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出版者:煤炭工业出版社

作者:舒歌平 主编

出品人:

页数:353

译者:

出版时间:2003-1

价格:58.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787502023355

丛书系列:

图书标签:

• 煤炭液化
• 煤化工
• 能源技术
• 清洁能源
• 化学工程
• 催化技术
• 工艺技术
• 资源利用
• 新型能源
• 环保技术

焦炭与焦炉煤气：工业文明的基石与未来 引言： 在人类文明的长河中，能源的开发与利用一直是推动社会进步的核心动力。从钻木取火的原始年代，到蒸汽机的轰鸣，再到如今飞速发展的电气化与信息化时代，每一次能源技术的革新都带来了翻天覆地的变化。而在众多能源形式中，煤炭以其储量丰富、分布广泛的特点，长期以来扮演着不可或缺的角色。然而，直接燃烧煤炭所带来的环境污染问题，以及其在某些领域应用上的局限性，促使人类不断探索更高效、更清洁的煤炭利用方式。 本文将聚焦于煤炭转化领域中两个至关重要的组成部分：焦炭与焦炉煤气。这两个概念并非孤立存在，而是同一工业过程——煤的干馏（焦化）——的产物。煤的干馏，顾名思义，是将煤在隔绝空气的条件下进行加热，使其分解，产生一系列有价值的化工产品。其中，固体产物主要是焦炭，而挥发性物质则以气体形式释放出来，这就是我们所说的焦炉煤气。 本文将深入剖析焦炭的性质、生产工艺、广泛应用及其在现代工业中的重要性，同时也将详细介绍焦炉煤气的组成、产生机理、提质净化过程以及其作为一种重要的工业燃料和化工原料的巨大潜力。我们旨在展现焦炭与焦炉煤气作为传统工业的基石，是如何支撑起庞大的钢铁、化工等产业，以及它们在绿色能源转型浪潮中，如何通过技术革新焕发新的生机，为可持续发展贡献力量。 第一部分：焦炭——钢铁工业的灵魂 1.1 什么是焦炭？ 焦炭（Coke）是一种多孔、易燃的固体燃料，主要由煤在隔绝空气（或贫氧）条件下，经过高温干馏（焦化）而制得。与煤炭相比，焦炭具有更高的固定碳含量、更低的可挥发分和灰分，以及更好的机械强度和耐高温性能。这些特性使得焦炭在高温冶金过程中，能够稳定地提供热量，并扮演着至关重要的还原剂角色。 1.2 焦炭的生产工艺：煤的干馏 焦炭的生产主要通过炼焦炉（Coking Oven）进行。这是一个复杂而精密的工业过程，其核心是将精选后的炼焦煤送入密闭的炭化室，在约900-1100℃的高温下加热数小时。整个过程严禁空气进入，以防止煤炭燃烧，而是促使其发生热分解。 进料与装煤： 选用的炼焦煤经过筛分、配比（blend coal），以获得最佳的焦化性能。然后，煤被送入装煤车，均匀地填充到炭化室内。 加热与炭化： 炭化室的外部通过加热道，利用焦炉煤气或其他燃料燃烧产生的热量，间接加热炭化室内的煤。在高温作用下，煤中的水分蒸发，有机质分解，产生焦炭、焦炉煤气、焦油等。 出焦与熄焦： 当煤炭炭化完成后，就形成了焦炭。此时，将炭化室内的炽热焦炭通过推焦机推出，送往熄焦车。熄焦是至关重要的一步，传统上采用水熄焦，但为了回收热量和减少水污染，现代炼焦厂多采用干熄焦（Dry Quenching）技术。干熄焦通过惰性气体（如氮气）循环，将焦炭的热量传递给锅炉，产生蒸汽，从而实现能量回收。 筛分与储存： 熄灭后的焦炭需要进行筛分，以得到不同粒度的产品，满足不同用户的需求。然后，焦炭被储存起来，等待运输。 1.3 焦炭的性质与分类 焦炭的性质与其生产工艺和煤种密切相关，主要包括： 化学成分： 高固定碳含量（通常>90%），低灰分，低硫，低磷。 物理性质： 高体积密度，高强度（抗压强度、抗碎强度），良好的热导性，高度多孔性（有利于与炉内气流和熔融金属反应）。 分类： 根据用途和粒度，焦炭可分为多种类型，最常见的是： 冶金焦（Metallurgical Coke）： 粒度较大，强度高，是高炉炼铁的主要燃料和还原剂。 铸造焦（Foundry Coke）： 具有特殊的透气性和强度，用于铸造工业的熔炉。 动力焦（Steam Coke）： 粒度较小，用于作为燃料燃烧。 电石用焦（Calcium Carbide Coke）： 用于生产电石。 1.4 焦炭的应用领域：钢铁工业的支柱 焦炭最重要的应用领域在于钢铁工业，特别是在高炉炼铁中。 燃料： 高炉内的焦炭燃烧产生大量热量，将铁矿石及其炉料熔化。 还原剂： 焦炭在高温下与氧化铁反应，将其还原成金属铁。例如：$C + O_2 ightarrow CO_2$，随后 $CO_2 + C ightarrow 2CO$。生成的CO是主要的还原剂，它将铁氧化物还原成铁：$Fe_2O_3 + 3CO ightarrow 2Fe + 3CO_2$。 支撑层： 焦炭在炉料中形成稳定的蜂窝状结构，保证了高炉内的透气性，使热气流能够顺利通过，并为熔融的铁水和炉渣提供通道。 净化剂： 焦炭还能吸收炉料中的硫等杂质，减少钢中的有害元素含量。 除了钢铁工业，焦炭还在以下领域有广泛应用： 化肥工业： 用于生产电石，进而生产乙炔，是合成多种有机化工产品的重要原料。 有色金属冶炼： 用于某些有色金属（如铜、铅、锌）的冶炼过程中。 化工： 作为某些化学反应的原料或载体。 电力和供暖： 在一些地区，少量焦炭仍作为燃料用于发电或冬季供暖。 第二部分：焦炉煤气——清洁能源与化工宝库 2.1 什么是焦炉煤气？ 焦炉煤气（Coke Oven Gas, COG）是煤在干馏过程中，从煤膏中挥发出来的复杂混合气体。它是一种重要的工业副产品，在煤焦化过程中占有相当大的比重。 2.2 焦炉煤气的组成与产生机理 焦炉煤气的主要成分包括： 氢气（H2）： 含量最高，通常在50%以上，是其重要的可燃成分和化工原料。 甲烷（CH4）： 含量约占20%-30%，也是重要的可燃成分。 一氧化碳（CO）： 含量约占5%-8%，具有毒性，但也是重要的化工原料。 氮气（N2）： 含量约占2%-5%，为惰性气体。 少量其他可燃气体： 如乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）等。 非可燃成分： 如二氧化碳（CO2）、硫化氢（H2S）等。 焦炉煤气产生于煤的复杂热分解过程。当煤在高温下加热时，其有机大分子链断裂，形成各种小分子挥发物，这些挥发物在升腾过程中形成焦炉煤气。煤种、炭化温度、加热速率等因素都会影响焦炉煤气的组成和产量。 2.3 焦炉煤气的提质净化 刚产生的焦炉煤气温度高，并含有大量的水蒸气、氨（NH3）、硫化氢（H2S）、焦油、萘等杂质。为了能够安全有效地利用，必须进行提质净化处理： 初步冷却与除尘： 将高温焦炉煤气进行冷却，使焦油、氨水等冷凝下来，并去除大部分粉尘。 氨水回收： 利用氨水冷凝液中的氨，可以进一步提取氨，用于生产化肥等。 脱硫： 硫化氢（H2S）是腐蚀性强且有毒的气体，必须去除。常用的脱硫方法包括湿法脱硫（如胺液法）和干法脱硫。脱硫后产生的硫磺也是有价值的化工产品。 脱萘： 萘在低温下容易冷凝，可能堵塞管道，需将其去除。 脱氰： 焦炉煤气中可能含有少量氰化物，也需要进行脱除。 最终净化（可选）： 根据具体用途，可能还需要进一步脱除其他微量杂质，如苯、甲苯、二甲苯（BTX）等。 2.4 焦炉煤气的应用：双重价值 经过提质净化后的焦炉煤气，其价值得到了极大的提升，主要体现在以下两个方面： 2.4.1 作为工业燃料：清洁高效的能源 煤焦化厂自用： 焦炉煤气是炼焦过程中最重要的副产品，可以直接在焦炉加热道中燃烧，为炼焦过程提供热量，这是炼焦厂最主要的能源来源。 城市燃气： 经过净化处理的焦炉煤气，其热值和成分稳定，可以作为城市居民和工业的燃气供应。相比直接燃烧煤炭，使用焦炉煤气大大减少了城市空气污染，是发展清洁能源的重要途径。 工业燃料： 许多需要高温加热的工业过程，如玻璃厂、陶瓷厂、锅炉等，都可以使用焦炉煤气作为燃料，其燃烧效率高，污染物排放低。 2.4.2 作为化工原料：宝贵的化学合成起点 焦炉煤气中高含量的氢气（H2）和甲烷（CH4），以及一氧化碳（CO），使其成为重要的化工合成原料。 制氨： 氢气是合成氨（NH3）的主要原料。在高温高压和催化剂的作用下，氢气与氮气反应生成氨，而氨是生产化肥、炸药、染料等的重要基础原料。 合成甲醇： 氢气与一氧化碳在催化剂作用下可以合成甲醇（CH3OH），甲醇是重要的有机溶剂、燃料添加剂，也是生产甲醛、醋酸等多种化学品的原料。 生产其他有机化学品： 焦炉煤气中的乙烯、乙炔等不饱和烃类，经过分离和进一步反应，可以用于生产塑料、合成橡胶、溶剂等。 高纯度氢气的制取： 通过先进的分离技术，可以从焦炉煤气中提纯得到高纯度氢气，用于燃料电池、电子工业等高端领域。 结论： 焦炭与焦炉煤气，作为煤的干馏过程中的“孪生子”，共同构成了煤化工产业的两大支柱。焦炭凭借其卓越的耐高温性、还原性和机械强度，牢牢占据着钢铁工业的灵魂地位，支撑着现代工业文明的运转。而焦炉煤气，则以其清洁燃烧的特性和丰富的化学成分，既是重要的工业燃料，更是取之不尽的化工原料宝库。 在当前全球能源结构转型和绿色低碳发展的时代背景下，煤炭的利用方式正面临深刻的变革。虽然直接燃烧煤炭的时代正在逐渐落幕，但通过焦化这一过程，将煤炭转化为高附加值的焦炭和多元化的焦炉煤气，不仅能够最大限度地发挥煤炭的资源价值，更能为钢铁、化工等传统产业的绿色升级提供关键支撑，并为新能源汽车、高端化学品等新兴产业的发展注入新的活力。 深入研究和优化焦炭生产工艺，提高焦炭质量，发展干熄焦等环保技术，已经成为行业发展的必然趋势。同时，对焦炉煤气的深度开发和精细化利用，无论是作为清洁能源的推广，还是作为化工原料的多元化合成，都蕴含着巨大的经济效益和环境效益。 因此，焦炭与焦炉煤气的故事，并非仅仅是关于传统工业的叙述，更是关于如何以创新思维，在挑战与机遇并存的能源时代，赋予古老资源以崭新生命力的生动例证。它们将继续在推动人类社会向前发展的道路上，扮演着不可或缺的重要角色。

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这本书的叙事节奏感把握得非常精妙，它不像某些技术专著那样枯燥乏味，反而是以一种近乎叙事诗的口吻，娓娓道来现代煤炭清洁高效利用所面临的挑战与突破。特别是在讨论高压加氢液化过程中的难点时，作者并没有简单地抛出解决方案，而是先详细铺陈了诸如脱甲基化、脱硫脱氮反应的动力学瓶颈，让你真切体会到工程师们在实验室里攻克难关时的那种步步为营。我尤其欣赏其中关于反应器设计理念的章节，那里详细阐述了浆态床和固定床反应器在操作条件、流体力学特性以及催化剂选择上的根本差异，并通过对比不同装置的能耗和产品收率，清晰地揭示了工程优化背后的科学逻辑。书中对“一锅法”与“两步法”路线的未来发展趋势的探讨，更是具有前瞻性，它将技术的前沿动态与宏观的能源战略紧密联系起来，让人在学习技术细节的同时，也能提升对整个行业格局的洞察力。阅读体验非常流畅，作者的文字功底深厚，能够将复杂的物理化学过程转化为易于理解的流程描述，这一点对于跨学科背景的读者尤其友好。

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这份技术手册的价值在于其近乎“百科全书式”的覆盖面和极高的实用参考性。我发现它在对不同液化路线的剖析中，对不同溶剂体系的溶解能力、氢供体性质及其对产物分布的影响进行了详尽的参数化比较。这对于需要进行工艺模拟和优化设计的工程师来说，简直就是一座活的数据库。更令人称赞的是，书中对副产物（如液化残渣、轻质油品）的深度加工和资源化利用部分，也有着相当详尽的论述，这体现了作者对“全流程优化”理念的执着追求，而非仅仅停留在核心液化步骤。从操作安全的角度来看，书中对高温高压设备运行中的腐蚀控制、物料输送的堵塞预防，以及紧急停车程序的设定，都有详尽的安全规范引用，这些都是在理论教材中很少能找到的宝贵实操经验。总而言之，这本书的结构严谨，内容详实，是那种可以放在案头，随时翻阅查找特定参数和工艺规范的工具书级别典范，其深度和广度远远超出了普通入门读物的范畴。

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这本书给我最深刻的印象，在于它成功地架设起了一条从“煤矿”到“高品质燃料”的清晰路径，但其叙事方式并非冰冷的工程罗列，而是充满了对能源可持续发展哲思的探讨。在讲述了直接液化过程中“氢气效率”的关键性后，作者巧妙地转入了对制氢技术，特别是煤气化制氢（IGCC技术）与液化耦合的系统性分析。这种跳出单一工艺的宏观视角非常宝贵。书中对环保和“三废”处理的关注也十分到位，例如，对液化过程中产生的含酚废水的高级氧化处理技术进行了详细的工艺流程介绍和效果评估，这体现了作者对现代工业绿色化要求的深刻理解。阅读体验中，最让我感到惊喜的是，书中穿插了一些历史上重大技术突破的关键人物小传或关键实验的复盘描述，这让原本严肃的技术学习过程增添了一丝人情味和历史厚重感，使得学习过程不再是单纯的知识灌输，而更像是一场技术史的巡礼。这是一本既有硬核技术支撑，又不失人文关怀的杰作。

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这本书的论述风格非常严谨、学术性极强，它仿佛是从一个顶尖研究机构的内部报告中提炼出来的精华合集。作者在处理涉及热力学和反应机理的部分时，大量引用了最新的量子化学计算结果和高分辨光谱分析数据来佐证其观点，这使得对催化剂表面活性位点的讨论达到了教科书级别的深度。我特别关注了其中关于“间接液化”与“直接液化”在经济性与环保性上的辩证关系分析，作者没有简单地给出非黑即白的结论，而是通过建立多变量的经济模型，展示了在不同能源价格情景下，哪种技术路线更具可持续性。这种基于严密数学模型和数据支撑的分析，极大地提升了内容的权威性。对于追求学术深度的读者而言，书中列举的参考文献列表本身就具有极高的参考价值，它像是一张通往该领域前沿研究的导航图。这本书读下来，需要一定的化学工程或物理化学基础，但回报是巨大的，它能帮你构建起一个坚如磐石的、基于第一性原理的煤液化技术认知框架。

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这本书的装帧设计着实吸引人，封面采用了深邃的黑色调，配以烫金的“煤炭液化技术”字样，散发着一种沉稳而厚重的工业美感。初次翻阅，便能感受到纸张的质地相当不错，印刷清晰，图表和公式的排版也十分专业，看得出出版方在制作上的用心。我原以为这是一本偏向于理论推导的艰深著作，但令人惊喜的是，它在开篇部分对煤炭化学结构的基础性介绍非常到位，即便是对这个领域稍有涉猎的初学者也能迅速跟上节奏。特别是关于煤的结构分类和对不同煤种的预处理工艺的论述，图文并茂，深入浅出。作者似乎非常注重工程实践与基础科学的结合，对现有主流液化技术的历史沿革、核心反应机理，以及不同催化剂体系的优缺点进行了详尽的对比分析。阅读过程中，我发现书中对一些关键的实验数据和工业案例的引用非常详实可靠，这极大地增强了内容的信服力。对于任何希望系统了解煤炭能源深度加工领域技术路线图的工程师或研究人员来说，这本书无疑提供了一个极佳的入门和进阶平台，它不仅仅是知识的罗列，更像是对一个复杂工业体系的精密解构。

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