煙煤黏結(jié)指數(shù)測定實驗技術(shù)分析及實驗教學優(yōu)化

劉 銘，武成利，焦發(fā)存，張 曄，熊金鈺，榮俊鋒

（安徽理工大學 化學工程學院，安徽淮南 232001）

煙煤是以含有聚合芳核為基本單元結(jié)構(gòu)的多元高分子有機化合物的混合物[1]。根據(jù)揮發(fā)分含量、膠質(zhì)層厚度或工藝性質(zhì)的差異，可進一步細分為長焰煤、氣煤、肥煤、焦煤、貧煤、瘦煤等。煙煤的變質(zhì)程度越高，芳核越大，側(cè)鏈越少。

焦煤、肥煤、氣煤和瘦煤是煉焦的主要煤種[2]。受制于生產(chǎn)企業(yè)原料煤供給不穩(wěn)定，同時為進一步提高煤炭資源就地轉(zhuǎn)化率，通過摻配不同種類的原料煤進行煉焦的技術(shù)已經(jīng)十分成熟。不同變質(zhì)程度原料煤煤質(zhì)特性導致其在煉焦過程的作用不同[3]。隨著煉焦溫度的逐漸升高，原本連接在芳核上的側(cè)鏈逐漸斷開并分解，芳核逐步縮合并稠環(huán)化，最后生成煤氣、化學產(chǎn)品和焦炭。在化學反應進行的同時，還伴有煤的軟化形成膠質(zhì)體。膠質(zhì)體的流動性越大，黏結(jié)性能就越好，其中液相部分的質(zhì)與量直接決定著粘結(jié)性的大小。在我國，膠質(zhì)層厚度與黏結(jié)指數(shù)常用來表示煤的黏結(jié)性。煤的黏結(jié)性具有相加性。本文通過對煙煤黏結(jié)指數(shù)測定過程中可能存在的誤差進行深度剖析，為精準測定煙煤黏結(jié)指數(shù)、優(yōu)化配煤煉焦提供理論支撐。通過對實驗教學全過程的優(yōu)化，提升學生自主學習能力，培養(yǎng)新工科意識。

1 實驗方法

（1）待測煤樣需按國標技術(shù)要求逐級破碎并縮分，最終制備成粒度＜0.2 mm 的分析實驗煤樣，且粒徑Φ 0.1～0.2 mm的煤樣應占試樣的20%～35%。實驗前應將不同粒徑煤樣充分混合均勻，若不立刻進行測試，需將樣品放置在密封的容器內(nèi)，且不得超過5天，若超過5天則需在分析報告中標明制樣和試驗時間。

（2）稱取5.00 g 標準無煙煤放入坩堝中，再稱取1.00 g 待測煤樣放入同一坩堝中，均需準確稱量至0.001 g。將坩堝以45°左右傾斜，以15 r/min 逆時針轉(zhuǎn)動，用攪拌絲以150 r/min按同傾角順時針攪拌，攪拌絲頂部小圓環(huán)需與坩堝壁和底相連接的圓弧部分相接觸。持續(xù)攪拌105 s 后，邊攪拌邊將坩堝和攪拌絲同步轉(zhuǎn)至垂直狀態(tài)，直至120 s攪拌完成。

（3）將粘附在坩堝壁上的混合樣掃下，并用攪拌絲將試樣撥平。為避免后續(xù)用壓塊壓緊后，樣品處于同一平面，還需用攪拌絲沿坩堝壁內(nèi)側(cè)四周，將樣品壓低約1～2 mm。用鑷子將標準鎳鉻鋼壓塊放置于坩堝中央，在專用壓力器下加壓30 s。

（4）加壓結(jié)束后，直接蓋上坩堝蓋，將坩堝水平置于坩堝架上快速送入預先加熱至850℃的馬弗爐恒溫區(qū)中。立即關(guān)上爐門并開始計時。放入后，爐溫需在6 min內(nèi)恢復至（850±10）℃，然后繼續(xù)加熱15 min，若6 min內(nèi)未恢復至規(guī)定溫度范圍內(nèi)，則需檢驗馬弗爐保溫性能并重新試驗。

（5）取出坩堝，在空氣中冷卻至室溫（若不立即進行轉(zhuǎn)鼓試驗，則需將坩堝移入干燥器中）。用鑷子從坩堝中取出壓塊，并將壓塊上粘附的焦屑用毛刷刷入坩堝內(nèi)，計入焦渣總質(zhì)量，記為m，然后置于轉(zhuǎn)鼓內(nèi)。

（6）轉(zhuǎn)鼓試驗按設備設定程序每次250 r，共5 min。在第一次轉(zhuǎn)鼓試驗后，取出全部焦渣并用1 mm圓孔篩過篩，稱量篩上焦樣質(zhì)量，記為m1。將篩上焦樣倒入轉(zhuǎn)鼓后進行第二次轉(zhuǎn)鼓試驗，同樣方法再次過篩并稱量篩上焦樣質(zhì)量，記為m2。

（7）黏結(jié)指數(shù)（GR.I）按式（1）計算:

當GR.I數(shù)值＜18時，則需分別稱量標準無煙煤與待測樣各3 g 混合均勻后重新試驗，試驗結(jié)果按式（2）計算：

2 實驗過程分析

2.1 試驗煤樣的制備

為了拓寬煉焦用煤來源，降低用煤成本，工業(yè)實際應用的煉焦煤大多混有一定量的弱黏結(jié)性煤，其破碎難度更大[4]。試驗煤樣應預先進行充分的空氣干燥，煤中水分過高時，在磨制過程中，煤粒易粘附于設備上，使細顆粒產(chǎn)出率降低。因此可將煤樣置于烘箱中干燥，干燥溫度≤40℃且時間≤4 h。研究表明，煙煤黏結(jié)指數(shù)隨煤樣干燥溫度的升高而下降，煤樣的變質(zhì)程度越高，下降幅度越小。高溫干燥易氧化煤種，會加速煤的氧化進而降低黏結(jié)性，必要時可采用通氮干燥法防止煤樣氧化。此外，測定黏結(jié)指數(shù)時，待測樣制備后存放時間不宜過長，存放時間越長，煤樣氧化程度越大，其黏結(jié)能力越弱，變質(zhì)程度低的煙煤受氧化影響尤為明顯。樣品盡量密封避光保存，一般在5 d 內(nèi)沒有顯著變化。遇到夏季高溫天氣，煤樣測定前還需放入冰箱冷藏室保存。

破碎方式對實驗結(jié)果也有一定影響[5]。若用連續(xù)破碎法制樣，會使部分小顆粒反復破碎。此外弱黏結(jié)性煤本身黏結(jié)性差，故不宜采用此法制備樣品。黏結(jié)指數(shù)數(shù)值隨待測樣中0.1～0.2 mm粒徑范圍內(nèi)顆粒所占比例的增大而減小，不同變質(zhì)程度的煤種呈現(xiàn)出的降幅有所不同[6]。需特別注意黏結(jié)指數(shù)值低的煤，即使符合國標制樣粒度要求，也可能出現(xiàn)黏結(jié)指數(shù)不符合再現(xiàn)性臨界差要求的可能。

2.2 焦樣的制備

實驗進行中，樣品稱樣質(zhì)量0.999 0～1.001 0 g，均符合國家標準要求，其實驗結(jié)果符合國標精密度要求。同一待測樣品，在此稱量范圍內(nèi)，隨著稱樣重量的增加，黏結(jié)指數(shù)數(shù)值隨之升高。對于黏結(jié)指數(shù)高的樣品，增幅值最高可達1.0。若使用高精度天平秤量，稱量精度控制在±0.000 2 g，能進一步提高黏結(jié)指數(shù)測定準確度。

2.2.1 待測煤樣與標準無煙煤的混合程度[7]

在試驗的過程中，依照國標技術(shù)要求進行規(guī)范混合操作是可以達到良好的混合效果的。在同時測量多個樣品或者分析人員操作尚不熟練的情況下，會出現(xiàn)待測煤樣與標準無煙煤混合不均的情況，導致實驗數(shù)值偏低。如果遇到濕度較大出現(xiàn)結(jié)塊的情況，不論人工還是機械法混合，在混合過程中均需多進行觀測，確保待測煤樣充分混合后再進行下一步操作。

2.2.2 壓塊變形對黏結(jié)指數(shù)的影響

通過6 kg壓力器對壓塊進行加壓，進而擠壓上述混合樣。實驗過程中使用的壓塊材質(zhì)是質(zhì)量110～115 g的鎳鉻鋼。壓塊質(zhì)量越大，煙煤和無煙煤黏結(jié)程度越好。但由于頻繁加壓和高溫灼燒，壓塊出現(xiàn)質(zhì)量損失和形狀改變。壓塊變形后則無法完全壓住混合樣，進而導致處在坩堝邊緣的混合樣壓不緊甚至壓不到。此情況下混合樣焦化后，焦樣在轉(zhuǎn)鼓里受離心力和重力雙重作用下，邊緣部分焦樣容易破損脫落，造成試樣質(zhì)量減少,黏結(jié)指數(shù)偏低。

2.2.3 馬弗爐性能對實驗測試的影響[8]

將裝有樣品和壓塊的坩堝快速放入馬弗爐的恒溫區(qū)，放置時需盡量保持平穩(wěn)，以免壓塊晃動導致樣品不在同一水平面上，此時馬弗爐測溫點應在坩堝架的中央。實驗中切不可一次放兩個以上坩堝架，一方面，馬弗爐恒溫區(qū)有限，一旦坩堝放置位置偏離恒溫區(qū)則導致樣品受熱溫度不足，進而導致黏結(jié)指數(shù)測定值偏低；另一方面，連續(xù)放置樣品，爐門打開時間過長，則可能會出現(xiàn)馬弗爐不能在規(guī)定時間內(nèi)恢復到設定溫度區(qū)間，導致實驗失敗。

2.3 轉(zhuǎn)鼓實驗

在轉(zhuǎn)鼓實驗中，實驗技術(shù)要求250 r，5 min，當前實驗設備均可達到實驗技術(shù)要求。但是在過篩時仍需人工操作，先后兩次過1 mm 圓孔篩。實驗進程中需格外注意部分焦粒剛好卡在篩網(wǎng)孔隙中，此時切不可用力按壓，使樣品過篩?？蓪⒑Y網(wǎng)輕輕震動，將焦粒從上方倒出，計入篩上焦樣總質(zhì)量。此外，在轉(zhuǎn)鼓中的焦粒也需用毛刷小心刷出一并過篩。

2.4 自動煙煤黏結(jié)指數(shù)分析法

隨著煙煤黏結(jié)指數(shù)測定儀的更新?lián)Q代，當前自動化測定設備已經(jīng)可以實現(xiàn)樣品的自動稱量與讀入，如轉(zhuǎn)鼓實驗、取/放樣、過篩和數(shù)據(jù)處理自動化[9]，最大程度地降低人為操作失誤帶來的實驗誤差，讓實驗結(jié)果更加精準、可靠。自動測試實驗結(jié)果的準確度、精密度、重復性和再現(xiàn)性臨界差均符合相關(guān)國標技術(shù)要求。

自動化煙煤黏結(jié)指數(shù)測定儀在實際工業(yè)應用過程中可以降低分析人員的勞動強度，更加精準高效地提供樣品分析數(shù)據(jù)。設備使用過程中，其良好的密封性能，可以減少粉塵和噪聲污染，有利于分析人員的身心健康。因此，自動化煙煤黏結(jié)指數(shù)測定儀可以替代國標中人工分析的方法。

3 實驗教學全過程優(yōu)化

煙煤黏結(jié)指數(shù)測定是傳統(tǒng)煤化工實驗之一，多數(shù)以驗證性實驗開設，按國家標準相應技術(shù)要求進行操作?；谏鲜鰧嶒炦^程誤差來源分析，為適應新時代新工科培養(yǎng)要求，嘗試以問題為導向，優(yōu)化本科實驗教學過程。

3.1 教學情境設置

實驗教師將班級分為6組，發(fā)布模擬教學情境。假定在淮南本地開設煤焦化項目，請根據(jù)淮南煤質(zhì)特征及行政區(qū)域分布進行選址和原料煤的選擇。煤焦化過程中對煤樣黏結(jié)指數(shù)有什么技術(shù)要求，如何進行測定？

在實驗教學情境設定后，由各組提前一周進行相關(guān)資料收集，給出初步原料煤選擇方案、選擇依據(jù)及選址依據(jù)，為培養(yǎng)工程思維提供新路徑。

3.2 實驗教學過程

實驗開始前，由實驗教師對實驗過程中可能存在的安全問題及解決方案進行詳細講解，牢固樹立實驗安全及環(huán)保意識，然后對實驗原理及操作進行詳細介紹。實驗煤樣的選擇、具體操作和數(shù)據(jù)處理由學生自主完成。

實驗原料煤不再由實驗教師制定，而是由教師提供6種淮南不同礦區(qū)煤樣供學生進行選擇，每組分別進行實驗。受制于實驗學時的影響，實驗教學中擬對學生精準稱量、壓塊因素、加熱因素、過篩因素進行實驗誤差分析，具體設置如下：

第一組同學實驗稱量按照國標上限和下限分別精準稱取，以此來對比待測樣量對實驗結(jié)果的影響；第二組同學按照（1.000 0±0.000 1）g 進行精準稱量，用新壓塊和使用多次的壓塊進行實驗，對壓塊進行稱重，對比壓塊對實驗結(jié)果的影響；第三組同學在放置坩堝時，將坩堝邊緣置于熱電偶上方，對比馬弗爐爐內(nèi)溫差對實驗結(jié)果的影響；第四組同學在轉(zhuǎn)鼓實驗時，第一個樣將卡在1 mm 圓孔篩上的分析樣按下去進行實驗，平行樣輕拍1 mm圓孔篩，將篩上焦粒倒出計入篩上物質(zhì)量，對比實驗結(jié)果；第五組、第六組同學按照操作要求自由發(fā)揮，不設限定條件。

3.3 實驗結(jié)果與討論

第一至第四組同學現(xiàn)場處理數(shù)據(jù)，分析重復性是否滿足國標要求，提出實驗過程中人為設定的偏差對實驗結(jié)果的影響；第五、第六組同學對照前四組同學實驗分析結(jié)果，綜合評價本組實驗過程中可能存在的實驗誤差，進而對實驗有全面的了解。

各組回到實驗開始前設置的教學情境，回答新建煉焦項目中，本組選擇的實驗煤樣能否用于煉焦用煤，如果可以，如何選址？如果不可以，能否通過配煤的方式實現(xiàn)煤的就地利用？

此環(huán)節(jié)中需要實驗教師予以現(xiàn)場指導，選址問題需綜合考慮擬選地址周邊交通情況、居民分布、其他工業(yè)農(nóng)業(yè)情況等相關(guān)信息，結(jié)合實驗過程中擬采用的煉焦用煤，綜合考慮項目可能帶來的社會效益、環(huán)境風險等，給出最終方案，作為實驗報告的結(jié)論。

3.4 開放性實驗教學分析

將煙煤黏結(jié)指數(shù)測定實驗改為開放性實驗，可以豐富實驗內(nèi)容，充分調(diào)動學生主觀能動性，培養(yǎng)學生查閱文獻的習慣，提升學生的團結(jié)協(xié)作能力，樹立化工安全與環(huán)保的意識[10]。

在實驗教學中也存在一定的不足：①教學情境的設置過于虛擬化，如果能有相關(guān)實習企業(yè)進行實際支持，更能貼合實際；②學生除了在實驗室外，還需要花更多的時間進行相關(guān)文獻查閱，少數(shù)同學未來從事化工工作意愿不強，無法調(diào)動所有同學積極參與；③本實驗項目需要得到“煤化學”“化學工藝學”“煉焦及化產(chǎn)回收”等相關(guān)理論課知識體系的支持，需要進一步協(xié)調(diào)教學內(nèi)容；④對學生考核方式還需進一步優(yōu)化，不能局限于傳統(tǒng)的實驗操作和實驗報告的批改，還需加大學生在查閱、分析資料方面等的過程性評價。

4 結(jié)論

（1）實驗全過程周期中，人為因素主要存在于實驗煤樣的制備、焦樣制備和轉(zhuǎn)鼓實驗過篩等；設備因素主要存在于天平的精準度、壓塊的變形程度、馬弗爐的恒溫區(qū)及升溫速度等。

（2）先進的自動煙煤黏結(jié)指數(shù)分析法可充分減少人為因素對實驗結(jié)果的影響，可以在實際生產(chǎn)中更加便捷高效地提供數(shù)據(jù)支撐。

（3）將煙煤黏結(jié)指數(shù)的測定由傳統(tǒng)驗證性實驗改為開放性實驗，滿足新時代新工科學生培養(yǎng)的需求，還需整合其他相關(guān)專業(yè)課知識和實驗項目內(nèi)容，進一步提高學生工程管理能力。