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(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，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(jìn)行深度剖析，為精準(zhǔn)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(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。

1 實驗方法

（1）待測煤樣需按國標(biāo)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(yīng)占試樣的20%～35%。實驗前應(yīng)將不同粒徑煤樣充分混合均勻，若不立刻進(jìn)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(biāo)明制樣和試驗時間。

（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(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)上爐門并開始計時。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(jìn)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(shè)備設(shè)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(jìn)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(dāng)GR.I數(shù)值＜18時，則需分別稱量標(biāo)準(zhǔn)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(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]。試驗煤樣應(yīng)預(yù)先進(jìn)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(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(jìn)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(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(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

實驗進(jìn)行中，樣品稱樣質(zhì)量0.999 0～1.001 0 g，均符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，其實驗結(jié)果符合國標(biāo)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(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)測定準(zhǔn)確度。

2.2.1 待測煤樣與標(biāo)準(zhǔn)無煙煤的混合程度[7]

在試驗的過程中，依照國標(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(biāo)準(zhǔn)無煙煤混合不均的情況，導(dǎo)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(jī)械法混合，在混合過程中均需多進(jìn)行觀測，確保待測煤樣充分混合后再進(jìn)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(jìn)行加壓，進(jìn)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(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(dǎo)致樣品不在同一水平面上，此時馬弗爐測溫點應(yīng)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(dǎo)致樣品受熱溫度不足，進(jìn)而導(dǎo)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(fù)到設(shè)定溫度區(qū)間，導(dǎo)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(dāng)前實驗設(shè)備均可達(dá)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(jìn)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(dāng)前自動化測定設(shè)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(zhǔn)、可靠。自動測試實驗結(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)國標(biāo)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(yīng)用過程中可以降低分析人員的勞動強(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，自動化煙煤黏結(jié)指數(shù)測定儀可以替代國標(biāo)中人工分析的方法。

3 實驗教學(xué)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(shè)，按國家標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)技術(shù)要求進(jìn)行操作?；谏鲜鰧嶒炦^程誤差來源分析，為適應(yīng)新時代新工科培養(yǎng)要求，嘗試以問題為導(dǎo)向，優(yōu)化本科實驗教學(xué)過程。

3.1 教學(xué)情境設(shè)置

實驗教師將班級分為6組，發(fā)布模擬教學(xué)情境。假定在淮南本地開設(shè)煤焦化項目，請根據(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。煤焦化過程中對煤樣黏結(jié)指數(shù)有什么技術(shù)要求，如何進(jìn)行測定？

在實驗教學(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 實驗教學(xué)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(jìn)行詳細(xì)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(jìn)行詳細(xì)介紹。實驗煤樣的選擇、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(xué)生進(jìn)行選擇，每組分別進(jìn)行實驗。受制于實驗學(xué)時的影響，實驗教學(xué)中擬對學(xué)生精準(zhǔn)稱量、壓塊因素、加熱因素、過篩因素進(jìn)行實驗誤差分析，具體設(shè)置如下：

第一組同學(xué)實驗稱量按照國標(biāo)上限和下限分別精準(zhǔn)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(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)行實驗，對壓塊進(jìn)行稱重，對比壓塊對實驗結(jié)果的影響；第三組同學(xué)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(xué)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(jìn)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(xué)按照操作要求自由發(fā)揮，不設(shè)限定條件。

3.3 實驗結(jié)果與討論

第一至第四組同學(xué)現(xiàn)場處理數(shù)據(jù)，分析重復(fù)性是否滿足國標(biāo)要求，提出實驗過程中人為設(shè)定的偏差對實驗結(jié)果的影響；第五、第六組同學(xué)對照前四組同學(xué)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(jìn)而對實驗有全面的了解。

各組回到實驗開始前設(shè)置的教學(xué)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(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(fēng)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(xué)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(xué)生主觀能動性，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[10]。

在實驗教學(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)實習(xí)企業(yè)進(jìn)行實際支持，更能貼合實際；②學(xué)生除了在實驗室外，還需要花更多的時間進(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)動所有同學(xué)積極參與；③本實驗項目需要得到“煤化學(xué)”“化學(xué)工藝學(xué)”“煉焦及化產(chǎn)回收”等相關(guān)理論課知識體系的支持，需要進(jìn)一步協(xié)調(diào)教學(xué)內(nèi)容；④對學(xué)生考核方式還需進(jìn)一步優(yōu)化，不能局限于傳統(tǒng)的實驗操作和實驗報告的批改，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(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(xué)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(jìn)一步提高學(xué)生工程管理能力。