张 飏，王 岩,白效言，鲁 励，王春晶，张昀朋，裴贤丰
(1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013;2.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)
中国是世界上最大的冶金焦炭生产和使用国，根据中国炼焦行业协会统计数据可知，2021年全国焦炭产量达4.64亿t，其中钢铁联合焦化企业焦炭产量1.10亿t，其他焦化企业焦炭产量3.55亿t。焦化行业中原料煤占炼焦生产成本的80%以上，因此炼焦配煤工作一直是焦化行业实现高质量发展和提质增效的主要技术手段。但随着优质炼焦煤资源的限制性开发、劣质煤源的大量入市及洗煤厂的肆意掺混等市场化因素，经验性较强的传统配煤理论及依靠传统表征指标的炼焦煤特性评价方法越来越难以满足稳定炼焦生产、降低配煤成本的基本要求。即随着我国高炉、焦炉大型化发展迅速，优质炼焦煤资源十分稀缺，煤源掺混严重，目前的炼焦煤评价方法由于采用的各个指标均存在着一定的局限性，现行以煤的工艺性能指标为基础的炼焦煤评价方法不适应性日渐凸显。
为了更好地应对当前较为混乱的供煤环境及有效降低企业生产成本，亟需创建 1 种应用层面上的新型炼焦煤评价方法，为建立相关配煤理论奠定基础。由于表征胶质体数量和质量的吉氏流动度指标所输出的信息并未完全应用于煤质评价，随着吉氏流动度测定仪的国产化普及，对吉氏流动度指标的研究已日益深入且逐渐被企业所认可,因而通过对现行炼焦煤评价方法的梳理以及对吉氏流动度指标研究进展的总结，探究吉氏流动度指标与其他流变特性表征指标、焦炭质量之间的关系，以期挖掘吉氏流动度指标输出的胶质体特性信息以完善、优化现有炼焦煤评价体系及配煤炼焦方法，从而为满足焦化企业实际采购及生产需求提供基础支持。
煤本身是结构十分复杂的混合物，煤成焦过程的基本机理是熔融-结合-交互作用等，可以确定影响焦炭质量的关键因素仍然是活性组分的熔融和结合惰性组分的演化过程，特别是炼焦煤软化熔融过程中的流变特性。目前表征炼焦煤流变特性的指标主要分为三类，即黏结性指标、结焦性指标和塑性指标。
1.1 黏结性指标
由煤科院提出的黏结指数(GR.I)是最具代表性的黏结性指标，其反映煤在加热(隔绝空气)过程中自身黏结或黏结其他外加惰性物的能力。一般随煤的变质程度和煤岩组成发生有规律的变化，但会受到惰性组分的赋存状态、矿物种类、煤的沉积环境等多种因素的影响。部分焦煤和1/3焦煤会出现相同煤种的黏结指数、结焦性能和成焦质量差距甚远的情况，且黏结指数对强黏结性煤的区分能力不足。
1.2 结焦性指标
奥阿膨胀度是表征煤结焦性的主要指标，主要取决于煤在产生胶质体期间的析气速度和胶质体的不透气性，与煤的岩相组成有密切关系，由此计算可得到煤的结焦能力。奥阿膨胀度对中、强黏结性煤的区分能力较强，特别针对强黏结性煤时其区分能力比许多其他指标为优；
缺点是对弱黏结性煤的区分能力差，只能得到“仅收缩”的结果，导致无法区分弱黏结性煤的黏结性差别。
1.3 塑性指标
胶质体最大厚度(Y)是表征煤在塑性阶段胶质体的数量，该指标受煤的膨胀性影响很大，若膨胀度大则Y值显著偏高。Y值对中、强黏结性煤的区分能力比较强且具有加和性，缺点是人为误差较大、对弱黏结性煤的区分能力差。已经证实实践由于胶质体最大厚度缺乏质量概念而影响到其应用。
吉氏流动度作为另一个塑性指标，主要表征煤在干馏时形成胶质体的黏度。其优点是可以了解煤在塑性温度内的流动特性及胶质体的温度区间，缺点是对黏结性较强的煤难以准确测定。最大流动度温度和固化温度受煤阶的影响甚大，与煤的热分解有直接的关系，但更大程度上由煤的整体化学结构所决定，而非由岩相组成决定。初始软化温度主要取决于煤岩显微组成，而不取决于煤阶。
目前应用于配煤炼焦生产的炼焦煤评价方法，主要基于煤的各类工艺性能指标，如挥发分(Vdaf)、黏结指数(GR.I)、胶质体最大厚度(Y)、奥阿膨胀度(b)和吉氏最大流动度(MF)等，另外结合相关的活惰比、煤岩反射率等岩相指标。由于各个指标均存在着一定的局限性，表征胶质体数量和质量的吉氏流动度指标输出的信息并未完全应用于煤质评价，因此在炼焦煤供应复杂、优质煤稀缺、炼焦工艺和装备发生巨大变化、焦炭质量要求不断提高的背景下，目前的炼焦煤评价方法难以满足企业实际采购及生产需要，应深度挖掘吉氏流动度指标输出的胶质体特性信息，完善、优化现有炼焦煤评价体系及配煤炼焦方法。
吉氏流动度指标是20世纪30年代发展起来的1种表征煤塑性特征的指标，该测试试验可得到开始软化温度(T1)、最大流动度温度(T2)、固化温度(T3)、最大流动度(MF)及塑性温度区间(ΔT)5个特征指标[1]。吉氏流动度指标被欧美、日本、韩国等国家普遍应用于炼焦煤评价及配煤炼焦。
2.1 吉氏流动度指标的研究进展
胶质体是炼焦煤在热解过程中形成的气、液、固三相混合物，其形成是煤能够黏结成焦的重要阶段。胶质体的质量与数量直接决定所形成焦炭的性能，因此众多国内外学者及技术人员已对表征胶质体质量和数量的吉氏流动度指标开展大量深入的系统研究。
由于吉氏流动度测试设备精密度和操作的规范性要求较高，设备国产化难度较大，因而吉氏流动度指标应用于我国配煤炼焦相对较晚。为了进一步完善、优化配煤炼焦方法以期更为适合炼焦煤供应等新形势，我国技术人员研究了不同煤种吉氏流动度的特点，并利用该指标区分其他变质程度、流变特性指标相近的煤。张明星等[2]研究发现同煤种虽最大流动度存在较大差异，但最大流动温度差别很小，且随变质程度的增加而变大，配煤时增加流动度可提高焦炭冷强度。赵奇[3]利用吉氏流动度指标在识别炼焦煤黏结性方面显现的优势来区分不同产地同类煤黏结性的差异，从而确保焦炭质量。曹贵杰[4]比较2种GR.I、Y和b等指标相近的1/3焦煤，通过基氏流动度特征指标的差别解释了焦炭强度指标相差较大的原因。
我国研究人员关于吉氏流动度指标的研究主要集中在单种煤吉氏流动度各指标之间的关系及其与其他流变特性指标、变质程度、焦炭冷热态强度之间的影响关系，同时形成包括吉氏流动度指标在内的配合煤质量控制指标要求及焦炭质量预测。洪泽[5]以9种焦煤、7种肥煤、7种1/3焦煤和2种瘦煤为研究对象，考察吉氏流动度测试所得的5个指标之间及分别与变质程度、胶质体最大厚度(Y)、黏结指数(GR.I)、焦炭抗碎强度、反应后强度等指标之间的关系。罗瑞等[6]研究了5种焦煤、1种肥煤、2种1/3焦煤、1种贫瘦煤和1种瘦煤的最大流动度(MF)与变质程度、黏结指数(GR.I)、胶质体最大厚度(Y)、奥阿膨胀度(b)的相关性及变质程度对塑性温度区间的影响、10个配煤方案的配合煤变质程度对最大流动度(MF)的影响及MF与Y、b的相关性，同时以挥发分、最大流动度、塑性温度区间和灰分为参数有效建立焦炭热强度的预测模型，相关性均高于95%。王超等[7]以1/3焦煤、肥煤、焦煤和瘦焦煤为研究对象，针对焦炭反应性及反应后强度分别与灰分、挥发分、硫分、胶质体最大厚度、黏结指数、镜质体平均最大反射率进行拟合分析，建议配煤灰分含量稳定在9.5%～10%、挥发分在26%左右、胶质体最大厚度尽可能接近20 mm、控制镜质体平均最大反射率在1.3%～1.4%以及在成本可控条件下合理提高黏结指数数值等，以便有利于提高配煤炼焦生产的焦炭质量。胡文佳等[8]重点研究源自蒙古国、我国内蒙古和山西地区的17个炼焦煤样在炼焦过程中塑性层性质与结焦能力，通过探寻煤样的膨胀度(a+b)、流动度(lg MF)、黏结指数(GR.I)和胶质体最大厚度(Y)与焦炭质量指标间的相关性，发现传统热塑性指标(a+b、lg MF、GR.I、Y)均不能很好地用于判别煤样形成焦炭的质量特征，特别是不能识别出不同地域煤样形成焦炭的质量差异。徐荣广等[9]对国内外多个矿点的126个煤样进行分析并研究流变特性指标，即探究黏结指数、胶质体最大厚度、奥阿膨胀度及最大吉氏流动度之间的相关性，表明最大吉氏流动度与胶质体最大厚度之间的线性相关性最优，且可较好地反映中等黏结性及强黏结性煤在炼焦过程中产生胶质体的性质，黏结指数和奥阿膨胀度则可较好地反映中等黏结性及弱黏结性煤胶质体的性质。吕青青等[10]研究61种单煤吉氏流动度各指标与变质程度、黏结性指标、焦炭强度之间的关系，指出足够的流动性和充裕的塑性温度区间可使焦炭具有良好的机械强度。
在进行大量吉氏流动度特征指标与其他流变特性指标、变质程度指标之间关系研究的基础上，国内外学者基于吉氏流动度指标和曲线图形分析，提出新的指标以期能够更全面地评价炼焦煤特征和指导配煤炼焦。杨光智等[11]选取覆盖炼焦煤全部变质范围的25种炼焦煤，通过各个温度区间的流动度占总流动度的比例(PF,r)和每个温度区间的平均流动度(lgFa)，结合塑性温度区间和代表整个胶质体平均质量的lgFwa计算得出煤的胶质体流动指数(F)。试验证明F不仅与Y、GR.I和a+b的相关性更好，而且具有很好的加和性，同时F作为黏结性指标能够更准确的预测焦炭热态强度。YANG等[12]认为吉氏流动度表征是评价煤的流动性的重要方法，煤的流动性对结焦过程影响很大，进而影响焦炭质量，从而提出在现有指标基础上，以流动性温度面积(SlgF)代替吉氏流动度最大值而作为流动性表征指标。SlgF比lg MF对煤的流动性有更灵敏的分辨率，对于具有几乎相同lg MF值的煤区分效果较好。
随着配煤炼焦技术的不断进步及高炉大型化，对焦炭质量的要求愈来愈高，进而焦炭质量的根本影响因素备受关注。研究发现焦炭结构性质是研究焦炭质量的基础，其中气孔结构是焦炭重要结构性质之一。STRUGALA[13]以不同变质程度的波兰烟煤为研究对象，研究成焦过程中半径小于2 500 nm的孔之变化规律，以此为基础建立以吉氏流动度塑性区间、挥发分等为参数的成孔模型。TOISHI等[14]通过解析不同温度的热解过程，发现在孔的生长过程中黏性因子发挥关键作用，而吉氏流动度是研究人员认为表征黏性的有效方法。
2.2 吉氏流动度指标的应用现状
吉氏流动度指标主要应用于焦化行业，因此备受宝武集团、鞍钢集团等各大钢铁联合企业及独立焦化企业的关注，目前配煤炼焦技术人员根据生产实际用煤已对其展开大量的试验研究工作，主要从炼焦煤细分方法以及配用比例等方面对其进行专利保护。
在《中国煤炭分类》国家标准中，烟煤分类采用干燥无灰基挥发分表征变质程度且以黏结指数、胶质体最大厚度和奥阿膨胀度表征工艺性能，但由于地质演变的复杂性及多种影响因素，不同地区的炼焦煤即使被划分为同一煤种而在炼焦过程中形成的胶质体特性及所得焦炭的质量均存在较大差异，因此各大焦化企业建立炼焦煤细分方法时所采用的指标不尽相同。
武汉钢铁(集团)公司围绕吉氏流动度指标进行大量研究，首先主要针对不同最大流动度范围的煤通过划分基氏流动度曲线选定流动区域对时间的积分范围，确定该煤种在配煤炼焦中的配比范围[15-16]；
其次以挥发分和吉氏流动度塑性温度区间对同煤种炼焦煤进行细分，并明确其使用方法及配比范围[17-19]；
同时主要采用挥发分、镜质体反射率等变质程度指标、黏结性指标及焦炭光学显微结构等作为细分指标，其中针对黏结性指标中的黏结指数、奥阿膨胀度、胶质体最大厚度、最大吉氏流动度及塑性温度区间，取其一或几种组合即可。根据煤质数据，确定上述各指标组合的数值范围，以此来定义煤种或将分类标准中煤种进行细分，同时给出各煤种在炼焦配煤中的配比范围[20-24]。山东铁雄新沙能源有限公司提出 1 种炼焦煤的煤质分类方法，即采用变质程度指标(干燥无灰基挥发分、镜质体平均最大反射率)、黏结性指标(奥阿膨胀度、最大吉氏流动度)和焦炭显微结构指标(焦炭光学显微组织)作为评价炼焦煤结焦性的指标将进厂原料煤分为适合其企业应用的焦煤、肥煤和气肥煤，并以此为基础用于配煤炼焦[25]。鞍钢股份有限公司提出 1 种制备优质冶金焦炭的炼焦配煤方法，该方法将炼焦煤挥发分、最大吉氏流动度和煤岩学的镜质体反射率、活惰比及标准方差等恰当组合，规定不同煤种的配入量和细度要求，在有效降低焦、肥煤配比的情况下可提高焦炭质量[26]。
2.3 吉氏流动度指标对炼焦煤氧化程度的表征
焦化领域中采用吉氏流动度指标来鉴别异常炼焦煤、区分同一煤种炼焦煤的黏结性等方面的应用已经越来越被企业认可。此外吉氏流动度指标亦可实现确定最佳使用期限，即该指标对煤的氧化程度反映灵敏。
炼焦煤在自然存储过程中会逐渐发生氧化，虽其挥发分、黏结指数、胶质体最大厚度等常规指标变化并不明显，但实际上煤在氧化后的结焦性能会大幅降低，因此有必要选择能够较好地反映氧化作用的指标进行检测。吉氏流动度指标可表征胶质体的流动性，且会随着氧化程度的加深而降低，加之其反应灵敏，因此该指标可以较好地反映煤的慢性氧化过程。
采用煤科院自主研发的吉氏流动度测定仪进行氧化性试验分析，主要将精煤混匀破碎至6 mm以下且在实验室环境内自然堆放，定期测定其吉氏流动度指标的变化，其吉氏流动度指数随着制样保存期限的变化趋势如图1所示。
图1 吉氏流动度变化曲线Fig.1 Variation curve of Gieseler fluidity
从图1可发现，当煤样制备完毕后在实验室条件下自然堆放1个星期，其最大吉氏流动度由7 600 ddpm快速衰减至4 000 ddpm左右，然后大约存在10 d 的平台期，再逐渐衰减至3 000 ddpm左右。
综上所述，吉氏流动度的最大流动度数值在 1 个月内由7 600 ddpm左右逐渐衰减至3 000 ddpm以下，降幅达到60%以上，同时软化-固化温度区间由74 ℃降低至71 ℃。因此在配煤炼焦中须对吉氏流动度的氧化性加以关注，应尽量缩短从开采到入炉使用周期，尤其缩短存煤周期及改善存煤方式，从而减弱因氧化对炼焦煤品质的影响。
(1) 现行的炼焦煤评价方法主要基于煤的各类工艺性能指标。由于各个指标均存在着一定的局限性，且表征胶质体数量和质量的吉氏流动度指标输出的信息并未完全应用于煤质评价，因此现行的炼焦煤评价方法无法完全满足在炼焦煤供应复杂、优质煤稀缺、炼焦工艺和装备发生巨大变化以及对焦炭质量要求不断提高背景下的企业实际采购及生产需求，应深度挖掘吉氏流动度指标输出的胶质体特性信息，完善、优化现有炼焦煤评价体系及配煤炼焦方法。
(2) 随着吉氏流动度测定仪的国产化，对该指标的研究日益深入且逐渐被企业所认可。研究发现吉氏流动度指标与其他流变特性表征指标、焦炭质量之间存在一定的相关关系，以此为基础可研发适用于企业自身的炼焦煤细分方法。
(3) 吉氏流动度指标可灵敏反映炼焦煤的氧化程度，以此确定炼焦煤的最佳使用期限，确保其发挥最优黏结性和结焦性。
(4) 胶质体的特性不仅取决于最大流动度，且与塑性温度区间有一定的关系，因此建议应用吉氏流动度指标时应综合考虑最大流动度、塑性区间及高流动度的停留时间等因素。
(5) 最大流动度是某一时刻煤最大流动性的体现，无法表征整个软化熔融过程形成胶质体的特性，存在 2 种煤的最大吉氏流动度和塑性区间虽相近但其性质差异较大的现象，因此建议应充分解读吉氏流动度的曲线形貌及相关数学信息，科学评价煤炭质量优劣。
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