塑性成焦机理

塑性成焦机理是炼焦煤高温干馏时经胶质体阶段而转变成焦炭的一种假说。炼焦煤加热时，其有机质经过热分解和缩聚等一系列化学反应，通过胶质体阶段（也称塑性阶段），发生黏结和固化而形成半焦，半焦进一步热缩聚，生成焦炭。在这个过程中，由于半焦收缩而形成裂纹。由煤转变成焦炭的关键是胶质体的形成。

塑性成焦机理成焦机理

煤的成焦机理是指煤在变成焦炭过程中的变化规律。关于煤的成焦机理，比较有影响的主要有溶剂抽提理论、物理黏结理论、塑性成焦机理、中间相成焦机理和传氢机理。其中最常用的是塑性成焦机理。

塑性成焦机理煤的焦化过程

炼焦过程中，煤在隔绝空气的条件下加热，各种有机质随着温度的升高而发生一系列不可逆的物理和化学变化，形成气态（煤气）、液态（焦油）和固态（半焦或焦炭）产物。

典型烟煤受热焦化的过程见图《煤的焦化过程》所示。可知，煤的焦化过程大致分为三个阶段：

1、第一阶段（室温~300℃）为炼焦初始阶段

煤在这一阶段基本没有太大变化，主要从煤中析出蓄存的气体和非化学结合水。脱水主要发生在120℃以前，而脱气（CH₄、CO₂和N₂）大致在200℃前后完成。

2、第二阶段（300~600℃）以解聚和分解反应为主

煤黏结成半焦，并发生一系列变化。煤在300℃左右开始软化，强烈分解，析出煤气和焦油；煤在450℃前后，焦油量最大；在450~600℃时，气体析出量最多。煤气的成分除热解水、CO和CO₂外，主要是气态烃，故热值较高。烟煤（特别是中等变质程度的烟煤，即炼焦煤）在这一阶段从软化开始，经熔融、流动和膨胀到再固化，发生了一系列特殊现象，并在一定的温度范围内转变成塑性状态，产生了气、液、固三相共存的胶质体。煤转变成塑性状态的能力是煤黏结性的基础条件，而煤的黏结性对焦炭产品的质量极为重要。

3、第三阶段（600~1000℃）是半焦变成焦炭的阶段，以缩聚反应为主。

在这一阶段，焦油产生量极少，而温度的升高促进了半焦脱除气体挥发分。700℃后，产生的煤气的主要成分是氢气。所得的焦炭的挥发分含量小于2%，芳香晶核增大，排列规则化，结构致密，坚硬并有银灰色金属光泽。半焦转变成焦炭的过程，一方面大量析出煤气，使其内挥发分含量降低；另一方面，焦炭本身质量损失，密度增加，裂纹及裂缝产生，形成碎块。焦炭的块度和强度与收缩情况有直接关系。

塑性成焦机理黏结机理

将具有黏结性的烟煤加热到350~500℃时，煤中有机质分子激烈分解，侧链从缩合芳环上断裂，并进一步分解。热分解产物中，相对分子质量小的组分呈气态，相对分子质量中等的组分呈液态，而相对分子质量大的、侧链断裂后的缩合芳环（变形粒子）和热分解时的不熔组分则呈固态。气、液、固三相组成胶质体。随着温度升高（450~550℃），胶质体的分解速度大于生成速度，一部分产物呈气体析出；另一部分则与固态颗粒融为一体，发生热缩聚而固化生成半焦。

热缩聚过程中，液态产物的二次分解产物、变形粒子和不熔组分（包括灰分）结合在一起，生成不同结构的焦炭。煤的黏结性取决于胶质体的数量和性质。若胶质体中液态产物较多且流动性适宜，就能填充固体颗粒间隙，并发生黏结作用。胶质体中的液态产物热稳定性好，从生成胶质体到胶质体固化之间的温度区间宽，则胶质体存在的时间长，产生的黏结作用就充分。因此，数量足够、流动性适宜和热稳定性好的胶质体是煤黏结成焦的必要条件。通过配煤可以调节配合煤的胶质体数量和性质，使之具备适宜的黏结性，以生产符合要求的焦炭产品。

塑性成焦机理收缩机理

当半焦从550℃加热到1000℃时，半焦内的有机质将进一步热分解和热缩聚。热分解主要发生在缩合芳环上热稳定性高的短侧链和连接芳环间的碳链桥上。分解产物以甲烷和氢气为主，无液态产物生成。越到结焦后期，所析出的气态产物的相对分子质量越小，在750℃后，几乎全是氢气。缩合芳环周围的氢原子脱落后，产生的游离键使固态产物之间进一步热缩聚，从而使碳网不断增大，排列趋于致密。由于成焦过程中半焦和焦炭内各点的温度和升温速度不同，致使各点的收缩量不同，出此产生内应力。

当内应力超过半焦和焦炭物质的强度时，就会形成裂纹。由热缩聚引起碳网缩合增大和由此而产生焦炭裂纹，是半焦收缩阶段的主要特征。煤的挥发分含量越高，其半焦收缩阶段的热分解和热缩聚越剧烈，所形成的收缩量和收缩速度也越大。各种煤的半焦在加热过程中的最大收缩值为：气煤约3%，肥煤与气煤接近，焦煤约2%。挥发分含量相同的煤料，黏结性越好，收缩量越大。可以通过配煤和加入添加剂，来调节和控制半焦收缩量、最大收缩速度和最大收缩温度，以获得所要求的焦炭强度和块度。