動(dòng)、資源驅(qū)動(dòng)-市場拉動(dòng)型進(jìn)行大致劃分，如日本、韓國等屬于典型的市場拉動(dòng)型，自身缺乏焦煤資源，通過大量進(jìn)口焦煤進(jìn)行生產(chǎn)；俄羅斯、烏克蘭、印度、波蘭等屬于典型的資源驅(qū)動(dòng)型，依托自身豐富的焦煤資源儲(chǔ)量，保持巨大的焦炭生產(chǎn)規(guī)模，產(chǎn)品主要用于出口；美國、德國等屬于典型的資源驅(qū)動(dòng)—市場拉動(dòng)型，既依托自身豐富的焦煤資源進(jìn)行焦炭生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)一定程度的自給，又通過大量的進(jìn)口滿足自身需求。
二、世界焦炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢預(yù)測
從總的趨勢看，近幾年世界鋼鐵產(chǎn)量在增加，焦炭產(chǎn)量在下降。世界鋼、鐵、焦炭的增長主要是中國，扣除中國的增長后，世界其它國家的鋼鐵產(chǎn)量在增長，但焦炭產(chǎn)量在下降。一些發(fā)達(dá)國家則由于重視保護(hù)環(huán)境和焦?fàn)t齡較高，從而減少了焦炭產(chǎn)量。
近幾年,世界產(chǎn)鋼鐵大國，除了俄羅斯、烏克蘭兩個(gè)國家的焦炭有少量增加外，美、日、德、法、英等發(fā)達(dá)國家的焦炭產(chǎn)量都在逐年減產(chǎn)，他們的焦炭不夠用，就大量進(jìn)口。由于他們大量進(jìn)口焦炭，造成了世界焦炭市場緊張。
世界焦炭產(chǎn)量下降的原因是：
（1）美、英、日、德等發(fā)達(dá)國家，為了保護(hù)本國的環(huán)境不受污染，在本國減少焦炭生產(chǎn)量。因?yàn)闊捊构I(yè)是污染環(huán)境較嚴(yán)重的 行業(yè) 之一，在發(fā)達(dá)國家建焦?fàn)t時(shí)，環(huán)保投資要占工程費(fèi)用的1/3多，煉焦生產(chǎn)環(huán)保達(dá)不到要求還要罰款。所以，一些企業(yè)不愿意建設(shè)焦?fàn)t，影響了焦炭產(chǎn)量的增長。
（2）西方一些國家焦?fàn)t爐齡較長，焦?fàn)t處于中后期階段，如日本16家焦化廠，焦?fàn)t爐齡30年以上的33座，能力1949萬t，占45.8%。焦?fàn)t爐齡長，結(jié)焦時(shí)間要延長，減少了焦炭產(chǎn)量。
（3）煉焦 行業(yè) 生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益低，焦化環(huán)保運(yùn)行費(fèi)用高，發(fā)達(dá)國家的企業(yè)不愿意建設(shè)焦化廠。工業(yè)用的焦炭不足，采取進(jìn)口焦炭。
第四節(jié) 主要國家或地區(qū)焦炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r
世界各國的焦炭主要用于鋼鐵工業(yè)。世界80%左右的焦炭用于煉鐵，20%用于有色金屬冶煉、化工等 行業(yè) 。
美國鋼鐵、焦炭工業(yè)100年多來的發(fā)展大體可分3個(gè)階段，美國1951年焦炭產(chǎn)量上升到最高峰7930萬噸時(shí)，鋼產(chǎn)量為9542萬噸，焦鋼比為0.83(焦炭產(chǎn)量比鋼產(chǎn)量)。之后，焦炭產(chǎn)量開始下降。到1973年，美國鋼產(chǎn)量上升到最高峰13678萬噸時(shí)，焦炭產(chǎn)量下降為6340萬噸，焦鋼比降為0.47，比1951年下降0.36。之后，鋼產(chǎn)量開始下降。到1988年，美國鋼的積累量近60億噸時(shí)，鋼產(chǎn)量下降到9063萬噸，走向比較平穩(wěn)的正常生產(chǎn)量，能源、交通、港口、城市基礎(chǔ)設(shè)施、房地產(chǎn)等建設(shè)比較完善，當(dāng)年焦炭產(chǎn)量下降到2890萬噸，焦鋼比下降為0.31。
美國的焦炭產(chǎn)量由1951年最高峰7930萬噸，下降到2008年的1424萬噸，焦炭產(chǎn)量減少82%，其主要原因包括：一是煉鐵焦比下降；二是1973年以后鋼產(chǎn)量逐步減少；三是鐵鋼比大幅度降低，到2008年底鋼積累量為78億噸，社會(huì)返回大量的廢鋼用于煉鋼生產(chǎn)，廢鋼代替生鐵減少了消費(fèi)大量焦炭，鐵鋼比為0.36。
日本1948年的鋼產(chǎn)量為171萬噸，到1973年鋼產(chǎn)量上升到11932萬噸，之后，鋼產(chǎn)量一直在11000萬噸左右波動(dòng)，焦炭產(chǎn)量逐年減少；1984年鋼產(chǎn)量10558萬噸，焦炭產(chǎn)量為5145萬噸，焦鋼比為0.49；到2008年，鋼產(chǎn)量為11874萬噸，焦炭產(chǎn)量下降為3856萬噸，焦鋼比下降為0.32，在這24年間，鋼產(chǎn)量變化不大，焦炭產(chǎn)量減少25%。
在世界各地區(qū)焦炭產(chǎn)量比例中亞洲、歐洲和獨(dú)聯(lián)體仍然是世界焦炭的主產(chǎn)區(qū)，其焦炭產(chǎn)量總和占世界焦炭產(chǎn)量的比重達(dá)89.54%,但歐洲比重有所下降,而亞洲比重明顯上升，亞洲市場新增產(chǎn)能幾乎全部在中國。印度也有新增產(chǎn)能，但受高成本冶金煤影響，所以新增產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)不了成本效益。2007-2008年，塔塔在西孟加拉新增160萬噸/年產(chǎn)能。此外，日本和韓國也有新增產(chǎn)能。中國焦炭出口量占世界貿(mào)易量的45%以上。而歐洲是最重要的焦炭進(jìn)口地區(qū)，占全球焦炭貿(mào)易的40%，目前最大的歐洲市場是德國(大于400萬噸)、然后是塞樂維亞、澳大利亞、法國和意大利。這決定了中國焦炭出口量的變動(dòng)會(huì)對(duì)歐美國家焦炭價(jià)格造成巨大的影響。我國是世界最大的焦炭供應(yīng)國，2008年焦炭產(chǎn)量達(dá)到3.36億噸，占世界總產(chǎn)量的60%。近十年來，世界焦炭產(chǎn)能的增長主要在中國，世界焦炭市場的供應(yīng)也主要來自中國。
2000-2009年除中國外的其他國家和地區(qū)焦炭產(chǎn)量由21818萬噸增長到23641萬噸，增長了8.36%；而同期生鐵產(chǎn)量由45290萬噸增長到50246萬噸，增長了10.94%，增長幅度高于焦炭。世界上很多國家，尤其是發(fā)達(dá)國家由于生鐵產(chǎn)量下降、高爐焦比降低、焦?fàn)t老化以及日趨嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)等原因，焦炭產(chǎn)量增幅緩慢甚至逐漸減少。這就迫使這些國家謀求在其它環(huán)保條例較寬松、生產(chǎn)成本較低的國家尋求建立焦炭生產(chǎn)基地或焦炭貨源的供應(yīng)廠商。因此，世界焦化產(chǎn)業(yè)之間的聯(lián)系程度愈加緊密。
目前世界一些國家在建焦?fàn)t能力700多萬噸。近期世界一些產(chǎn)鋼鐵的國家，為了鋼鐵生產(chǎn)少進(jìn)口一些焦炭，在籌建焦?fàn)t，能力約700萬噸。如，日本新日鐵、三菱公司籌建6米焦?fàn)t，能力100萬噸；美國太陽公司在建焦?fàn)t，能力55萬噸；巴西建焦?fàn)t能力120萬噸；印度建的焦?fàn)t能力約200萬噸；土耳其建6米焦?fàn)t，能力55萬噸；伊朗建焦?fàn)t能力30萬噸；墨西哥建4.3米焦?fàn)t,能力30萬噸等；波蘭、俄羅斯也在修復(fù)舊焦?fàn)t和建設(shè)焦?fàn)t，增加焦?fàn)t能力等。
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