分广泛,特别是在焦化厂指导炼焦配煤方面有独到之处,因此,我国1986年颁布实施的煤炭分类国家标准中也采用Y值作为分类指标之一。
(四)奥阿膨胀度
奥阿膨胀度是测定煤炭黏结性的方法之一,其测定要点是:将煤样按规定方法制成形状和大小类似于粉笔的煤笔,放入专用膨胀管内,煤笔上部放置一根能自由滑动的膨胀杆。将上述装置放入专用电炉后,在膨胀杆上端连接一支记录笔,记录笔与卷在匀速转动的转筒上的记录纸相接触,以3 ℃/min的升温速度加热,在记录纸上就记录下膨胀杆上下移动的位移曲线。测量并计算位移的最大距离占煤笔原始长度的百分数,作为煤样的膨胀度,即奥阿膨胀度指标b。膨胀曲线如图8-13所示。
通过试验可以测定下列指标:
T1——软化温度,膨胀杆下降0.5 mm时的温度,℃;
T2——开始膨胀温度,膨胀杆下降到最低点后开始上升时的温度,℃; T3——固化温度,膨胀杆停止移动时的温度,℃;
a——最大收缩度,膨胀杆下降的最大距离占煤笔长度的百分数,%; b——最大膨胀度,膨胀杆上升的最大距离占煤笔长度的百分数,%。 利用上述测定的结果,可以按下式计算无因次结焦能力指数CI。
如果煤的结焦能力指数CI在1.05~1.10之间,焦炭的质量就好。 奥阿膨胀度主要取决于煤的胶质体数量、胶质体的不透气性和胶质体期间气体析出的速度。如果胶质体数量多、透气性差、温度间隔宽,则膨胀度就大,反之,膨胀度就小。中等煤化程度的肥煤、焦煤,膨胀度大,其余煤种的膨胀度小,甚至是负值(膨胀曲线低于基线)或不膨胀。
奥阿膨胀度对中、强黏结性煤的区分能力强,对强黏结性煤,区分能力优于Y值,测定时人为误差小,结果重现性好。缺点是对弱黏结性煤区分能力差,以及实验仪器加工精度要求高,规范性太强。奥阿膨胀度指标也被我国煤炭分类方案采用,作为Y值的补充指标。
(五)坩埚膨胀序数 坩埚膨胀序数CSN,是一种通过测定煤炭的膨胀性来判断黏结性的方法。其测定要点是:称取1 g粒度小于0.2 mm的煤样装入专用坩埚中。放入电加热炉内,按规定的方法加热,将所得的焦块与一套带有序号的标准焦块侧面图形(如图8-14所示)相比较,与焦块最为接近的一个图形的序号即是该种煤的坩埚膨胀序数。膨胀序数共分为17种,序数越大,表示煤的膨
胀性和黏结性越强。
坩埚膨胀序数的大小取决于煤的熔融特性、胶质体生成期间析气情况及胶质体的不透气性。由于测定时加热速度很快,约为530 ℃/min,使煤料塑性体突然固结成半焦而析出气体得到焦块,它主要取决于煤临近固化前的塑性体特性,有可能将黏结性较弱的煤判断为黏结性较强的煤。而且这种方法是根据焦块外形来确定的,因此使判断带有较强的主观性,往往对膨胀序数5以上煤黏结性的区分能力较差。但该法快速简便,在英国等使用已久,在国际硬煤分类方案中被选为黏结性的分类指标。
(六)格金焦型
此法是由英国的格雷和金两人提出的一种低温干馏试验方法,也是测定煤炭结焦性的一种方法。其方法要点是:将20 g小于0.2 mm的煤样放入特制的水平干馏管中,从 325 ℃起以5 ℃/min升温速率加热,直至600 ℃,并在此温度下保持1 h。在试验过程中收集焦油、热解水、氨和煤气,并求出它们的产率。根据残留在干馏管中的半焦质量求出半焦产率,并将所得半焦与一组标准焦型(见图8-15)比较,并根据图8-16进行鉴定和分类,以判断煤的结焦性能。对于焦型大于G的煤样,在试验前应配入一些电极炭,使焦型恰好为G型,以20 g混合物中电极炭的配入量xg来表示Gx,x一般为1~13之间的任一数字。
各类煤的格金焦型如下: 褐煤及无烟煤基本为A型,少数如氢含量较高的年老褐煤和年轻无烟煤(Hdaf>3.5%时)均可能出现B型;长焰煤和贫煤多为A~D型;瘦煤为D~G2型;焦煤为G~G6型;肥煤和气肥煤为G5~G13型;气煤和1/3焦煤为从C~D型到GI0型的均有;不黏煤为A~B型,个别的有C型;弱黏煤为C~F型;1/2中黏煤为D~G型;贫瘦煤以C~E型为主,少数为F型。
该法的优点是可以比较全面地了解煤炭热解产物的性状,还可以同时获得表征煤结焦性的格金焦型;但缺点是对焦型的判断常带有主观性,并且在测定强黏结性煤时需要逐次添加不同数量的电极炭,经多次探索才能测出,而实际上格金焦型G8以上已无法进一步区分,且不易测准。格金焦型是硬煤国际分类中鉴别结焦性亚组的一个指标,但中国多以奥阿膨胀度b值代替格金焦型。一些使用连续式直立炭化炉的煤气厂仍用测定格金焦型来判断煤的结焦性。
(七)吉氏流动度
此法首先由德国人吉泽勒于1934年提出,目前在美国、日本和波兰等国应用较广并作为国家标准。测定吉氏流动度的仪器为吉氏塑性计,分为波兰型(标准为PN-62G-0536)和美国型(标准为ASTM-D1812)两种。我国多用波兰型,但20世纪80年代后有些研究所已研制或引进美国型自动操作的吉氏塑性计。该法的要点是:将煤样装入预先装有搅拌浆的钢锅中,对搅拌浆施加恒力矩。在盐浴中以3 ℃/min的加热速率加热煤样,随着温度的上升,煤料软化、熔融产生塑性变化,使搅拌浆的运动呈现有规律的变化。搅拌浆由开始的不动到转动,然后转动速度逐渐增至最大,而后又逐渐变慢,直至停止。根据恒力矩搅拌浆的转动特性,测定煤在可塑状态时的流动性。通过试验可测得如下5个特性指标和绘制出吉氏流动度曲线,如图8-17所示。当刻度盘指针转动1°时,对应的温度为开始软化温度ts;当指针转动最大时,对应温度tmax为最大流动度时的温度,此时的流动度为最大流动度αmax,用每分钟转动的角度(ddpm)表示;当指针停止转动时的对应温度为固化温度tr;固化温度与软化温度之差(tr-ts)为胶质体的温度间隔Δt。几种典型炼焦煤的吉氏流动度曲线如图8-18所示。
从图8-18可见,肥煤的流动度曲线比较平坦且宽,表明其胶质体停留在较大流动性的时间较长(即Δt较大),适应性较广,可供配合的煤种较广。而有些气肥煤的αmax虽然很大,但曲线陡而尖(Δt较小),表明其胶质体处于较大流动性时的时间较短,从而影响其相容性。
吉氏流动度指标能同时反映胶质体的数量和性质,具有突出的优点。流动度是研究煤的
流变性和热分解动力学的有效手段,可用于指导配煤和预测焦炭强度。但该方法的规范性特别强,重现性较差。搅拌器的尺寸、形状、加工精度和磨损情况、煤样制备和装煤方式等对测定结果有较大的影响。此外,该方法的适用范围较宽,通常仅适合于测定αmax≤2000°/min的非膨胀性煤,超出这个范围的煤不是测不准就是煤胶质体膨胀溢出,根本无法进行测定。采用了自动操作的吉氏塑性计,其测值的准确度有较大的提高。提高吉氏塑性计的加热速率,可测得快速加热下煤的塑性,对扩大炼焦用煤资源(尤其是高挥发分弱黏结性煤)和研究快速加热下新的煤转化过程有十分重要的意义。例如为热压成型制造型焦工艺选择较理想的操作参数。
三、煤的各种黏结性、结焦性指标间的关系 (一)黏结指数G与胶质层最大厚度Y之间的关系
黏结指数G和胶质层最大厚度Y值是我国煤分类的主要指标,因此了解它们的相互关系十分重要。由于黏结指数是测定煤辑结惰性物质的能力,而Y值是煤隔绝空气条件下等速升温时所产生的胶质体的厚度,因此两者之间将不可能具有很好的内在对应关系,不过总的趋势是Y值高的煤,其G指数也高,如图8-19所示。由图可见,Y值与G之间呈二次曲线的正比关系变化,即G<80时,C值随Y值的增大而增高,G>80后,Y值仍可急剧增加,而G值的增加变得不很明显。此外,10<G<75时,Y值的变化很小,一般在4~15 mm左右;Y值为零的煤,G从0~18均有。由此表明,区分弱黏结性煤时,C值比Y值灵敏度大。反之,在强黏结性煤阶段,G值变化较小,一般为95~105,而Y值的变化相对较大,多在25~50 mm,因此,目前我国煤炭分类中对肥煤和其他较强黏结性煤的区分仍以Y值为主要划分指标。
(二)黏结指数G与罗加指数R. I之间的关系
G指数是在R. I指数的基础上经过改进后用于表征煤黏结惰性物质(特定专用无烟煤)的能力的黏结性指标,测定原理一样,采用的专用无烟煤矿点和试验转鼓都相同,因此它们之间具有很好的正比关系。
(1) G>55的中等及强黏结煤
(2) 18<G≤55的中等偏弱烟煤
(3) G≤18的弱黏结煤
(三)胶质层最大厚度Y值与奥阿膨胀度b值之间的关系
奥阿膨胀度b值也是我国煤炭分类中采用的区分强带结煤的指标之一,由于其测定方法与Y值比较相似,即均不加惰性物质,同时均为等速加热升温,因此它们有较好的相关关系,
如图8-20所示。由图可见,b值随Y值的增大而增大,如Y值大于25 mm的煤,其b值均大于100%,其中大部分在140%以上;Y值大于30 mm的强黏结煤,b值就都达200%以上;Y值大于35 mm时,b值更高至250%以上;当Y值大于45 mm的特强黏结煤时,其b值可达780%左右。但若为高挥发分的气肥煤,虽其Y值达 50 mm以上,但因挥发分逸出太多则其b值反而降至300%左右。Y值小于20 mm的中强黏结煤,其b值均低于190%,当Y值小于10 mm时,b值多为负值。因此,b值不适合作弱黏结煤类的划分指标。
(四)胶质层最大厚度Y值与坩埚膨胀序数CSN之间的关系 坩埚膨胀序数CSN是国际煤分类指标之一,也是国际煤炭贸易中经常采用的指标,但由于CSN的区分范围小,不如Y值从0~55 mm左右的均有,因此Y值与CSN虽然成正比关系变化,即Y值随CSN的增大而增加,但其间的定量关系不很明显。尤其是坩埚膨胀序数CSN还受挥发分的影响,如瘦煤和气煤,它们的Y值均为10 mm左右,但由于气煤的挥发分高,在测定CSN时因挥发分的大量逸出而降低其测值,即气煤的黏结性与瘦煤相同时,其CSN值就会低于瘦煤。各种煤的Y值与CSN值的对应关系见表8-4。
褐煤和无烟煤的CSN残渣为粉状,故都为零。因此,总体来讲,煤的坩埚膨胀序数只能近似地表征煤的黏结性,但它的测定方法简单易行。
(五)胶质层最大厚度Y值与格金焦型之间的关系
格金焦型也是国际煤炭分类的指标之一,Y值与格金焦型之间的关系如图8-21所示,总趋势是格金焦型(以G-K表示)随Y值的增加而增大。它们的相互关系是当Y=0时,G-K一般为A~B型,个别的可为C型;Y>30 mm的强黏结煤,G-K则多在G8~G13型之间变化;Y=20~30 mm的较强黏结煤,G~K多在G3 ~G11型之间变化。但从图8-21中可以看出,相同G-K值的煤,其Y值可相差很大;同样,相同Y值的煤,其G-K值也可相差很大,尤其是Y<15 mm的煤,其G-K值相差幅度更大。显然,这是由于这两个指标的测定原理不一致所造成的。