不同黏結(jié)指數(shù)煤的奧阿膨脹計(jì)試驗(yàn)研究

衛(wèi)雙果

（山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院有限公司，山西 太原 030001）

隨著我國電力、冶金、化工等行業(yè)的不斷發(fā)展，對煤的需求量也在不斷增加，以高效、清潔、高效益及高附加值為選擇標(biāo)準(zhǔn)來對煤炭進(jìn)行綜合開發(fā)利用[1-3]。膠質(zhì)層指數(shù)、奧阿膨脹度、黏結(jié)指數(shù)從不同方向反映在加熱干餾過程中煤產(chǎn)生膠質(zhì)體的性質(zhì)、數(shù)量和黏結(jié)性能[4-5]。膠質(zhì)層指數(shù)反映了膠質(zhì)體的數(shù)量、特性，但難以反映在加熱過程中膠質(zhì)體的膨脹性。黏結(jié)指數(shù)是度量無煙煤與煤樣充分混合加熱后，煤顆粒間或煤顆粒與周圍的無煙煤黏合的牢固程度。黏結(jié)指數(shù)能較好地反映弱黏結(jié)性和中等黏結(jié)性煤中膠質(zhì)體性質(zhì)，對強(qiáng)黏結(jié)性煤的靈敏度比較差[6-8]。在加熱過程中煤產(chǎn)生的膨脹能促進(jìn)煤顆粒之間的相互融合接觸，焦炭的強(qiáng)度與煤的膨脹性能有關(guān)[9-10]。奧阿膨脹計(jì)試驗(yàn)反映了在干餾過程中煤發(fā)生收縮或膨脹的程度，主要取決于煤樣在加熱的過程中氣體的析出速度、膠質(zhì)體透氣性及塑性體的量等，反映了膠質(zhì)體的質(zhì)和量，用來研究煤的分類、成焦機(jī)理及煤質(zhì)鑒定等方面。目前對不同黏結(jié)指數(shù)下的煤的奧阿膨脹計(jì)試驗(yàn)的相關(guān)研究比較少，通過對不同黏結(jié)指數(shù)下的試驗(yàn)煤樣進(jìn)行奧阿膨脹計(jì)試驗(yàn)研究，分析在不同黏結(jié)指數(shù)下各個(gè)試驗(yàn)結(jié)果的變化規(guī)律，從而促進(jìn)煤炭更好地分類加工利用。

1 試驗(yàn)煤樣奧阿膨脹計(jì)試驗(yàn)

1.1 奧阿膨脹計(jì)試驗(yàn)方法

按《煙煤奧阿膨脹計(jì)試驗(yàn)》（GB/T 5450-2014）的規(guī)定將試驗(yàn)煤樣制成規(guī)定長度的煤筆并裝入膨脹管內(nèi)，再將膨脹管放入達(dá)到溫度要求的電爐中，然后以3 ℃/min 的速度加熱升溫。當(dāng)加熱到一定溫度后煤樣開始熱解，析出部分揮發(fā)分，然后開始軟化，膨脹桿向下移動，煤筆縮短變形，試樣開始收縮；當(dāng)煤筆完全呈塑性狀態(tài)，膨脹桿停止下降，煤筆停止收縮；隨著煤粒繼續(xù)受熱，膠質(zhì)體的塑性使煤樣開始膨脹，當(dāng)溫度達(dá)到試驗(yàn)煤樣的固化點(diǎn)后，膠質(zhì)體開始固化成半焦，煤筆膨脹達(dá)到最大值[7]。

1.2 奧阿膨脹計(jì)試驗(yàn)記錄曲線類型

圖1 ～圖4 為奧阿膨脹計(jì)試驗(yàn)4 種記錄曲線類型。T1為軟化溫度，是膨脹桿下降0.5 mm 時(shí)的溫度；T2為開始膨脹溫度，是膨脹桿下降到最低點(diǎn)后開始上升時(shí)的溫度；T3為固化溫度，是膨脹桿停止移動時(shí)的溫度；a為最大收縮度，是膨脹桿下降的最大距離占煤筆長度的百分比；b為最大膨脹度，是膨脹桿上升的最大距離占煤筆長度的百分比。

圖1 煙煤奧阿膨脹計(jì)試驗(yàn)正膨脹曲線

圖 2 煙煤奧阿膨脹計(jì)試驗(yàn)負(fù)膨脹曲線

圖 3 煙煤奧阿膨脹計(jì)試驗(yàn)僅收縮曲線

圖 4 煙煤奧阿膨脹計(jì)試驗(yàn)傾斜收縮曲線

2 結(jié)果與討論

2.1 最大收縮度a 和最大膨脹度b

最大收縮度a是隨著干餾過程中膠質(zhì)體生成而產(chǎn)生的，它表明煤的軟化行為。最大收縮度a不僅能反映煤樣的收縮性，也能反映煤樣的膨脹性。最大膨脹度b一樣的兩種不同黏結(jié)性的煤樣，最大收縮度a不同，則最大收縮度a小的煤樣，膠質(zhì)體的透氣性差、黏結(jié)度大。最大收縮度a也可以反映煤的黏結(jié)性質(zhì)[7]。

最大膨脹度b是比較關(guān)鍵的檢測指標(biāo)，它反映了在加熱干餾過程中煤顆粒之間的結(jié)合情況。最大膨脹度b越大，越能很好地推動煤顆粒之間的融合接觸，從而提高煤的黏結(jié)性。對入爐煤來說，其最大膨脹度b可粗略估計(jì)在塑性階段的煤對鍋爐墻體產(chǎn)生的影響，是否會因膨脹度過大而對鍋爐產(chǎn)生危害。

不同黏結(jié)指數(shù)G下的試驗(yàn)煤樣奧阿膨脹計(jì)試驗(yàn)的最大收縮度a及最大膨脹度b的變化規(guī)律如圖5。

圖5 不同黏結(jié)指數(shù)下的最大收縮度a 與最大膨脹度b

由圖5 可知，當(dāng)試驗(yàn)煤樣的黏結(jié)指數(shù)G為0 時(shí)，煤樣在加熱時(shí)不產(chǎn)生膠質(zhì)體，試樣沒有軟化也沒有膨脹，體積曲線呈直線，最大收縮度a為0；當(dāng)試驗(yàn)煤樣的黏結(jié)指數(shù)0＜G＜50 時(shí)，隨著黏結(jié)指數(shù)的增大，煤的透氣性增大，最大收縮度a逐漸增大，奧阿膨脹計(jì)試驗(yàn)曲線為僅收縮曲線，說明試驗(yàn)煤樣在加熱過程中軟化析出膠質(zhì)體后沒有隨著溫度的繼續(xù)升高而發(fā)生膨脹；當(dāng)試驗(yàn)煤樣的黏結(jié)指數(shù)50＜G＜85時(shí)，最大收縮度a有所變化但并不明顯，最大膨脹度b有所增大，說明在該黏結(jié)指數(shù)范圍內(nèi)試驗(yàn)煤樣基本是在析出膠質(zhì)體完成收縮后，塑性體才開始膨脹且膨脹性逐漸增大；當(dāng)黏結(jié)指數(shù)G＞85 時(shí)，最大收縮度a有所減小，隨著黏結(jié)指數(shù)的進(jìn)一步增大，最大收縮度a變化又趨于平緩，最大膨脹度b呈增大趨勢，說明當(dāng)黏結(jié)指數(shù)G較大時(shí)，一些試驗(yàn)煤樣并不是膨脹桿下降達(dá)到最低點(diǎn)完全收縮后才開始膨脹，而是一邊熱解一邊膨脹，從而使最大收縮度a變小。隨著膨脹度的增大，煤的變質(zhì)程度越好，膠質(zhì)體的量及膠質(zhì)程度越好，黏結(jié)性越好。

2.2 軟化溫度T1、開始膨脹溫度T2、固化溫度T3

固化溫度與軟化溫度之間的差值為軟、固化溫度區(qū)間，該區(qū)間與煤的變質(zhì)程度、煤的種類等有關(guān)，反映了煤在膠質(zhì)體狀態(tài)下停留的時(shí)間長短。軟、固化溫度區(qū)間間隔越長，煤在膠質(zhì)體下停留的時(shí)間越長，越有利于煤顆粒在軟化后的融合，從而促進(jìn)干餾過程中煤在膠質(zhì)體下的連續(xù)性，提高煤的黏結(jié)性[4]。不同黏結(jié)指數(shù)G下的試驗(yàn)煤樣奧阿膨脹計(jì)試驗(yàn)的軟化溫度T1、開始膨脹溫度T2、固化溫度T3的變化規(guī)律如圖6。

圖6 不同黏結(jié)指數(shù)下的軟化溫度T1、開始膨脹溫度T2、固化溫度T3

由圖6 可知，隨著試驗(yàn)煤樣黏結(jié)指數(shù)G的增大，軟化溫度T1、開始膨脹溫度T2、固化溫度T3總體上呈下降趨勢，試驗(yàn)煤樣開始軟化析出膠質(zhì)體所達(dá)到的溫度及所用的時(shí)間變?。卉?、固化溫度區(qū)間總體呈增大趨勢，軟、固化溫度區(qū)間的增大，說明試驗(yàn)煤樣在析出膠質(zhì)體后，膠質(zhì)體狀態(tài)下停留的時(shí)間變長，煤顆粒軟化后的融合性更好，煤的黏結(jié)性增大。

3 結(jié)論

隨著試驗(yàn)煤樣黏結(jié)指數(shù)G的增大，最大膨脹度b值呈增大趨勢；最大收縮度a值有所變化但不是特別明顯；各個(gè)溫度總體上呈下降趨勢；軟固化溫度區(qū)間呈增大趨勢。最大膨脹度b值越大，煤的變質(zhì)程度越好，越能很好地推動煤顆粒之間的融合接觸，提高煤的整體黏結(jié)性。當(dāng)黏結(jié)指數(shù)G＞50 時(shí)，試驗(yàn)煤樣在析出膠質(zhì)體后，塑性體發(fā)生膨脹，各個(gè)參數(shù)均有所變化，說明奧阿膨脹計(jì)試驗(yàn)對弱黏結(jié)性煤的區(qū)分能力較差，對中、強(qiáng)黏結(jié)性煤的區(qū)分能力較強(qiáng)，而黏結(jié)指數(shù)能較好地反映弱黏結(jié)性和中等黏結(jié)性煤中膠質(zhì)體性質(zhì)，對強(qiáng)黏結(jié)性煤的靈敏度比較差。通過對黏結(jié)指數(shù)與奧阿膨脹度的測定可以很好地區(qū)分煤的黏結(jié)性強(qiáng)弱，從而更好地促進(jìn)煤的分類加工利用，達(dá)到降本增效的目的。