吉氏流動度應(yīng)用于煉焦煤評價方法的研究進展

張 飏，王 巖,白效言，魯 勵，王春晶，張昀朋，裴賢豐

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013;2.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

中國是世界上最大的冶金焦炭生產(chǎn)和使用國，根據(jù)中國煉焦行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，2021年全國焦炭產(chǎn)量達4.64億t，其中鋼鐵聯(lián)合焦化企業(yè)焦炭產(chǎn)量1.10億t，其他焦化企業(yè)焦炭產(chǎn)量3.55億t。焦化行業(yè)中原料煤占煉焦生產(chǎn)成本的80%以上，因此煉焦配煤工作一直是焦化行業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展和提質(zhì)增效的主要技術(shù)手段。但隨著優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源的限制性開發(fā)、劣質(zhì)煤源的大量入市及洗煤廠的肆意摻混等市場化因素，經(jīng)驗性較強的傳統(tǒng)配煤理論及依靠傳統(tǒng)表征指標(biāo)的煉焦煤特性評價方法越來越難以滿足穩(wěn)定煉焦生產(chǎn)、降低配煤成本的基本要求。即隨著我國高爐、焦?fàn)t大型化發(fā)展迅速，優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源十分稀缺，煤源摻混嚴(yán)重，目前的煉焦煤評價方法由于采用的各個指標(biāo)均存在著一定的局限性，現(xiàn)行以煤的工藝性能指標(biāo)為基礎(chǔ)的煉焦煤評價方法不適應(yīng)性日漸凸顯。

為了更好地應(yīng)對當(dāng)前較為混亂的供煤環(huán)境及有效降低企業(yè)生產(chǎn)成本，亟需創(chuàng)建 1 種應(yīng)用層面上的新型煉焦煤評價方法，為建立相關(guān)配煤理論奠定基礎(chǔ)。由于表征膠質(zhì)體數(shù)量和質(zhì)量的吉氏流動度指標(biāo)所輸出的信息并未完全應(yīng)用于煤質(zhì)評價，隨著吉氏流動度測定儀的國產(chǎn)化普及，對吉氏流動度指標(biāo)的研究已日益深入且逐漸被企業(yè)所認可,因而通過對現(xiàn)行煉焦煤評價方法的梳理以及對吉氏流動度指標(biāo)研究進展的總結(jié)，探究吉氏流動度指標(biāo)與其他流變特性表征指標(biāo)、焦炭質(zhì)量之間的關(guān)系，以期挖掘吉氏流動度指標(biāo)輸出的膠質(zhì)體特性信息以完善、優(yōu)化現(xiàn)有煉焦煤評價體系及配煤煉焦方法，從而為滿足焦化企業(yè)實際采購及生產(chǎn)需求提供基礎(chǔ)支持。

1 現(xiàn)行的煉焦煤評價方法

煤本身是結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的混合物，煤成焦過程的基本機理是熔融-結(jié)合-交互作用等，可以確定影響焦炭質(zhì)量的關(guān)鍵因素仍然是活性組分的熔融和結(jié)合惰性組分的演化過程，特別是煉焦煤軟化熔融過程中的流變特性。目前表征煉焦煤流變特性的指標(biāo)主要分為三類，即黏結(jié)性指標(biāo)、結(jié)焦性指標(biāo)和塑性指標(biāo)。

1.1 黏結(jié)性指標(biāo)

由煤科院提出的黏結(jié)指數(shù)(GR.I)是最具代表性的黏結(jié)性指標(biāo)，其反映煤在加熱(隔絕空氣)過程中自身黏結(jié)或黏結(jié)其他外加惰性物的能力。一般隨煤的變質(zhì)程度和煤巖組成發(fā)生有規(guī)律的變化，但會受到惰性組分的賦存狀態(tài)、礦物種類、煤的沉積環(huán)境等多種因素的影響。部分焦煤和1/3焦煤會出現(xiàn)相同煤種的黏結(jié)指數(shù)、結(jié)焦性能和成焦質(zhì)量差距甚遠的情況，且黏結(jié)指數(shù)對強黏結(jié)性煤的區(qū)分能力不足。

1.2 結(jié)焦性指標(biāo)

奧阿膨脹度是表征煤結(jié)焦性的主要指標(biāo)，主要取決于煤在產(chǎn)生膠質(zhì)體期間的析氣速度和膠質(zhì)體的不透氣性，與煤的巖相組成有密切關(guān)系，由此計算可得到煤的結(jié)焦能力。奧阿膨脹度對中、強黏結(jié)性煤的區(qū)分能力較強，特別針對強黏結(jié)性煤時其區(qū)分能力比許多其他指標(biāo)為優(yōu)；缺點是對弱黏結(jié)性煤的區(qū)分能力差，只能得到“僅收縮”的結(jié)果，導(dǎo)致無法區(qū)分弱黏結(jié)性煤的黏結(jié)性差別。

1.3 塑性指標(biāo)

膠質(zhì)體最大厚度(Y)是表征煤在塑性階段膠質(zhì)體的數(shù)量，該指標(biāo)受煤的膨脹性影響很大，若膨脹度大則Y值顯著偏高。Y值對中、強黏結(jié)性煤的區(qū)分能力比較強且具有加和性，缺點是人為誤差較大、對弱黏結(jié)性煤的區(qū)分能力差。已經(jīng)證實實踐由于膠質(zhì)體最大厚度缺乏質(zhì)量概念而影響到其應(yīng)用。

吉氏流動度作為另一個塑性指標(biāo)，主要表征煤在干餾時形成膠質(zhì)體的黏度。其優(yōu)點是可以了解煤在塑性溫度內(nèi)的流動特性及膠質(zhì)體的溫度區(qū)間，缺點是對黏結(jié)性較強的煤難以準(zhǔn)確測定。最大流動度溫度和固化溫度受煤階的影響甚大，與煤的熱分解有直接的關(guān)系，但更大程度上由煤的整體化學(xué)結(jié)構(gòu)所決定，而非由巖相組成決定。初始軟化溫度主要取決于煤巖顯微組成，而不取決于煤階。

目前應(yīng)用于配煤煉焦生產(chǎn)的煉焦煤評價方法，主要基于煤的各類工藝性能指標(biāo)，如揮發(fā)分(Vdaf)、黏結(jié)指數(shù)(GR.I)、膠質(zhì)體最大厚度(Y)、奧阿膨脹度(b)和吉氏最大流動度(MF)等，另外結(jié)合相關(guān)的活惰比、煤巖反射率等巖相指標(biāo)。由于各個指標(biāo)均存在著一定的局限性，表征膠質(zhì)體數(shù)量和質(zhì)量的吉氏流動度指標(biāo)輸出的信息并未完全應(yīng)用于煤質(zhì)評價，因此在煉焦煤供應(yīng)復(fù)雜、優(yōu)質(zhì)煤稀缺、煉焦工藝和裝備發(fā)生巨大變化、焦炭質(zhì)量要求不斷提高的背景下，目前的煉焦煤評價方法難以滿足企業(yè)實際采購及生產(chǎn)需要，應(yīng)深度挖掘吉氏流動度指標(biāo)輸出的膠質(zhì)體特性信息，完善、優(yōu)化現(xiàn)有煉焦煤評價體系及配煤煉焦方法。

2 吉氏流動度指標(biāo)的研究進展及應(yīng)用現(xiàn)狀

吉氏流動度指標(biāo)是20世紀(jì)30年代發(fā)展起來的1種表征煤塑性特征的指標(biāo)，該測試試驗可得到開始軟化溫度(T1)、最大流動度溫度(T2)、固化溫度(T3)、最大流動度(MF)及塑性溫度區(qū)間(ΔT)5個特征指標(biāo)[1]。吉氏流動度指標(biāo)被歐美、日本、韓國等國家普遍應(yīng)用于煉焦煤評價及配煤煉焦。

2.1 吉氏流動度指標(biāo)的研究進展

膠質(zhì)體是煉焦煤在熱解過程中形成的氣、液、固三相混合物，其形成是煤能夠黏結(jié)成焦的重要階段。膠質(zhì)體的質(zhì)量與數(shù)量直接決定所形成焦炭的性能，因此眾多國內(nèi)外學(xué)者及技術(shù)人員已對表征膠質(zhì)體質(zhì)量和數(shù)量的吉氏流動度指標(biāo)開展大量深入的系統(tǒng)研究。

由于吉氏流動度測試設(shè)備精密度和操作的規(guī)范性要求較高，設(shè)備國產(chǎn)化難度較大，因而吉氏流動度指標(biāo)應(yīng)用于我國配煤煉焦相對較晚。為了進一步完善、優(yōu)化配煤煉焦方法以期更為適合煉焦煤供應(yīng)等新形勢，我國技術(shù)人員研究了不同煤種吉氏流動度的特點，并利用該指標(biāo)區(qū)分其他變質(zhì)程度、流變特性指標(biāo)相近的煤。張明星等[2]研究發(fā)現(xiàn)同煤種雖最大流動度存在較大差異，但最大流動溫度差別很小，且隨變質(zhì)程度的增加而變大，配煤時增加流動度可提高焦炭冷強度。趙奇[3]利用吉氏流動度指標(biāo)在識別煉焦煤黏結(jié)性方面顯現(xiàn)的優(yōu)勢來區(qū)分不同產(chǎn)地同類煤黏結(jié)性的差異，從而確保焦炭質(zhì)量。曹貴杰[4]比較2種GR.I、Y和b等指標(biāo)相近的1/3焦煤，通過基氏流動度特征指標(biāo)的差別解釋了焦炭強度指標(biāo)相差較大的原因。

我國研究人員關(guān)于吉氏流動度指標(biāo)的研究主要集中在單種煤吉氏流動度各指標(biāo)之間的關(guān)系及其與其他流變特性指標(biāo)、變質(zhì)程度、焦炭冷熱態(tài)強度之間的影響關(guān)系，同時形成包括吉氏流動度指標(biāo)在內(nèi)的配合煤質(zhì)量控制指標(biāo)要求及焦炭質(zhì)量預(yù)測。洪澤[5]以9種焦煤、7種肥煤、7種1/3焦煤和2種瘦煤為研究對象，考察吉氏流動度測試所得的5個指標(biāo)之間及分別與變質(zhì)程度、膠質(zhì)體最大厚度(Y)、黏結(jié)指數(shù)(GR.I)、焦炭抗碎強度、反應(yīng)后強度等指標(biāo)之間的關(guān)系。羅瑞等[6]研究了5種焦煤、1種肥煤、2種1/3焦煤、1種貧瘦煤和1種瘦煤的最大流動度(MF)與變質(zhì)程度、黏結(jié)指數(shù)(GR.I)、膠質(zhì)體最大厚度(Y)、奧阿膨脹度(b)的相關(guān)性及變質(zhì)程度對塑性溫度區(qū)間的影響、10個配煤方案的配合煤變質(zhì)程度對最大流動度(MF)的影響及MF與Y、b的相關(guān)性，同時以揮發(fā)分、最大流動度、塑性溫度區(qū)間和灰分為參數(shù)有效建立焦炭熱強度的預(yù)測模型，相關(guān)性均高于95%。王超等[7]以1/3焦煤、肥煤、焦煤和瘦焦煤為研究對象，針對焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強度分別與灰分、揮發(fā)分、硫分、膠質(zhì)體最大厚度、黏結(jié)指數(shù)、鏡質(zhì)體平均最大反射率進行擬合分析，建議配煤灰分含量穩(wěn)定在9.5%～10%、揮發(fā)分在26%左右、膠質(zhì)體最大厚度盡可能接近20 mm、控制鏡質(zhì)體平均最大反射率在1.3%～1.4%以及在成本可控條件下合理提高黏結(jié)指數(shù)數(shù)值等，以便有利于提高配煤煉焦生產(chǎn)的焦炭質(zhì)量。胡文佳等[8]重點研究源自蒙古國、我國內(nèi)蒙古和山西地區(qū)的17個煉焦煤樣在煉焦過程中塑性層性質(zhì)與結(jié)焦能力，通過探尋煤樣的膨脹度(a+b)、流動度(lg MF)、黏結(jié)指數(shù)(GR.I)和膠質(zhì)體最大厚度(Y)與焦炭質(zhì)量指標(biāo)間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)熱塑性指標(biāo)(a+b、lg MF、GR.I、Y)均不能很好地用于判別煤樣形成焦炭的質(zhì)量特征，特別是不能識別出不同地域煤樣形成焦炭的質(zhì)量差異。徐榮廣等[9]對國內(nèi)外多個礦點的126個煤樣進行分析并研究流變特性指標(biāo)，即探究黏結(jié)指數(shù)、膠質(zhì)體最大厚度、奧阿膨脹度及最大吉氏流動度之間的相關(guān)性，表明最大吉氏流動度與膠質(zhì)體最大厚度之間的線性相關(guān)性最優(yōu)，且可較好地反映中等黏結(jié)性及強黏結(jié)性煤在煉焦過程中產(chǎn)生膠質(zhì)體的性質(zhì)，黏結(jié)指數(shù)和奧阿膨脹度則可較好地反映中等黏結(jié)性及弱黏結(jié)性煤膠質(zhì)體的性質(zhì)。呂青青等[10]研究61種單煤吉氏流動度各指標(biāo)與變質(zhì)程度、黏結(jié)性指標(biāo)、焦炭強度之間的關(guān)系，指出足夠的流動性和充裕的塑性溫度區(qū)間可使焦炭具有良好的機械強度。

在進行大量吉氏流動度特征指標(biāo)與其他流變特性指標(biāo)、變質(zhì)程度指標(biāo)之間關(guān)系研究的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外學(xué)者基于吉氏流動度指標(biāo)和曲線圖形分析，提出新的指標(biāo)以期能夠更全面地評價煉焦煤特征和指導(dǎo)配煤煉焦。楊光智等[11]選取覆蓋煉焦煤全部變質(zhì)范圍的25種煉焦煤，通過各個溫度區(qū)間的流動度占總流動度的比例(PF,r)和每個溫度區(qū)間的平均流動度(lgFa)，結(jié)合塑性溫度區(qū)間和代表整個膠質(zhì)體平均質(zhì)量的lgFwa計算得出煤的膠質(zhì)體流動指數(shù)(F)。試驗證明F不僅與Y、GR.I和a+b的相關(guān)性更好，而且具有很好的加和性，同時F作為黏結(jié)性指標(biāo)能夠更準(zhǔn)確的預(yù)測焦炭熱態(tài)強度。YANG等[12]認為吉氏流動度表征是評價煤的流動性的重要方法，煤的流動性對結(jié)焦過程影響很大，進而影響焦炭質(zhì)量，從而提出在現(xiàn)有指標(biāo)基礎(chǔ)上，以流動性溫度面積(SlgF)代替吉氏流動度最大值而作為流動性表征指標(biāo)。SlgF比lg MF對煤的流動性有更靈敏的分辨率，對于具有幾乎相同lg MF值的煤區(qū)分效果較好。

隨著配煤煉焦技術(shù)的不斷進步及高爐大型化，對焦炭質(zhì)量的要求愈來愈高，進而焦炭質(zhì)量的根本影響因素備受關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)焦炭結(jié)構(gòu)性質(zhì)是研究焦炭質(zhì)量的基礎(chǔ)，其中氣孔結(jié)構(gòu)是焦炭重要結(jié)構(gòu)性質(zhì)之一。STRUGALA[13]以不同變質(zhì)程度的波蘭煙煤為研究對象，研究成焦過程中半徑小于2 500 nm的孔之變化規(guī)律，以此為基礎(chǔ)建立以吉氏流動度塑性區(qū)間、揮發(fā)分等為參數(shù)的成孔模型。TOISHI等[14]通過解析不同溫度的熱解過程，發(fā)現(xiàn)在孔的生長過程中黏性因子發(fā)揮關(guān)鍵作用，而吉氏流動度是研究人員認為表征黏性的有效方法。

2.2 吉氏流動度指標(biāo)的應(yīng)用現(xiàn)狀

吉氏流動度指標(biāo)主要應(yīng)用于焦化行業(yè)，因此備受寶武集團、鞍鋼集團等各大鋼鐵聯(lián)合企業(yè)及獨立焦化企業(yè)的關(guān)注，目前配煤煉焦技術(shù)人員根據(jù)生產(chǎn)實際用煤已對其展開大量的試驗研究工作，主要從煉焦煤細分方法以及配用比例等方面對其進行專利保護。

在《中國煤炭分類》國家標(biāo)準(zhǔn)中，煙煤分類采用干燥無灰基揮發(fā)分表征變質(zhì)程度且以黏結(jié)指數(shù)、膠質(zhì)體最大厚度和奧阿膨脹度表征工藝性能，但由于地質(zhì)演變的復(fù)雜性及多種影響因素，不同地區(qū)的煉焦煤即使被劃分為同一煤種而在煉焦過程中形成的膠質(zhì)體特性及所得焦炭的質(zhì)量均存在較大差異，因此各大焦化企業(yè)建立煉焦煤細分方法時所采用的指標(biāo)不盡相同。

武漢鋼鐵(集團)公司圍繞吉氏流動度指標(biāo)進行大量研究，首先主要針對不同最大流動度范圍的煤通過劃分基氏流動度曲線選定流動區(qū)域?qū)r間的積分范圍，確定該煤種在配煤煉焦中的配比范圍[15-16]；其次以揮發(fā)分和吉氏流動度塑性溫度區(qū)間對同煤種煉焦煤進行細分，并明確其使用方法及配比范圍[17-19]；同時主要采用揮發(fā)分、鏡質(zhì)體反射率等變質(zhì)程度指標(biāo)、黏結(jié)性指標(biāo)及焦炭光學(xué)顯微結(jié)構(gòu)等作為細分指標(biāo)，其中針對黏結(jié)性指標(biāo)中的黏結(jié)指數(shù)、奧阿膨脹度、膠質(zhì)體最大厚度、最大吉氏流動度及塑性溫度區(qū)間，取其一或幾種組合即可。根據(jù)煤質(zhì)數(shù)據(jù)，確定上述各指標(biāo)組合的數(shù)值范圍，以此來定義煤種或?qū)⒎诸悩?biāo)準(zhǔn)中煤種進行細分，同時給出各煤種在煉焦配煤中的配比范圍[20-24]。山東鐵雄新沙能源有限公司提出 1 種煉焦煤的煤質(zhì)分類方法，即采用變質(zhì)程度指標(biāo)(干燥無灰基揮發(fā)分、鏡質(zhì)體平均最大反射率)、黏結(jié)性指標(biāo)(奧阿膨脹度、最大吉氏流動度)和焦炭顯微結(jié)構(gòu)指標(biāo)(焦炭光學(xué)顯微組織)作為評價煉焦煤結(jié)焦性的指標(biāo)將進廠原料煤分為適合其企業(yè)應(yīng)用的焦煤、肥煤和氣肥煤，并以此為基礎(chǔ)用于配煤煉焦[25]。鞍鋼股份有限公司提出 1 種制備優(yōu)質(zhì)冶金焦炭的煉焦配煤方法，該方法將煉焦煤揮發(fā)分、最大吉氏流動度和煤巖學(xué)的鏡質(zhì)體反射率、活惰比及標(biāo)準(zhǔn)方差等恰當(dāng)組合，規(guī)定不同煤種的配入量和細度要求，在有效降低焦、肥煤配比的情況下可提高焦炭質(zhì)量[26]。

2.3 吉氏流動度指標(biāo)對煉焦煤氧化程度的表征

焦化領(lǐng)域中采用吉氏流動度指標(biāo)來鑒別異常煉焦煤、區(qū)分同一煤種煉焦煤的黏結(jié)性等方面的應(yīng)用已經(jīng)越來越被企業(yè)認可。此外吉氏流動度指標(biāo)亦可實現(xiàn)確定最佳使用期限，即該指標(biāo)對煤的氧化程度反映靈敏。

煉焦煤在自然存儲過程中會逐漸發(fā)生氧化，雖其揮發(fā)分、黏結(jié)指數(shù)、膠質(zhì)體最大厚度等常規(guī)指標(biāo)變化并不明顯，但實際上煤在氧化后的結(jié)焦性能會大幅降低，因此有必要選擇能夠較好地反映氧化作用的指標(biāo)進行檢測。吉氏流動度指標(biāo)可表征膠質(zhì)體的流動性，且會隨著氧化程度的加深而降低，加之其反應(yīng)靈敏，因此該指標(biāo)可以較好地反映煤的慢性氧化過程。

采用煤科院自主研發(fā)的吉氏流動度測定儀進行氧化性試驗分析，主要將精煤混勻破碎至6 mm以下且在實驗室環(huán)境內(nèi)自然堆放，定期測定其吉氏流動度指標(biāo)的變化，其吉氏流動度指數(shù)隨著制樣保存期限的變化趨勢如圖1所示。

圖1 吉氏流動度變化曲線Fig.1 Variation curve of Gieseler fluidity

從圖1可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤樣制備完畢后在實驗室條件下自然堆放1個星期，其最大吉氏流動度由7 600 ddpm快速衰減至4 000 ddpm左右，然后大約存在10 d 的平臺期，再逐漸衰減至3 000 ddpm左右。

綜上所述，吉氏流動度的最大流動度數(shù)值在 1 個月內(nèi)由7 600 ddpm左右逐漸衰減至3 000 ddpm以下，降幅達到60%以上，同時軟化-固化溫度區(qū)間由74 ℃降低至71 ℃。因此在配煤煉焦中須對吉氏流動度的氧化性加以關(guān)注，應(yīng)盡量縮短從開采到入爐使用周期，尤其縮短存煤周期及改善存煤方式，從而減弱因氧化對煉焦煤品質(zhì)的影響。

3 結(jié) 論

(1) 現(xiàn)行的煉焦煤評價方法主要基于煤的各類工藝性能指標(biāo)。由于各個指標(biāo)均存在著一定的局限性，且表征膠質(zhì)體數(shù)量和質(zhì)量的吉氏流動度指標(biāo)輸出的信息并未完全應(yīng)用于煤質(zhì)評價，因此現(xiàn)行的煉焦煤評價方法無法完全滿足在煉焦煤供應(yīng)復(fù)雜、優(yōu)質(zhì)煤稀缺、煉焦工藝和裝備發(fā)生巨大變化以及對焦炭質(zhì)量要求不斷提高背景下的企業(yè)實際采購及生產(chǎn)需求，應(yīng)深度挖掘吉氏流動度指標(biāo)輸出的膠質(zhì)體特性信息，完善、優(yōu)化現(xiàn)有煉焦煤評價體系及配煤煉焦方法。

(2) 隨著吉氏流動度測定儀的國產(chǎn)化，對該指標(biāo)的研究日益深入且逐漸被企業(yè)所認可。研究發(fā)現(xiàn)吉氏流動度指標(biāo)與其他流變特性表征指標(biāo)、焦炭質(zhì)量之間存在一定的相關(guān)關(guān)系，以此為基礎(chǔ)可研發(fā)適用于企業(yè)自身的煉焦煤細分方法。

(3) 吉氏流動度指標(biāo)可靈敏反映煉焦煤的氧化程度，以此確定煉焦煤的最佳使用期限，確保其發(fā)揮最優(yōu)黏結(jié)性和結(jié)焦性。

(4) 膠質(zhì)體的特性不僅取決于最大流動度，且與塑性溫度區(qū)間有一定的關(guān)系，因此建議應(yīng)用吉氏流動度指標(biāo)時應(yīng)綜合考慮最大流動度、塑性區(qū)間及高流動度的停留時間等因素。

(5) 最大流動度是某一時刻煤最大流動性的體現(xiàn)，無法表征整個軟化熔融過程形成膠質(zhì)體的特性，存在 2 種煤的最大吉氏流動度和塑性區(qū)間雖相近但其性質(zhì)差異較大的現(xiàn)象，因此建議應(yīng)充分解讀吉氏流動度的曲線形貌及相關(guān)數(shù)學(xué)信息，科學(xué)評價煤炭質(zhì)量優(yōu)劣。