吉氏流动度在煤炭焦化领域的应用

赵 奇1,2,3

(1.煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院，北京 100013;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013;3.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013)

摘 要：为了促进吉氏流动度指标在煤炭焦化领域的有效应用，介绍了当前国内外用于表征炼焦煤黏结性能的吉氏流动度指标测试方法、标准及主要设备应用情况;探讨了吉氏流动度指标在异常炼焦煤判别、对同类别炼焦煤黏结性精准识别、判别易氧化煤黏结性变化、对焦炭质量准确把握等煤炭焦化领域的应用;概述了最大流动度与镜质组平均最大反射率组合形成用于气化焦生产的αmax-R配煤方法。提出了煤炭焦化领域应充分认识吉氏流动度指标对炼焦煤黏结特性表征的独特优势并科学运用该指标指导炼焦煤的合理应用,指出我国应重视适合国内煤质特性及测定标准的吉氏流动度测定仪的研发与应用。

关键词：吉氏流动度;焦化;气化焦;恒定扭力矩;胶质体;焦炭质量

0 引 言

传统煤化工行业的煤炭焦化技术及产品主要服务于冶金领域，目前受到钢铁需求低、自身发展粗放等影响，焦化行业产能过剩，面临技术精细化升级与转型发展的挑战[1]。传统配煤方法已经难以满足焦化企业降成本、提质量、调结构、增效益的需求，亟需新一代的配煤炼焦技术[2]。国内焦化企业多以胶质层厚度、黏结指数、挥发分和煤岩组分来指导配煤炼焦，对吉氏流动度指标的应用较少，更没有建立基于吉氏流动度的系统性煤质研究方法与配煤理论[3]。吉氏流动度指标用于表征煤在热解过程中生成胶质体的流动性质，可以反映煤在干馏时形成胶质体的黏度，是研究煤流变性和热分解的有效手段，是煤的塑性指标之一;该指标可同时反映炼焦煤胶质体的数量、流动性和黏度等性质，对深入了解煤质性能、降低配煤成本、提高焦炭质量具有突破性作用和意义[4]。在日本、韩国及欧美等国家，吉氏流动度指标被普遍采用并成功应用于炼焦煤评价、精确配煤等大型焦化清洁生产。近年来随着国内炼焦煤资源的日益缺乏，我国已成为炼焦煤进口大国，但我国吉氏流动度测试设备尚存在国产化程度低、与国内主流炼焦用煤匹配度差等问题，因此完善适合我国焦化行业现状及炼焦用煤煤质特性的吉氏流动度测试设备及方法迫在眉睫。

1 吉氏流动度测定方法及设备

1.1 炼焦煤黏结性常用指标的局限性

长期以来，配煤炼焦领域主要应用黏结指数G、胶质层厚度Y及奥-阿膨胀度b等指标表征原料煤黏结性能。生产实践发现，这些常用指标用于表征炼焦煤黏结特性存在一定程度的局限性，见表1。

表1 炼焦煤黏结性常用指标的局限性
Table 1 Limitations of common indicators for coking coal bonding

吉氏流动度可同时反映炼焦煤解热过程中产生胶质体的数量和质量，对炼焦煤的黏结性能表征性强。

1.2 测定方法

吉氏流动度在国外作为配煤炼焦主要考察指标已久，日本、美国、加拿大、意大利和澳大利亚等相继制定了吉氏流动度指标测试方法[5]。除澳大利亚标准协会(SAA)发行的煤塑性测定标准包含恒力矩测定方法和变力矩测定方法，其他国家制定的标准多采用恒力矩吉氏塑性仪测定煤的流动度;各国关于吉氏流动度指标测试具体步骤和要求不同，结果可比性较差[6-9]。我国参照ISO国际标准制定了GB/T 25213—2010《煤的塑性测定 恒力矩吉氏塑性仪法》，由于目前国内煤炭检测机构及企业普遍采用美国、意大利等进口吉氏流动度测试设备，导致国内标准和设备之间的匹配性有待商榷。国内外代表性吉氏流动度测定标准使用情况见表2。

表2 吉氏流动度测定标准
Table 2 Standard for Gieseler fluidity determination

吉氏流动度测试过程中需先将煤样装入带有搅拌桨的坩埚中，坩埚在盐浴或金属浴中加热，随温度升高煤料发生软化致使搅拌桨规律运动，根据搅拌桨转动特性即可得出试验样品的吉氏流动度特征指标。吉氏流动度包括开始软化温度(T1)、最大流动度温度(T2)、固化温度(T3)、最大流动度(αmax)及胶质体温度间隔(Δt)5个特征指标[10]。

1.3 测试设备

吉氏流动度指标主要依靠吉氏流动度测定仪测定，美国、日本和意大利等国都经历了几代产品的升级研制，现均采取双炉转换电加热炉，检测效率高，且这些国家的吉氏流动度产品生产制造技术日臻成熟。我国吉氏流动度测试设备整体上处于技术研发阶段，国产设备与进口仪器在精密度和结果准确性等方面尚存在差距，个别产品投入市场运行效果不理想。目前国内焦化企业及科研机构普遍采用进口吉氏流动度测试设备，但引进及维修费用高。

从测定原理分析，吉氏流动度测试设备的核心在于保证扭力矩恒定，国外进口设备普遍采用永磁铁产生恒定扭力矩，但随着时间的推移，永磁铁的磁场强度会发生衰减，影响测试精度[11]。因此吉氏流动度测定设备的开发必须突破恒扭力矩这一技术瓶颈，才能实现精准测量，同时根据标准对设备部件进行规范，制造符合标准的设备。

1.4 JS型吉氏流动度测定仪

我国亟需测定方法与国内煤种相适应、测试设备与国家标准相匹配、测定精度与国外设备相媲美、价格与国内市场相适应的高端现代化国产吉氏流动度测定仪，这将有利于快速推进吉氏流动度指标在我国煤炭焦化领域的应用，为构建基于吉氏流动度的相关配煤理论与方法奠定基础，从而促进焦化产业结构调整和行业健康发展。自2010年起，煤炭科学技术研究院有限公司(简称煤科院)自主创新，开发出了具有自主知识产权的吉氏流动度测试设备。

与现有吉氏流动度测定仪相比，煤科院开发的吉氏流动度测定仪在恒定扭力矩自整定系统、煤甄传动搅拌系统等方面实现突破[12]。其自主研发的吉氏流动度测定仪测得的特征温度和最大流动度重复性好，准确度与精密度均符合国家标准要求。JS型吉氏流动度测定仪主要技术指标见表3。

2 吉氏流动度在煤炭焦化领域的应用

2.1 异常炼焦煤判别

某些炼焦煤从常用指标判断为优质炼焦煤，但其实际参与配煤炼焦时却起不到优质炼焦煤的作用，制得焦炭热态性能较差，这就是异常炼焦煤。引起炼焦煤异常的主要原因之一是其受热后胶质体流动性很差，不能充分黏结周边惰性组分，导致焦炭质量低下。

表3 JS型吉氏流动度测定仪主要技术指标
Table 3 Main technical index of JS type Gieseler fluidity measuring instrument

国内某焦煤与进口焦煤常规指标及吉氏流动度指标分析对比情况见表4。2种焦煤的挥发分、黏结指数、胶质层厚度等指标接近，但吉氏流动度分析发现进口焦煤最大流动度较国内某焦煤低、热流变性差，不能起到优质焦煤的作用[13-14]。

表4 进口焦煤与国内焦煤指标对比
Table 4 Comparison of imported coking coal and domestic coking coal

2.2 同种炼焦煤黏结性的区分

吉氏流动度对同型号炼焦煤(尤其是变质程度较低炼焦煤)的黏结特性差异具有很好的识别能力。如图1所示，依据煤炭分类标准同属于1/3焦煤(1/3JM)或气煤(QM)的不同产地炼焦煤，其最大流动度存在较大差异，致使其在炼焦过程中表现出不同的黏结作用。吉氏流动度指标在炼焦煤黏结性识别方面的优异性能为配煤炼焦生产合理选择煤种、优化配煤结构及准确把握产品质量起到指导作用[16-18]。

2.3 易氧化煤黏结性的判别

炼焦煤经长时间堆放后发生氧化，导致其黏结性降低。有些炼焦煤经氧化后G、Y等黏结性指标变化不明显，但吉氏流动度指标对氧化的反映较为灵敏，可及时反映炼焦煤受到氧化作用后黏结性的变化，从而正确指导煤源采购、配煤炼焦及生产实践[15]。某代表性肥煤经不同程度氧化后G、Y及αmax的变化情况见表5。

2.4 焦炭质量的把控

由于吉氏流动度指标既能够反映胶质体的数量又能够体现胶质体的性质，故该指标与焦炭质量具有较高关联性。炼焦煤的最大流动度越高，胶质体流动性越好，可以在煤粒之间充分流动、黏结固体颗粒，获得较高质量焦炭。炼焦过程不能出现某一煤种开始固化，而其他原料尚未软化熔融的状况，否则两部分不但不会形成良好的界面反应，还会互为瘦化剂降低焦炭质量。所以应根据不同煤种吉氏流动度测试的软化和固化温度，选择合适比例，配煤后形成彼此衔接并相互重合的塑性温度范围，以保证配煤塑性状态的连续性。炼焦时将吉氏流动度同煤岩反射率、胶质层指数、奥-阿膨胀度等指标相结合，将进一步发挥吉氏流动度在炼焦配煤中的作用，并在一定程度上弥补其他煤质指标的片面性[19-20]。

表5 某肥煤经不同时间堆放后黏结性指标变化情况
Table 5 Changes of adhesion index of fertilizer after different stacking time

2.5 气化焦生产中的应用

为摆脱经营困难局面，焦化企业积极寻求转型升级路径，由传统高质量冶金焦为主要产品向气化焦生产方向转型。由于气化焦与冶金焦在原料煤配比方面存在差异，故气化焦生产需要新型配煤方法。煤科院研究发现，吉氏流动度对较高比例低变质程度炼焦煤参与的气化焦生产具有科学合理指导作用，成功研发了用于气化焦生产的吉氏流动度-反射率(αmax-R)配煤方法。焦化企业可根据自身煤源特点，利用吉式流动度、煤岩分析，结合实验室小焦炉试验结果合理选择气化焦生产αmax及R范围，建立适宜企业的αmax-R配煤图谱，这将有效指导企业节煤增效。

3 结 语

1)吉氏流动度在异常炼焦煤判断、低变质程度炼焦煤黏结性差异化识别、易氧化煤黏结性变化、焦炭质量控制等方面可起到良好的指导作用，科学指导炼焦煤的合理应用。

2)最大流动度与镜质组平均最大反射率组合将形成用于气化焦生产的αmax-R配煤方法，气化焦生产企业可根据自身用煤特点绘制本厂αmax-R配煤图谱，实现经济效益最大化。

3)吉氏流动度指标在煤炭焦化领域的应用可为焦化行业提质增效、转型升级起到促进作用。

参考文献(References):

[1] 郑文华,温燕明,郑波.新常态下中国炼焦化学行业运行及发展趋势[J].钢铁,2016,51(5):1-8.

ZHENG Wenhua,WEN Yanming,ZHENG Bo.Operation and development trend of coking industry in China in new normal[J].Iron and Steel,2016,51(5):1-8.

[2] 郑波,温燕明,郑文华.新常态下我国焦化行业发展趋势辨析[J].燃料与化工,2015,46(1):1-10.

ZHENG Bo,WEN Yanming,ZHENG Wenhua.Trend analysis of coking industry in China under the new narmal[J].Fuel amp; Chemical Processes,2015,46(1):1-10.

[3] 张文成,王春华.基氏流动度指标特征分析[J].煤化工,2012,40(3):26-28.

ZHANG Wencheng,WANG Chunhua.Analysis on Gieseler fluidity of coals[J].Coal Chemistry Industry,2012,40(3):26-28.

[4] 张双全.煤化学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2004.

[5] 孙会青,齐炜,胡进.煤的基氏流动度测定标准及测定仪研究[J].洁净煤技术,2011,17(6):73-76.

SUN Huiqing,QI Wei,HU Jin.Study on Gieseler plastometer and determination standards of Gieseler fluidity[J].Clean Coal Technology,2011,17(6):73-76.

[6] AS1038.12.4.1—1996,Coal and coke-analysis and testing part12.4.1:Higher rank coal-caking and coking properties-plasticity-continuous torque Gieseler method[S].

[7] ASTM D2639—1998/2004/2008,Standard test method for plastic properties of coal by the constant-torque Gieseler plastometer[S].

[8] GB/T 25213—2010,煤的塑性测定 恒力矩吉氏塑性仪法[S].

[9] ISO 10329—2009,Coal-determination of plastic properties constant-torque Gieseler plastometer method[S].

[10] 付建华,张振国,薛立民.几种煤的基氏流动度浅析[J].燃料与化工,2008,39(3):23-25.

FU Jianhua,ZHANG Zhenguo,XUE Limin.Brief analysis on Gieseler fluidity of some coals[J].Fuel amp; Chemical Processes,2008,39(3):23-25.

[11] 齐炜,孙会青,裴贤丰,等.影响基氏流动度测定结果的相关因素探讨[J].煤质技术,2013(2):33-36.

QI Wei,SUN Huiqing,PEI Xianfeng,et al.Discussion on the factors influencing the determination of Gieseler fluidity[J].Coal Quality Technology,2013(2):33-36.

[12] 齐炜.MJS-1双炉型炼焦煤基氏流动度试验机研制[J].煤炭科学技术,2014,42(7):111-115.

QI Wei.Development and application on MJS-1 coking Giesler fluidity testing machine with double furnace[J].Coal Science and Technology,2014,42(7):111-115.

[13] 宋子逵,项茹,薛改凤,等.利用基氏流动度指标评价焦煤质量的研究[J].武钢技术,2013,51(5):9-11.

SONG Zikui,XIANG Ru,XUE Gaifeng,et al.Study on using Gieseler fluidity index to evaluate the coking coal quality[J].Wisco Technology,2013,51(5):9-11.

[14] 刘克辉,梁开慧,李仲文.炼焦煤基氏流动度指标在韶钢的应用[J].燃料与化工,2012,43(5):10-13.

LIU Kehui,LIANG Kaihui,LI Zhongwen.Application of coking force index of coking coal in Shaogang[J].Fuel amp; Chemical Processes,2012,43(5):10-13.

[15] 张雪红,陈鹏,冯柏华,等.长时间存放对不同变质程度肥煤结焦行为的影响[J].辽宁科技大学学报,2016,39(2):109-112.

ZHANG Xuehong,CHEN Peng,FENG Baihua,et al.Affection of fat coal with different rank after long storage time on coking action[J].Journal of University of Science and Technology Liaoning,2016,39(2):109-112.

[16] 任玉明,薛改凤,鲍俊芳,等.炼焦煤基氏流动度及相关性的研究[J].武钢技术,2012,50(3):38-40.

REN Yuming,XUE Gaifeng,BAO Junfang,et al.Study on Gieseler fluidity of coking coal and correlation[J].Wisco Technology,2012,50(3):38-40.

[17] 项茹,李超,宋子逵,等.气煤和1/3焦煤煤质评价及配用探讨[J].武钢技术,2016,54(4):1-3.

XIANG Ru,LI Chao,SONG Zikui,et al.Research on property evaluation and blending of gas coal and 1/3 coking coal[J].Wisco Technology,2016,54(4):1-3.

[18] 宋子逵,项茹,张雪红.山东地区1/3焦煤和气煤参与炼焦配煤研究[J].山东化工,2016(7):22-24.

SONG Zikui,XIANG Ru,ZHANG Xuehong.Research on 1/3 coking coal and gas coal from Shandong province in coal blending for coking[J].Shandong Chemical Industry,2016(7):22-24.

[19] 吕青青,杜屏,周俊兰.基氏流动度特征指标分析及指导配煤炼焦研究[J].煤质技术,2014(3):1-5.

LYU Qingqing,DU Ping,ZHOU Junlan.The Gieseler fluidity characteristics index analysis and how it directed coal-blending coking research[J].Coal Quality Technology,2014(3):1-5.

[20] 鲍俊芳,盛军波,宋子逵,等.中等变质程度炼焦煤的结焦性影响因素探讨[J].武汉科技大学学报,2014,37(5):350-354.

BAO Junfang,SHENG Junbo,SONG Zikui,et al.Factors influencing coking property of coking coals with medium metamorphic grade[J].Journal of Wuhan University of Science and Technology,2014,37(5):350-354.

Application of Gieseler fluidity on coal coking field

ZHAO Qi1,2,3

(1.Coal Chemistry Branch of China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.State Key Laboratory of High Efficient Mining and Clean Utilization of Coal Resources,Beijing 100013,China;3.National Energy Technology amp;Equipment Laboratory of Coal Utilization and Emission Control,Beijing 100013,China)

Abstract:In order to promote the effective using of Gieseler fluidity in coal coking field,the test method,standard and main equipment application of Gieseler were briefly introduced.Discussions concerning the use of Gieseler fluidity in coal coking field,such as distinguishing of abnormal coking coal,identifying the change of bondability of easily oxidized coal,accurate recognition of coking coal's caking property,controlling the quality of coke and coal blending method of gasification coke were systematically summarized.αmax-R coal blending method in gasification coke production was discussed.This paper also put forward the coal coking field should use the advantage of Gieseler and guide the rational utilization of coking coal.The equipment that suit for coal properties and test standard should be paid more attentions.

Key words:Gieseler;coking;gasification coke;constant torque;plastic mass;coke quality

中图分类号：TQ520.62

文献标志码：A

文章编号：1006-6772(2017)06-0060-05

收稿日期：2017-07-13;责任编辑李柏熹

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2017.06.012

基金项目：国家自然科学基金资助项目(21406105)

作者简介：赵 奇(1977—)，男，河北保定人，副研究员，从事炼焦化学工业的研究。E-mail:826911314@qq.com

引用格式：赵奇.吉氏流动度在煤炭焦化领域的应用[J].洁净煤技术，2017，23(6)：60-64.

ZHAO Qi.Application of Gieseler fluidity on coal coking field[J].Clean Coal Technology，2017，23(6)：60-64.