烟煤黏结指数测定实验技术分析及实验教学优化

2024-06-01武成利焦发存熊金钰荣俊锋

安徽化工 2024年1期

刘铭，武成利，焦发存，张晔，熊金钰，荣俊锋

（安徽理工大学化学工程学院，安徽淮南 232001）

烟煤是以含有聚合芳核为基本单元结构的多元高分子有机化合物的混合物[1]。根据挥发分含量、胶质层厚度或工艺性质的差异，可进一步细分为长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、贫煤、瘦煤等。烟煤的变质程度越高，芳核越大，侧链越少。

焦煤、肥煤、气煤和瘦煤是炼焦的主要煤种[2]。受制于生产企业原料煤供给不稳定，同时为进一步提高煤炭资源就地转化率，通过掺配不同种类的原料煤进行炼焦的技术已经十分成熟。不同变质程度原料煤煤质特性导致其在炼焦过程的作用不同[3]。随着炼焦温度的逐渐升高，原本连接在芳核上的侧链逐渐断开并分解，芳核逐步缩合并稠环化，最后生成煤气、化学产品和焦炭。在化学反应进行的同时，还伴有煤的软化形成胶质体。胶质体的流动性越大，黏结性能就越好，其中液相部分的质与量直接决定着粘结性的大小。在我国，胶质层厚度与黏结指数常用来表示煤的黏结性。煤的黏结性具有相加性。本文通过对烟煤黏结指数测定过程中可能存在的误差进行深度剖析，为精准测定烟煤黏结指数、优化配煤炼焦提供理论支撑。通过对实验教学全过程的优化，提升学生自主学习能力，培养新工科意识。

1 实验方法

（1）待测煤样需按国标技术要求逐级破碎并缩分，最终制备成粒度＜0.2 mm 的分析实验煤样，且粒径Φ 0.1～0.2 mm的煤样应占试样的20%～35%。实验前应将不同粒径煤样充分混合均匀，若不立刻进行测试，需将样品放置在密封的容器内，且不得超过5天，若超过5天则需在分析报告中标明制样和试验时间。

（2）称取5.00 g 标准无烟煤放入坩埚中，再称取1.00 g 待测煤样放入同一坩埚中，均需准确称量至0.001 g。将坩埚以45°左右倾斜，以15 r/min 逆时针转动，用搅拌丝以150 r/min按同倾角顺时针搅拌，搅拌丝顶部小圆环需与坩埚壁和底相连接的圆弧部分相接触。持续搅拌105 s 后，边搅拌边将坩埚和搅拌丝同步转至垂直状态，直至120 s搅拌完成。

（3）将粘附在坩埚壁上的混合样扫下，并用搅拌丝将试样拨平。为避免后续用压块压紧后，样品处于同一平面，还需用搅拌丝沿坩埚壁内侧四周，将样品压低约1～2 mm。用镊子将标准镍铬钢压块放置于坩埚中央，在专用压力器下加压30 s。

（4）加压结束后，直接盖上坩埚盖，将坩埚水平置于坩埚架上快速送入预先加热至850℃的马弗炉恒温区中。立即关上炉门并开始计时。放入后，炉温需在6 min内恢复至（850±10）℃，然后继续加热15 min，若6 min内未恢复至规定温度范围内，则需检验马弗炉保温性能并重新试验。

（5）取出坩埚，在空气中冷却至室温（若不立即进行转鼓试验，则需将坩埚移入干燥器中）。用镊子从坩埚中取出压块，并将压块上粘附的焦屑用毛刷刷入坩埚内，计入焦渣总质量，记为m，然后置于转鼓内。

（6）转鼓试验按设备设定程序每次250 r，共5 min。在第一次转鼓试验后，取出全部焦渣并用1 mm圆孔筛过筛，称量筛上焦样质量，记为m1。将筛上焦样倒入转鼓后进行第二次转鼓试验，同样方法再次过筛并称量筛上焦样质量，记为m2。

（7）黏结指数（GR.I）按式（1）计算:

当GR.I数值＜18时，则需分别称量标准无烟煤与待测样各3 g 混合均匀后重新试验，试验结果按式（2）计算：

2 实验过程分析

2.1 试验煤样的制备

为了拓宽炼焦用煤来源，降低用煤成本，工业实际应用的炼焦煤大多混有一定量的弱黏结性煤，其破碎难度更大[4]。试验煤样应预先进行充分的空气干燥，煤中水分过高时，在磨制过程中，煤粒易粘附于设备上，使细颗粒产出率降低。因此可将煤样置于烘箱中干燥，干燥温度≤40℃且时间≤4 h。研究表明，烟煤黏结指数随煤样干燥温度的升高而下降，煤样的变质程度越高，下降幅度越小。高温干燥易氧化煤种，会加速煤的氧化进而降低黏结性，必要时可采用通氮干燥法防止煤样氧化。此外，测定黏结指数时，待测样制备后存放时间不宜过长，存放时间越长，煤样氧化程度越大，其黏结能力越弱，变质程度低的烟煤受氧化影响尤为明显。样品尽量密封避光保存，一般在5 d 内没有显著变化。遇到夏季高温天气，煤样测定前还需放入冰箱冷藏室保存。

破碎方式对实验结果也有一定影响[5]。若用连续破碎法制样，会使部分小颗粒反复破碎。此外弱黏结性煤本身黏结性差，故不宜采用此法制备样品。黏结指数数值随待测样中0.1～0.2 mm粒径范围内颗粒所占比例的增大而减小，不同变质程度的煤种呈现出的降幅有所不同[6]。需特别注意黏结指数值低的煤，即使符合国标制样粒度要求，也可能出现黏结指数不符合再现性临界差要求的可能。

2.2 焦样的制备

实验进行中，样品称样质量0.999 0～1.001 0 g，均符合国家标准要求，其实验结果符合国标精密度要求。同一待测样品，在此称量范围内，随着称样重量的增加，黏结指数数值随之升高。对于黏结指数高的样品，增幅值最高可达1.0。若使用高精度天平秤量，称量精度控制在±0.000 2 g，能进一步提高黏结指数测定准确度。

2.2.1 待测煤样与标准无烟煤的混合程度[7]

在试验的过程中，依照国标技术要求进行规范混合操作是可以达到良好的混合效果的。在同时测量多个样品或者分析人员操作尚不熟练的情况下，会出现待测煤样与标准无烟煤混合不均的情况，导致实验数值偏低。如果遇到湿度较大出现结块的情况，不论人工还是机械法混合，在混合过程中均需多进行观测，确保待测煤样充分混合后再进行下一步操作。

2.2.2 压块变形对黏结指数的影响

通过6 kg压力器对压块进行加压，进而挤压上述混合样。实验过程中使用的压块材质是质量110～115 g的镍铬钢。压块质量越大，烟煤和无烟煤黏结程度越好。但由于频繁加压和高温灼烧，压块出现质量损失和形状改变。压块变形后则无法完全压住混合样，进而导致处在坩埚边缘的混合样压不紧甚至压不到。此情况下混合样焦化后，焦样在转鼓里受离心力和重力双重作用下，边缘部分焦样容易破损脱落，造成试样质量减少,黏结指数偏低。

2.2.3 马弗炉性能对实验测试的影响[8]

将装有样品和压块的坩埚快速放入马弗炉的恒温区，放置时需尽量保持平稳，以免压块晃动导致样品不在同一水平面上，此时马弗炉测温点应在坩埚架的中央。实验中切不可一次放两个以上坩埚架，一方面，马弗炉恒温区有限，一旦坩埚放置位置偏离恒温区则导致样品受热温度不足，进而导致黏结指数测定值偏低；另一方面，连续放置样品，炉门打开时间过长，则可能会出现马弗炉不能在规定时间内恢复到设定温度区间，导致实验失败。

2.3 转鼓实验

在转鼓实验中，实验技术要求250 r，5 min，当前实验设备均可达到实验技术要求。但是在过筛时仍需人工操作，先后两次过1 mm 圆孔筛。实验进程中需格外注意部分焦粒刚好卡在筛网孔隙中，此时切不可用力按压，使样品过筛。可将筛网轻轻震动，将焦粒从上方倒出，计入筛上焦样总质量。此外，在转鼓中的焦粒也需用毛刷小心刷出一并过筛。

2.4 自动烟煤黏结指数分析法

随着烟煤黏结指数测定仪的更新换代，当前自动化测定设备已经可以实现样品的自动称量与读入，如转鼓实验、取/放样、过筛和数据处理自动化[9]，最大程度地降低人为操作失误带来的实验误差，让实验结果更加精准、可靠。自动测试实验结果的准确度、精密度、重复性和再现性临界差均符合相关国标技术要求。

自动化烟煤黏结指数测定仪在实际工业应用过程中可以降低分析人员的劳动强度，更加精准高效地提供样品分析数据。设备使用过程中，其良好的密封性能，可以减少粉尘和噪声污染，有利于分析人员的身心健康。因此，自动化烟煤黏结指数测定仪可以替代国标中人工分析的方法。

3 实验教学全过程优化

烟煤黏结指数测定是传统煤化工实验之一，多数以验证性实验开设，按国家标准相应技术要求进行操作。基于上述实验过程误差来源分析，为适应新时代新工科培养要求，尝试以问题为导向，优化本科实验教学过程。

3.1 教学情境设置

实验教师将班级分为6组，发布模拟教学情境。假定在淮南本地开设煤焦化项目，请根据淮南煤质特征及行政区域分布进行选址和原料煤的选择。煤焦化过程中对煤样黏结指数有什么技术要求，如何进行测定？

在实验教学情境设定后，由各组提前一周进行相关资料收集，给出初步原料煤选择方案、选择依据及选址依据，为培养工程思维提供新路径。

3.2 实验教学过程

实验开始前，由实验教师对实验过程中可能存在的安全问题及解决方案进行详细讲解，牢固树立实验安全及环保意识，然后对实验原理及操作进行详细介绍。实验煤样的选择、具体操作和数据处理由学生自主完成。

实验原料煤不再由实验教师制定，而是由教师提供6种淮南不同矿区煤样供学生进行选择，每组分别进行实验。受制于实验学时的影响，实验教学中拟对学生精准称量、压块因素、加热因素、过筛因素进行实验误差分析，具体设置如下：

第一组同学实验称量按照国标上限和下限分别精准称取，以此来对比待测样量对实验结果的影响；第二组同学按照（1.000 0±0.000 1）g 进行精准称量，用新压块和使用多次的压块进行实验，对压块进行称重，对比压块对实验结果的影响；第三组同学在放置坩埚时，将坩埚边缘置于热电偶上方，对比马弗炉炉内温差对实验结果的影响；第四组同学在转鼓实验时，第一个样将卡在1 mm 圆孔筛上的分析样按下去进行实验，平行样轻拍1 mm圆孔筛，将筛上焦粒倒出计入筛上物质量，对比实验结果；第五组、第六组同学按照操作要求自由发挥，不设限定条件。

3.3 实验结果与讨论

第一至第四组同学现场处理数据，分析重复性是否满足国标要求，提出实验过程中人为设定的偏差对实验结果的影响；第五、第六组同学对照前四组同学实验分析结果，综合评价本组实验过程中可能存在的实验误差，进而对实验有全面的了解。

各组回到实验开始前设置的教学情境，回答新建炼焦项目中，本组选择的实验煤样能否用于炼焦用煤，如果可以，如何选址？如果不可以，能否通过配煤的方式实现煤的就地利用？

此环节中需要实验教师予以现场指导，选址问题需综合考虑拟选地址周边交通情况、居民分布、其他工业农业情况等相关信息，结合实验过程中拟采用的炼焦用煤，综合考虑项目可能带来的社会效益、环境风险等，给出最终方案，作为实验报告的结论。

3.4 开放性实验教学分析

将烟煤黏结指数测定实验改为开放性实验，可以丰富实验内容，充分调动学生主观能动性，培养学生查阅文献的习惯，提升学生的团结协作能力，树立化工安全与环保的意识[10]。

在实验教学中也存在一定的不足：①教学情境的设置过于虚拟化，如果能有相关实习企业进行实际支持，更能贴合实际；②学生除了在实验室外，还需要花更多的时间进行相关文献查阅，少数同学未来从事化工工作意愿不强，无法调动所有同学积极参与；③本实验项目需要得到“煤化学”“化学工艺学”“炼焦及化产回收”等相关理论课知识体系的支持，需要进一步协调教学内容；④对学生考核方式还需进一步优化，不能局限于传统的实验操作和实验报告的批改，还需加大学生在查阅、分析资料方面等的过程性评价。