煙煤黏結(jié)指數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)技術(shù)分析及實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(xué) 化學(xué)工程學(xué)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(jī)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(jìn)一步細(xì)分為長(zhǎng)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(shí)為進(jìn)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(jìn)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(dǎo)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(xué)產(chǎn)品和焦炭。在化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)，還伴有煤的軟化形成膠質(zhì)體。膠質(zhì)體的流動(dòng)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(guó)，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(duì)煙煤黏結(jié)指數(shù)測(cè)定過程中可能存在的誤差進(jìn)行深度剖析，為精準(zhǔn)測(cè)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(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過程的優(yōu)化，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)新工科意識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

（1）待測(cè)煤樣需按國(guó)標(biāo)技術(shù)要求逐級(jí)破碎并縮分，最終制備成粒度＜0.2 mm 的分析實(shí)驗(yàn)煤樣，且粒徑Φ 0.1～0.2 mm的煤樣應(yīng)占試樣的20%～35%。實(shí)驗(yàn)前應(yīng)將不同粒徑煤樣充分混合均勻，若不立刻進(jìn)行測(cè)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(bào)告中標(biāo)明制樣和試驗(yàn)時(shí)間。

（2）稱取5.00 g 標(biāo)準(zhǔn)無煙煤放入坩堝中，再稱取1.00 g 待測(cè)煤樣放入同一坩堝中，均需準(zhǔn)確稱量至0.001 g。將坩堝以45°左右傾斜，以15 r/min 逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，用攪拌絲以150 r/min按同傾角順時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(yù)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(jì)時(shí)。放入后，爐溫需在6 min內(nèi)恢復(fù)至（850±10）℃，然后繼續(xù)加熱15 min，若6 min內(nèi)未恢復(fù)至規(guī)定溫度范圍內(nèi)，則需檢驗(yàn)馬弗爐保溫性能并重新試驗(yàn)。

（5）取出坩堝，在空氣中冷卻至室溫（若不立即進(jìn)行轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)，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(jì)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(yàn)按設(shè)備設(shè)定程序每次250 r，共5 min。在第一次轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)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(jìn)行第二次轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)，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(jì)算:

當(dāng)GR.I數(shù)值＜18時(shí)，則需分別稱量標(biāo)準(zhǔn)無煙煤與待測(cè)樣各3 g 混合均勻后重新試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果按式（2）計(jì)算：

2 實(shí)驗(yàn)過程分析

2.1 試驗(yàn)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(shí)際應(yīng)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(yàn)煤樣應(yīng)預(yù)先進(jìn)行充分的空氣干燥，煤中水分過高時(shí)，在磨制過程中，煤粒易粘附于設(shè)備上，使細(xì)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(shí)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(huì)加速煤的氧化進(jìn)而降低黏結(jié)性，必要時(shí)可采用通氮干燥法防止煤樣氧化。此外，測(cè)定黏結(jié)指數(shù)時(shí)，待測(cè)樣制備后存放時(shí)間不宜過長(zhǎng)，存放時(shí)間越長(zhǎng)，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(cè)定前還需放入冰箱冷藏室保存。

破碎方式對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有一定影響[5]。若用連續(xù)破碎法制樣，會(huì)使部分小顆粒反復(fù)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(cè)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(guó)標(biāo)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(shí)驗(yàn)進(jìn)行中，樣品稱樣質(zhì)量0.999 0～1.001 0 g，均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合國(guó)標(biāo)精密度要求。同一待測(cè)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(duì)于黏結(jié)指數(shù)高的樣品，增幅值最高可達(dá)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(jìn)一步提高黏結(jié)指數(shù)測(cè)定準(zhǔn)確度。

2.2.1 待測(cè)煤樣與標(biāo)準(zhǔn)無煙煤的混合程度[7]

在試驗(yàn)的過程中，依照國(guó)標(biāo)技術(shù)要求進(jìn)行規(guī)范混合操作是可以達(dá)到良好的混合效果的。在同時(shí)測(cè)量多個(gè)樣品或者分析人員操作尚不熟練的情況下，會(huì)出現(xiàn)待測(cè)煤樣與標(biāo)準(zhǔn)無煙煤混合不均的情況，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)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(jī)械法混合，在混合過程中均需多進(jìn)行觀測(cè)，確保待測(cè)煤樣充分混合后再進(jìn)行下一步操作。

2.2.2 壓塊變形對(duì)黏結(jié)指數(shù)的影響

通過6 kg壓力器對(duì)壓塊進(jìn)行加壓，進(jìn)而擠壓上述混合樣。實(shí)驗(yàn)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(jìn)而導(dǎo)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(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)需盡量保持平穩(wěn)，以免壓塊晃動(dòng)導(dǎo)致樣品不在同一水平面上，此時(shí)馬弗爐測(cè)溫點(diǎn)應(yīng)在坩堝架的中央。實(shí)驗(yàn)中切不可一次放兩個(gè)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(dǎo)致樣品受熱溫度不足，進(jìn)而導(dǎo)致黏結(jié)指數(shù)測(cè)定值偏低；另一方面，連續(xù)放置樣品，爐門打開時(shí)間過長(zhǎng)，則可能會(huì)出現(xiàn)馬弗爐不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到設(shè)定溫度區(qū)間，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

2.3 轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)

在轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求250 r，5 min，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)設(shè)備均可達(dá)到實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求。但是在過篩時(shí)仍需人工操作，先后兩次過1 mm 圓孔篩。實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中需格外注意部分焦粒剛好卡在篩網(wǎng)孔隙中，此時(shí)切不可用力按壓，使樣品過篩。可將篩網(wǎng)輕輕震動(dòng)，將焦粒從上方倒出，計(jì)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(dòng)煙煤黏結(jié)指數(shù)分析法

隨著煙煤黏結(jié)指數(shù)測(cè)定儀的更新?lián)Q代，當(dāng)前自動(dòng)化測(cè)定設(shè)備已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)樣品的自動(dòng)稱量與讀入，如轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)、取/放樣、過篩和數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化[9]，最大程度地降低人為操作失誤帶來的實(shí)驗(yàn)誤差，讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加精準(zhǔn)、可靠。自動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度、精密度、重復(fù)性和再現(xiàn)性臨界差均符合相關(guān)國(guó)標(biāo)技術(shù)要求。

自動(dòng)化煙煤黏結(jié)指數(shù)測(cè)定儀在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用過程中可以降低分析人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，更加精準(zhǔn)高效地提供樣品分析數(shù)據(jù)。設(shè)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(dòng)化煙煤黏結(jié)指數(shù)測(cè)定儀可以替代國(guó)標(biāo)中人工分析的方法。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過程優(yōu)化

煙煤黏結(jié)指數(shù)測(cè)定是傳統(tǒng)煤化工實(shí)驗(yàn)之一，多數(shù)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)開設(shè)，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)技術(shù)要求進(jìn)行操作。基于上述實(shí)驗(yàn)過程誤差來源分析，為適應(yīng)新時(shí)代新工科培養(yǎng)要求，嘗試以問題為導(dǎo)向，優(yōu)化本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程。

3.1 教學(xué)情境設(shè)置

實(shí)驗(yàn)教師將班級(jí)分為6組，發(fā)布模擬教學(xué)情境。假定在淮南本地開設(shè)煤焦化項(xiàng)目，請(qǐng)根據(jù)淮南煤質(zhì)特征及行政區(qū)域分布進(jìn)行選址和原料煤的選擇。煤焦化過程中對(duì)煤樣黏結(jié)指數(shù)有什么技術(shù)要求，如何進(jìn)行測(cè)定？

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)情境設(shè)定后，由各組提前一周進(jìn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

實(shí)驗(yàn)開始前，由實(shí)驗(yàn)教師對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中可能存在的安全問題及解決方案進(jìn)行詳細(xì)講解，牢固樹立實(shí)驗(yàn)安全及環(huán)保意識(shí)，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)原理及操作進(jìn)行詳細(xì)介紹。實(shí)驗(yàn)煤樣的選擇、具體操作和數(shù)據(jù)處理由學(xué)生自主完成。

實(shí)驗(yàn)原料煤不再由實(shí)驗(yàn)教師制定，而是由教師提供6種淮南不同礦區(qū)煤樣供學(xué)生進(jìn)行選擇，每組分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。受制于實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的影響，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中擬對(duì)學(xué)生精準(zhǔn)稱量、壓塊因素、加熱因素、過篩因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)誤差分析，具體設(shè)置如下：

第一組同學(xué)實(shí)驗(yàn)稱量按照國(guó)標(biāo)上限和下限分別精準(zhǔn)稱取，以此來對(duì)比待測(cè)樣量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響；第二組同學(xué)按照（1.000 0±0.000 1）g 進(jìn)行精準(zhǔn)稱量，用新壓塊和使用多次的壓塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)壓塊進(jìn)行稱重，對(duì)比壓塊對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響；第三組同學(xué)在放置坩堝時(shí)，將坩堝邊緣置于熱電偶上方，對(duì)比馬弗爐爐內(nèi)溫差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響；第四組同學(xué)在轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)時(shí)，第一個(gè)樣將卡在1 mm 圓孔篩上的分析樣按下去進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，平行樣輕拍1 mm圓孔篩，將篩上焦粒倒出計(jì)入篩上物質(zhì)量，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果；第五組、第六組同學(xué)按照操作要求自由發(fā)揮，不設(shè)限定條件。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

第一至第四組同學(xué)現(xiàn)場(chǎng)處理數(shù)據(jù)，分析重復(fù)性是否滿足國(guó)標(biāo)要求，提出實(shí)驗(yàn)過程中人為設(shè)定的偏差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響；第五、第六組同學(xué)對(duì)照前四組同學(xué)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，綜合評(píng)價(jià)本組實(shí)驗(yàn)過程中可能存在的實(shí)驗(yàn)誤差，進(jìn)而對(duì)實(shí)驗(yàn)有全面的了解。

各組回到實(shí)驗(yàn)開始前設(shè)置的教學(xué)情境，回答新建煉焦項(xiàng)目中，本組選擇的實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)煤的就地利用？

此環(huán)節(jié)中需要實(shí)驗(yàn)教師予以現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，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(shí)驗(yàn)過程中擬采用的煉焦用煤，綜合考慮項(xiàng)目可能帶來的社會(huì)效益、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等，給出最終方案，作為實(shí)驗(yàn)報(bào)告的結(jié)論。

3.4 開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)分析

將煙煤黏結(jié)指數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)改為開放性實(shí)驗(yàn)，可以豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)的習(xí)慣，提升學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，樹立化工安全與環(huán)保的意識(shí)[10]。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也存在一定的不足：①教學(xué)情境的設(shè)置過于虛擬化，如果能有相關(guān)實(shí)習(xí)企業(yè)進(jìn)行實(shí)際支持，更能貼合實(shí)際；②學(xué)生除了在實(shí)驗(yàn)室外，還需要花更多的時(shí)間進(jìn)行相關(guān)文獻(xiàn)查閱，少數(shù)同學(xué)未來從事化工工作意愿不強(qiáng)，無法調(diào)動(dòng)所有同學(xué)積極參與；③本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要得到“煤化學(xué)”“化學(xué)工藝學(xué)”“煉焦及化產(chǎn)回收”等相關(guān)理論課知識(shí)體系的支持，需要進(jìn)一步協(xié)調(diào)教學(xué)內(nèi)容；④對(duì)學(xué)生考核方式還需進(jìn)一步優(yōu)化，不能局限于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的批改，還需加大學(xué)生在查閱、分析資料方面等的過程性評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)全過程周期中，人為因素主要存在于實(shí)驗(yàn)煤樣的制備、焦樣制備和轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)過篩等；設(shè)備因素主要存在于天平的精準(zhǔn)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(jìn)的自動(dòng)煙煤黏結(jié)指數(shù)分析法可充分減少人為因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，可以在實(shí)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(cè)定由傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改為開放性實(shí)驗(yàn)，滿足新時(shí)代新工科學(xué)生培養(yǎng)的需求，還需整合其他相關(guān)專業(yè)課知識(shí)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，進(jìn)一步提高學(xué)生工程管理能力。