煤焦油是一種高芳香度的碳氫化合物的復雜混合物,絕大部分為帶側鏈或不帶側鏈的多環、稠環化合物和含氧、硫、氮的雜環化合物,並含有少量脂肪烴、環烷烴和不飽和烴,還夾帶有煤塵、焦塵和熱解炭。剛回收的煤焦油還含有溶有無機鹽和其他雜質的水分。

煤焦油的絕大多數組分熔點較高,但由於大量單體化合物互相溶解而形成低共溶混合物, 因此煤焦油在常溫下仍呈液體狀態。
高溫煤焦油含有1萬多種化合物,按化學性質可分為中性的烴類、酸性的酚類和堿性的吡啶、喹啉類化合物。
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