姜 衛(wèi) 民

(汾渭數(shù)字信息技術(shù)有限公司，山西 太原 030001)

0 引 言

隨著焦化工業(yè)在中國的大規(guī)模發(fā)展，焦炭熱強(qiáng)度受到越來越多的關(guān)注，保證該指標(biāo)的持續(xù)穩(wěn)定已成為煉焦配煤技術(shù)工作的重中之重。盡管對于焦炭熱強(qiáng)度的測試方法是否能真正模擬焦炭在高爐內(nèi)的行為仍存爭議，但現(xiàn)行的焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度(CSR)畢竟是焦炭市場交易中重要的定價依據(jù)，即使在鋼鐵企業(yè)的配套焦化廠，熱強(qiáng)度也是制鐵環(huán)節(jié)最為看重的指標(biāo)之一。在中國山西焦煤在線的競拍平臺上，高熱強(qiáng)度的焦煤總是被迅速搶拍售罄，國際市場上同樣如此，即市場青睞高CSR的焦煤[1]。

焦炭熱強(qiáng)度能夠通過數(shù)學(xué)方法回歸分析建立模型并進(jìn)行預(yù)測。由于焦化條件相對固定，因而對于焦炭質(zhì)量的預(yù)測一般選擇煤質(zhì)參數(shù)作為相關(guān)變量，以此為基礎(chǔ)建立模型。ANDRIOPLOUS對于2015年以前的部分熱強(qiáng)度預(yù)測方法進(jìn)行匯總[2]，主要包括新日鐵(NSC)焦炭反應(yīng)性K模型、神戶鋼鐵(KOBE)反應(yīng)后強(qiáng)度指數(shù)(RSI)模型、南非鋼鐵協(xié)會(ISCOR)反應(yīng)后強(qiáng)度模型、美國內(nèi)陸鋼鐵(Inland Steel)催化指數(shù)(CI)模型、中國寶鋼(Baosteel)模型、加拿大PRICE模型、必和必拓(BHP)澳大利亞模型和Global Coal(2015)模型。該8個預(yù)測模型具有很好的代表性，基本上反映了自焦炭CSR及CRI聯(lián)合測試方法問世以來配煤理念及方法的不斷調(diào)整和變化，主要體現(xiàn)在不同模型對煤質(zhì)參數(shù)的不同選擇，比如煤中礦物組分或灰成分指標(biāo)的變化和發(fā)展、對煤巖組分指標(biāo)的取舍以及熱塑性指標(biāo)的不同選擇等方面。

新日鐵(NSC)最早提出并定義煤中灰成分對焦炭熱強(qiáng)度的影響，此后不同的預(yù)測模型使用不同的灰成分指數(shù)。如加拿大PRICE對不同的灰成分指數(shù)進(jìn)行修正，形成修正后的堿度指數(shù)(MBI)；楊俊和進(jìn)行進(jìn)一步的研究和完善，提出礦物催化指數(shù)(MCI)[3]，由此定義了煤中灰成分對焦炭溶損反應(yīng)的正、負(fù)催化作用，且以權(quán)重的方式區(qū)分不同灰成分對焦炭熱強(qiáng)度的影響程度。MCI指標(biāo)為其后煤焦技術(shù)工作者量化使用灰成分進(jìn)行焦炭熱強(qiáng)度預(yù)測時提供極大便利。

煤巖組分用于焦炭熱強(qiáng)度預(yù)測，比較成熟的方法始自新日鐵(NSC)的焦炭反應(yīng)活性K指數(shù)模型，NCS參考夏皮羅的方法并建立惰性組分含量模型，利用鏡質(zhì)體反射率、惰性組分含量和堿度指數(shù)建立了焦炭與CO2的反應(yīng)活性指數(shù)K模型。此后惰性組分含量參數(shù)被不同的模型使用或調(diào)整使用，如寶鋼模型在此基礎(chǔ)上增加無機(jī)組分含量以形成惰性組分總含量指標(biāo),印度塔塔鋼鐵公司的模型使用鏡質(zhì)體反射率為0.9%～1.3%的含量指標(biāo)[4]。

熱塑性指標(biāo)是預(yù)測模型中的重要參數(shù)，在上述預(yù)測模型中吉氏流動度相關(guān)指標(biāo)使用較多，奧亞膨脹度及CSN均有涉及，然而并不意味著黏結(jié)指數(shù)G值及Y值在評價煉焦煤熱塑性方面處于劣勢，黏結(jié)指數(shù)G值的出現(xiàn)以及中國對于焦炭熱強(qiáng)度的研究相對較晚，近些年中國使用黏結(jié)指數(shù)G值及Y值進(jìn)行熱強(qiáng)度預(yù)測模型研究的案例亦有很多，尤其中國為焦化大國，許多大型鋼企在21世紀(jì)以后均對焦炭熱性質(zhì)預(yù)測模型進(jìn)行研究，比如謝海深利用配合煤黏結(jié)指數(shù)G值、Vdaf及Rmax參數(shù)預(yù)測焦炭熱強(qiáng)度[5]；胡德生利用配合煤揮發(fā)分(Vd)、黏結(jié)指數(shù)G值、流動度對數(shù)值(lg MF)、鏡質(zhì)組黏結(jié)指數(shù)(VCI)、惰性組分總含量(TI)5個參數(shù)預(yù)測焦炭熱強(qiáng)度[6]；任學(xué)延等利用單種煤Y值、灰分(Ad)、奧亞b值、黏結(jié)指數(shù)G值5個參數(shù)預(yù)測焦炭熱強(qiáng)度[7]。

煉焦煤熱塑性表征指標(biāo)眾多且均從不同角度對膠質(zhì)體數(shù)量和性質(zhì)進(jìn)行表達(dá)，很難用同一指標(biāo)去量化和準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)煉焦煤最終的結(jié)焦能力，以至于有些學(xué)者試圖從其他角度間接表達(dá)，比如楊俊和[3]認(rèn)為變質(zhì)程度是決定煤及煤轉(zhuǎn)化的獨(dú)立變量，而煉焦煤工藝性能(如黏結(jié)性)受控于變質(zhì)程度，所以建立焦炭反應(yīng)性預(yù)測模型時并未使用熱塑性指標(biāo)，而僅使用了Vd和MCI；夏皮羅的CBI-SI焦炭冷強(qiáng)度預(yù)測方法其實(shí)亦是試圖通過整合計(jì)算的煤巖參數(shù)CBI和SI來涵蓋表征煤的熱塑性。但在實(shí)際焦化生產(chǎn)中，熱塑性指標(biāo)是表征煤在塑性期間性質(zhì)以及關(guān)聯(lián)結(jié)焦能力的最直觀指標(biāo)，近年來煤焦化技術(shù)工作者越來越意識到煤的熱塑性在焦炭熱強(qiáng)度預(yù)測中的重要性并不斷進(jìn)行擴(kuò)展研究，期望通過多指標(biāo)的整合表達(dá)或研發(fā)新的實(shí)驗(yàn)檢測方法來準(zhǔn)確表征熱塑性，以保證焦炭熱強(qiáng)度預(yù)測模型的準(zhǔn)確性以及對實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)能力。

以下從焦炭熱強(qiáng)度預(yù)測模型參數(shù)的選擇、不同熱塑性指標(biāo)表達(dá)膠質(zhì)體性質(zhì)的比較、熱塑性指標(biāo)的整合及創(chuàng)新表達(dá)3個部分對此進(jìn)行闡述探討。

1 焦炭熱強(qiáng)度預(yù)測模型參數(shù)的選擇

目前大多數(shù)對于焦炭熱性質(zhì)的計(jì)算預(yù)測均基于膠質(zhì)體塑性成焦和煤巖活惰組分界面結(jié)合成焦2種機(jī)理來選擇參數(shù)或變量，然后通過多元回歸分析建立預(yù)測模型。在上述國內(nèi)外熱強(qiáng)度預(yù)測模型中，將煤質(zhì)參數(shù)歸納為以下四大類:① 煤階:Vdaf或反射率；② 熱塑性:MF、lg MF、塑性溫度區(qū)間、a+b、CSN、G、Y值等；③ 煤巖組分:活性組分總量、惰性組分總量、鏡質(zhì)組含量等；④ 灰成分指數(shù):灰成分堿度指數(shù)(Bash)、BI、MBI、AI、MCI等。

從膠質(zhì)體塑性成焦機(jī)理的角度，選擇影響焦炭熱性質(zhì)的參數(shù)或變量一般為煤階、熱塑性、煤灰成分3個參數(shù)，預(yù)測模型建立的難點(diǎn)在于熱塑性指標(biāo)的選擇和表達(dá)。

從煤巖學(xué)角度選擇影響焦炭熱性質(zhì)的參數(shù)或變量，主要包括煤階、煤巖組分、還原程度該3個成因因素。其中煤階主要指反射率及其分布，煤巖組分指活性組分總量或惰性組分總量或活惰比，還原程度主要與成煤環(huán)境與變質(zhì)經(jīng)歷有關(guān)。模型建立存在難點(diǎn)，即若將煤的還原程度作為獨(dú)立變量，此為1個比煤的熱塑性更為復(fù)雜、更難以選擇和表達(dá)的參數(shù)。成煤環(huán)境、煤型和煤質(zhì)之間可構(gòu)成1個概略的成因模型，見表1[8]。

表1 環(huán)境-煤型-煤質(zhì)的概略成因模型[8]Table 1 Approximate genetic model of environment-coal type-coal quality[8]

據(jù)表1，煤的還原程度強(qiáng)弱通過煤灰成分與黏結(jié)性的強(qiáng)弱來區(qū)分。周師庸曾致力于探求合適的代表還原程度指標(biāo)，如容惰能力及熒光性質(zhì)，但在后期亦認(rèn)為可用煤灰成分及黏結(jié)性來區(qū)分還原程度，即煤巖顯微組分組成、鏡質(zhì)體反射率及其分布、熒光強(qiáng)度或黏結(jié)性、MBI或MCI此四類指標(biāo)在煉焦制度固定下可決定煉焦所得焦炭質(zhì)量的優(yōu)劣[9]。

煤焦學(xué)者和技術(shù)工作者逐步將理論研究上復(fù)雜的還原程度指標(biāo)拉回到煉焦應(yīng)用的操作層面，選擇更易分解和量化的指標(biāo)來表達(dá)，即除了煤巖顯微組分指標(biāo)，在煤巖學(xué)和煤化學(xué)成焦機(jī)理在煤階、熱塑性、煤灰成分3個指標(biāo)的選擇上已逐步趨同一致。

由對活性組分或惰性組分總量此煤巖組分指標(biāo)的歷史應(yīng)用回顧可知:煤巖學(xué)的發(fā)展給預(yù)測焦炭質(zhì)量提供全新的思路，特別是夏皮羅等在阿莫索夫的工作基礎(chǔ)上以CBI和SI為參數(shù)并利用美國鋼鐵公司設(shè)計(jì)的焦炭預(yù)測模型，對阿巴拉契亞半絲質(zhì)體煤和混合煤獲得完全滿意的結(jié)果[10]。此案例的成功使此后在進(jìn)行焦炭質(zhì)量預(yù)測模型的設(shè)計(jì)時，煤巖組分含量指標(biāo)幾乎成為必選參數(shù)。但此種方法也存在局限性，夏皮羅強(qiáng)度指數(shù)(SI)如圖1所示[11]。 以圖1為例，圖中高低不等的曲線代表著反射率從0.3%～2.1%不同變質(zhì)程度鏡質(zhì)體在不同惰性組分含量下所能達(dá)到的冷強(qiáng)度指數(shù)值，若不同變質(zhì)程度鏡質(zhì)體具有不同的質(zhì)量是此方法的理論基礎(chǔ)，則等變質(zhì)程度鏡質(zhì)體具有不同的質(zhì)量就是該種配煤方法不可逾越的障礙。所以葉道敏提出“標(biāo)準(zhǔn)活性組分”概念，用以區(qū)分等變質(zhì)程度鏡質(zhì)體的質(zhì)量差異[12]；劉運(yùn)良提出增加容惰指數(shù)(Ihi)和活性成分配合程度參數(shù)(Dm)指標(biāo)，用以表征活性成分的質(zhì)量以及配伍程度[13]；白向飛則認(rèn)為最佳惰性組分實(shí)際上并不存在，即不同煤種中最佳的活惰比不一致[14]。若不能對活性組分的質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確表達(dá)，則惰性組分總量參數(shù)的選擇其實(shí)并無多大意義。

圖1 夏皮羅強(qiáng)度指數(shù)(SI)[11]Fig.1 SHAPIRO’s strength index SI graph[11]

煤灰成分與煤階2個指標(biāo)易量化，無論選擇反射率、揮發(fā)分表達(dá)煤階，還是選擇堿度指數(shù)、催化指數(shù)或其他灰成分指數(shù)表達(dá)煤灰成分，盡管不同的參數(shù)選擇略有差異或優(yōu)劣有別，但不同煤種之間在此兩類性質(zhì)方面的差異性均易區(qū)分且無爭議。

熱塑性指標(biāo)目前已成為預(yù)測模型準(zhǔn)確率的關(guān)鍵參數(shù)。從塑性成焦理論的角度，熱塑性指標(biāo)旨在表達(dá)氣、固、液三相共存的膠質(zhì)體混合物的性質(zhì)；從活惰組分界面結(jié)合成焦的角度，熱塑性指標(biāo)旨在表達(dá)活性可溶物的質(zhì)量。

2 不同測試方法對煉焦煤熱塑性表達(dá)比較

2.1 試驗(yàn)設(shè)定

選擇呂梁焦煤與延安氣煤該2種常見的煉焦煤，對于如何選擇和表征熱塑性參數(shù)進(jìn)行分析，其煤質(zhì)數(shù)據(jù)詳見表2。其中采用的檢測標(biāo)準(zhǔn)如下:黏結(jié)指數(shù)采用 GB/T 5447—2014，膠質(zhì)層指數(shù)采用 GB/T 479—2016，奧亞膨脹度采用 GB/T 5450—2014,吉氏流動度采用 MT/T 1015—2006。40 kg焦?fàn)t實(shí)驗(yàn)的主要參數(shù)如下:堆密度、水分、結(jié)焦時間分別為0.75 g/cm3、10%、15.5 h。

表2 呂梁焦煤與延安氣煤的煤質(zhì)數(shù)據(jù)Table 2 Coal quality data of Lvliang coal and Yan’an coal

2.2 黏結(jié)指數(shù)表達(dá)膠質(zhì)體數(shù)量分析

G值是直接用炭化結(jié)果的耐磨強(qiáng)度來表征膠質(zhì)體數(shù)量和性質(zhì)，故對煤的結(jié)焦性能有很好的表征能力。但G值不能直接表達(dá)膠質(zhì)體的數(shù)量，對膠質(zhì)體性質(zhì)的表達(dá)也存在不足，即其主要表達(dá)0.2 mm粒度煤粒與惰性物質(zhì)的黏結(jié)能力。此黏結(jié)能力限于特定轉(zhuǎn)鼓破壞能力之下，抗轉(zhuǎn)鼓破壞的強(qiáng)弱能力或轉(zhuǎn)鼓破壞力之上的黏結(jié)質(zhì)量尚需進(jìn)一步區(qū)分。

鮑俊芳等[15]經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論,對新汶氣肥煤、冷泉肥煤、平頂山八礦焦煤3種煤添加永城無煙煤作為外加惰性物，無煙煤粒度在0.4 mm以下時，新汶氣肥煤、冷泉肥煤的黏結(jié)指數(shù)大于八礦焦煤；無煙煤粒度超過0.4 mm時，焦煤的黏結(jié)能力超過氣肥煤和肥煤；當(dāng)無煙煤粒度從0.2 mm達(dá)到3 mm時，氣肥煤的G值從78.63降至17.72。究其原因，惰性粒子變大后，3種煤的膠質(zhì)體液相物質(zhì)均無法填滿煤粒孔隙而只能部分黏接，但由于黏接能力的強(qiáng)弱不同，焦煤的膠質(zhì)體數(shù)量或許不如氣肥煤和肥煤豐富但較為黏稠，即焦煤膠質(zhì)體的黏接能力強(qiáng)，即使只部分黏接也足以抵抗轉(zhuǎn)鼓的破壞。而肥煤和氣肥煤則因?yàn)轲そ幽芰η啡?，在進(jìn)行轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)時大顆粒惰性物邊緣的膠質(zhì)體顆粒會落在篩下，造成黏結(jié)指數(shù)大幅降低。據(jù)此可知，2個煤種的G值雖均為82，但膠質(zhì)體數(shù)量和性質(zhì)的差異并未準(zhǔn)確區(qū)分，從而無法對最終的結(jié)焦能力進(jìn)行區(qū)分。

2.3 膠質(zhì)層指數(shù)表達(dá)膠質(zhì)體數(shù)量分析

膠質(zhì)層指數(shù)測試方法提供的信息很多，如Y值能表達(dá)膠質(zhì)體液相物質(zhì)的數(shù)量但不能表達(dá)質(zhì)量，而X值能夠在一定程度上表達(dá)結(jié)焦能力。膠質(zhì)體體積曲線表現(xiàn)氣體析出膠質(zhì)體的狀況，從而間接表達(dá)膠質(zhì)體的質(zhì)量信息，由此可判斷膠質(zhì)體質(zhì)量和結(jié)焦能力，但體積曲線同時要結(jié)合收縮以及焦塊進(jìn)行判斷，特別針對一些變質(zhì)程度較高、膠質(zhì)體并不豐富但結(jié)焦能力良好的焦煤，其曲線波形很小或幾乎沒有波形，無法利用參考曲線對其進(jìn)行區(qū)分。

呂梁焦煤、延安氣煤的膠質(zhì)體體積曲線及焦塊如圖2所示。由圖2可見，呂梁焦煤和延安氣煤的膠質(zhì)體體積曲線均有較弱的波形，呂梁焦煤的劇烈分解大致在50 min(400 ℃)左右開始，波動停止在140 ～150 min(670～700 ℃);延安氣煤則在30 min(340 ℃)左右就開始軟化，波動終止大致在120～130 min(610～640 ℃)。呂梁焦煤收縮適中,焦塊熔融、致密、堅(jiān)實(shí)、無海綿體、呈暗色、無裂隙。延安氣煤收縮大，焦塊熔融、銀灰色，縱裂紋超過9條，斷面氣孔率大。

圖2 呂梁焦煤、延安氣煤膠質(zhì)體體積曲線及焦塊Fig.2 Volume curve and coke diagram of Luliang coal and Yan’an coal

呂梁焦煤、延安氣煤的Y值接近，說明其膠質(zhì)體的非揮發(fā)液相物質(zhì)數(shù)量在塑性狀態(tài)持續(xù)過程中大致接近，但從X值和膠質(zhì)體體積曲線的比較及焦塊技術(shù)特征分析可知，呂梁焦煤的結(jié)焦性能顯然更好，使用X值、膠質(zhì)體體積曲線、焦塊技術(shù)特征對膠質(zhì)體性質(zhì)進(jìn)行綜合表達(dá)是個后續(xù)值得繼續(xù)研究的問題。

2.4 奧亞膨脹度表達(dá)膠質(zhì)體數(shù)量分析

奧亞膨脹度指均相緩慢加熱條件下膠質(zhì)體內(nèi)氣體的逸出速度以及膠質(zhì)體的不透氣性。固軟溫度區(qū)間(ΔT)表征的是膠質(zhì)體的持續(xù)時間，所以采用ΔT大致可代表膠質(zhì)體的數(shù)量，b值或a+b能夠表達(dá)膠質(zhì)體的性質(zhì)，據(jù)此對2種煤的膠質(zhì)體數(shù)量和性質(zhì)進(jìn)行比較:延安氣煤的ΔT為77 ℃，呂梁焦煤的ΔT為50 ℃。兩者的b值和a+b基本相同，是否可據(jù)此認(rèn)為延安氣煤的膠質(zhì)體數(shù)量更多或兩者的膠質(zhì)體性質(zhì)接近則有待探究。但此與2種煤表現(xiàn)出的最終結(jié)焦能力并不符合，由于塑性發(fā)展的溫度范圍和脫揮發(fā)分的溫度范圍重疊，奧亞測值受揮發(fā)分的影響很大，或奧亞測試方法本身就是依靠氣體析出而獲得測值，由此導(dǎo)致低揮發(fā)分焦煤的氣體析出量少而膨脹低，因而采用奧亞膨脹度不能準(zhǔn)確表征膠質(zhì)體質(zhì)量。

兩者CSN數(shù)據(jù)的比較是很好的佐證，呂梁焦煤、延安氣煤的CSN分別為7.5、5.0。從實(shí)驗(yàn)方法剖析，CSN與奧亞膨脹度相比則是均相快速加熱，加熱速度的加快不僅提高低揮發(fā)焦煤的塑性，且致使揮發(fā)物質(zhì)快速逸出，從而提高對于膠質(zhì)體不透氣性的區(qū)分能力，針對結(jié)焦性更佳的呂梁焦煤其CSN明顯提高。所以，使用b或a+b表達(dá)和區(qū)分膠質(zhì)體性質(zhì)同樣存在不足。

2.5 吉氏流動度表達(dá)膠質(zhì)體數(shù)量分析

剖析吉氏流動度數(shù)據(jù)，延安氣煤的最大流動度為815 ddpm，軟化固化溫度為397～462 ℃，塑性區(qū)間65 ℃；呂梁焦煤最大流動度100 ddpm,軟化固化溫度為447～505 ℃，塑性區(qū)間58 ℃。對于流動性和熱穩(wěn)定性的表觀指標(biāo)，延安氣煤均優(yōu)于呂梁焦煤。

以上結(jié)論與呂梁焦煤、延安氣煤 2 種煤所表現(xiàn)的結(jié)焦性能與焦炭冷熱強(qiáng)度不相符，原因在于:

(1) 流動性未必能準(zhǔn)確表征膠質(zhì)體性質(zhì)。最大流動度是瞬間數(shù)值不能代表整個塑性期間的膠質(zhì)體性質(zhì)，流動性好的膠質(zhì)體具有良好的鋪展性，在氣體膨脹的推動下可更快地填充煤粒的間隙，但流動性好的另一信息可能是黏稠度不夠即透氣性強(qiáng)。法國煤化學(xué)科學(xué)家洛杰· 路瓦松有2個觀點(diǎn)值得注意[16]:① 可塑性(流動性)過高會促使氣體從膠質(zhì)體排出，降低煤料的膨脹性；② 從塑性(流動性)達(dá)到足以使煤顆粒與惰性顆粒間很好黏結(jié)的最大值之后，剩余塑性(流動性)對于焦炭的形成并無任何好處。由此可知，流動性好并不代表其具有更高的結(jié)焦能力。

(2) 固軟溫度區(qū)間表達(dá)膠質(zhì)體數(shù)量也存在局限性。溫度間隔大則說明膠質(zhì)體黏結(jié)煤粒的時間長，有利于煤的黏結(jié)[17]。但單純用溫度間隔表示膠質(zhì)體的熱穩(wěn)定性可能并不可靠，如焦煤的溫度間隔比氣煤小，但其膠質(zhì)體的黏結(jié)性和結(jié)焦性顯然高于氣煤。就化學(xué)反應(yīng)而言，溫度越高則反應(yīng)速度越快，但反應(yīng)速度的提高與溫度不成正比，通常呈幾何級數(shù)的關(guān)系，煤受熱軟化熔融期間的反應(yīng)也不例外。高溫下的較短時間間隔，其表達(dá)的熱穩(wěn)定性可能優(yōu)于較低溫度下的較大溫度間隔。

由以上可見，采用最大流動度表征膠質(zhì)體性質(zhì)或用塑性溫度區(qū)間表征膠質(zhì)體數(shù)量都存在局限性。總之，目前任何1種現(xiàn)有熱塑性測試方法測值的單獨(dú)使用均不能完全區(qū)分2種煤塑性狀態(tài)持續(xù)期間膠質(zhì)體的數(shù)量和性質(zhì)，也不能表達(dá)由此導(dǎo)致的結(jié)焦性能的差異。

3 熱塑性指標(biāo)的整合與創(chuàng)新表達(dá)

由于上述測試方法從不同的角度對煉焦煤熱塑性進(jìn)行表達(dá)時各有其明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，于是嘗試使用數(shù)學(xué)工具對現(xiàn)有的測值進(jìn)行計(jì)算整合，或通過更加準(zhǔn)確表達(dá)膠質(zhì)體的數(shù)量和質(zhì)量來關(guān)聯(lián)結(jié)焦能力，或直接關(guān)聯(lián)最終的結(jié)焦能力，或開發(fā)研究新的熱塑性指標(biāo)來表征煉焦煤的結(jié)焦性能。

早在20世紀(jì)60年代，德國Simonis就對魯爾膨脹計(jì)的a、b、軟化溫度、固化溫度4個測值進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，建立表達(dá)煉焦煤結(jié)焦?jié)摿?coking capacity)的G-value值[18],以G/表示:

其中，T1為軟化溫度,℃;T3為固化溫度,℃;a為收縮度;b為膨脹度。

盡管時隔半個多世紀(jì)，結(jié)焦能力指數(shù)值對目前研究煉焦煤熱塑性依然有很好的指導(dǎo)意義，因而使用22種山西煉焦煤歷年平均數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，針對不同熱塑性指標(biāo)與CSR的相關(guān)性比較，G/、G、Y、a+b、log MF、分別為0.421 7、0.117 8、0.096 4、0.083 7、0.481 7，由此可知G/的決定系數(shù)R2值最高，排序依次為:

G/>G>Y>a+b>lg MF

楊光智[19]對吉氏流動度進(jìn)行擴(kuò)展研究，將吉氏流動度的固軟溫度區(qū)間劃分為3個區(qū)間:350～430 ℃、430～460 ℃、460～510 ℃，利用數(shù)據(jù)分析軟件計(jì)算整個溫度區(qū)間的加權(quán)平均流動度(lgFwa)。采用固化溫度(Tr)-軟化溫度(Ts)表達(dá)膠質(zhì)體的數(shù)量，采用lgFwa和最大流動度(lgFm)表達(dá)膠質(zhì)體質(zhì)量，利用該3個參數(shù)整合計(jì)算膠質(zhì)體流動指數(shù)(F)，用以綜合表達(dá)膠質(zhì)體的數(shù)量和性質(zhì)信息:

F=0.015(Tr-Ts)+0.228lgFm+0.378lgFwa

利用煤階(Vdaf和Rr)、MCI和F此3個參數(shù)，可回歸分析建立焦炭反應(yīng)性和熱強(qiáng)度預(yù)測模型。

胡文佳[20]研發(fā)了1種煉焦煤的炭化關(guān)聯(lián)綜合檢測技術(shù)，推出表征煤料經(jīng)塑性層物態(tài)演變成焦綜合特性指數(shù)的2個新指標(biāo)，即透氣性指數(shù)(α)和形變指數(shù)(β)，以期更加準(zhǔn)確把握煉焦煤的結(jié)焦性能。采用α和β并結(jié)合煤化程度(Rmax)、礦物質(zhì)催化指數(shù)(MCI)建立焦炭質(zhì)量預(yù)測模型，模型對實(shí)驗(yàn)樣本的預(yù)測精度達(dá)到較高的水平。

在預(yù)測焦炭熱強(qiáng)度參數(shù)的選擇方面，上述專家學(xué)者對其幾乎達(dá)成公識，即采用煤階、灰成分、熱塑性該3個參數(shù)基本可確定焦炭最終熱性質(zhì)，不同的是對于熱塑性指標(biāo)的不斷探索和深入研究，使其不斷趨近對膠質(zhì)體性質(zhì)以及結(jié)焦能力的準(zhǔn)確表達(dá)。

專家學(xué)者通過對現(xiàn)有不同熱塑性指標(biāo)的擴(kuò)展研究，整合或推出新的熱塑性指標(biāo)，眾指標(biāo)在表達(dá)和區(qū)分煉焦煤膠質(zhì)體數(shù)量和質(zhì)量方面的綜合能力得到進(jìn)一步提升，能夠更加精準(zhǔn)地關(guān)聯(lián)煉焦煤最終的結(jié)焦能力。膠質(zhì)體數(shù)量和性質(zhì)或其最終關(guān)聯(lián)的結(jié)焦能力能否準(zhǔn)確表達(dá)，關(guān)系到煤階、灰成分該2個參數(shù)對于焦炭最終結(jié)果的影響權(quán)重選擇，關(guān)系到預(yù)測模型能否涵蓋更寬的煉焦煤煤階序列范圍，或在更寬泛和復(fù)雜的煤源范圍內(nèi)保持對實(shí)際煉焦生產(chǎn)的指導(dǎo)意義和適用性。此問題的本質(zhì)在于，現(xiàn)有的各種關(guān)于煤熱塑性的測試方法均采用物理測量方法而獲得炭化行為的特征數(shù)字[21]，對測試方法的研究只能獲得經(jīng)驗(yàn)層面的積累，即使進(jìn)行整合表達(dá)也無法觸及煤受熱分解反應(yīng)機(jī)理的微觀本質(zhì)。由于煤炭組成的復(fù)雜性、多樣性、非晶質(zhì)性和不均一性，很難非破壞性地分離成簡單物質(zhì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的分析，迄今為止仍無法徹底明了煤分子結(jié)構(gòu)的全貌。或許在不久的將來，隨著煤化學(xué)在煤結(jié)構(gòu)和反應(yīng)方面研究的不斷突破和進(jìn)展，使得煉焦煤熱塑性評價及焦炭質(zhì)量預(yù)測能夠在煤分子結(jié)構(gòu)層面得到更具實(shí)用價值的理論支持。

4 結(jié) 語

(1) 分析國內(nèi)外依據(jù)塑性成焦或界面結(jié)合理論所建立的焦炭熱強(qiáng)度預(yù)測模型可知，預(yù)測焦炭熱強(qiáng)度所選取的參數(shù)均可歸納為煤階、煤巖組分、熱塑性、煤灰成分四大類。

(2) 煉焦煤熱塑性指標(biāo)的選擇和表達(dá)是焦炭熱強(qiáng)度預(yù)測模型建立的關(guān)鍵參數(shù)和難點(diǎn)，煉焦煤熱塑性指標(biāo)要能夠準(zhǔn)確表達(dá)和區(qū)分膠質(zhì)體的數(shù)量和性質(zhì)，從而準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)煉焦煤最終的結(jié)焦能力。

(3) 在焦炭熱強(qiáng)度預(yù)測參數(shù)的選擇和煉焦煤熱塑性評價方面，期待熱塑性指標(biāo)的整合與創(chuàng)新表達(dá)隨著煤化學(xué)在煤結(jié)構(gòu)和反應(yīng)方面研究的不斷突破，在未來使得煉焦煤熱塑性評價及焦炭質(zhì)量預(yù)測在煤分子結(jié)構(gòu)層面得到更具實(shí)用價值的理論支持。