煤炭格金干馏试验

技术概述

煤炭格金干馏试验（Gray-King Asssay）是煤炭工业分析和焦化领域中一项极为重要的低温干馏试验方法。该方法由Gray和King两位科学家提出，旨在模拟煤炭在隔绝空气条件下的热分解过程，从而测定煤炭在低温干馏时的焦油产率、半焦产率、总水分产率以及煤气产率等关键指标。作为评价煤炭低温干馏性质和炼焦性质的重要手段，格金干馏试验在煤炭分类、煤炭资源综合利用以及焦化工艺优化中发挥着不可替代的作用。

格金干馏试验的核心原理是将一定量的煤样置于干馏管中，在隔绝空气的条件下，按照规定的升温速度加热至最终温度（通常为600°C），并保持一定时间。在此过程中，煤样发生热解反应，生成焦油、水、煤气和半焦等产物。通过对这些产物的收集和称量，可以计算出各项产物的产率。与其他干馏试验方法相比，格金干馏试验具有操作规范、结果重复性好、能够直观反映煤炭结焦性能等特点，因此被广泛应用于煤炭质量检测和科学研究中。

该试验不仅是测定煤中焦油产率的标准方法之一，更是评价煤炭粘结性和结焦性的重要依据。通过观察干馏后残留的半焦特征，如半焦的强度、光泽、裂纹情况等，可以判断煤炭的结焦性能。在中国国家标准GB/T 1341中，对煤炭格金干馏试验的方法、设备要求、操作步骤以及结果计算都做出了明确的规定，确保了检测结果的准确性和可比性。

检测样品

煤炭格金干馏试验适用于多种类型的煤炭样品，涵盖从褐煤到无烟煤的各个煤阶。为了确保试验结果的代表性和准确性，对检测样品的制备和处理有着严格的要求。

样品粒度要求： 用于格金干馏试验的煤样必须经过严格的制备。通常要求将煤样破碎至通过0.2mm（或72目）的标准筛。粒度过大可能导致热解不均匀，影响焦油的析出和半焦的形成；粒度过细则可能增加试样层的通气阻力，影响气体产物的逸出。因此，严格控制样品粒度是保证试验准确性的前提条件。

样品水分控制： 试样的水分含量对干馏结果有显著影响。一般使用空气干燥基煤样进行试验。如果煤样水分过高，在加热初期会产生大量的水蒸气，可能导致干馏管破裂或影响焦油冷凝效果。因此，在试验前通常需要对煤样进行适当的干燥处理，使其达到空气干燥状态。

样品称量： 准确称取一定质量（通常为20g）的煤样装入干馏管中。装样时需注意煤样的堆积密度和均匀性，确保煤样层平整且松紧适度，以便于热解产物的顺利导出。对于不同性质的煤样，如粘结性较强的烟煤或几乎无粘结性的褐煤，装样方式可能略有差异，需严格按照标准操作规程执行。

• 褐煤：主要关注其焦油产率和水分含量，评估其作为低温干馏原料的潜力。
• 烟煤：重点考察其粘结性和结焦性，判断其在炼焦配煤中的应用价值。
• 无烟煤：虽然干馏产物较少，但可用于评估其热稳定性和化学结构。
• 混配煤样：用于模拟工业生产中的配煤方案，优化炼焦工艺参数。

检测项目

煤炭格金干馏试验的检测项目主要包括干馏产物的产率测定和半焦特性的评价。这些项目全面反映了煤炭在热解过程中的行为特征，为煤炭的综合利用提供了详实的数据支持。

1. 焦油产率（Tar Yield）： 焦油是煤炭低温干馏的主要液体产物，具有较高的经济价值。焦油产率是指干馏过程中冷凝收集到的焦油质量占煤样质量的百分比。焦油产率的高低直接关系到煤炭作为低温干馏原料的适宜性。一般来说，褐煤和某些年轻烟煤具有较高的焦油产率，是获取煤焦油的重要资源。

2. 总水分产率（Total Water Yield）： 总水分包括煤样中的外在水分（空气干燥水分）和热解过程中产生的热解水（化合水）。通过测定总水分产率，可以推算出热解水的含量。热解水的生成量与煤的变质程度和含氧官能团含量密切相关，是研究煤化学结构变化的重要参数。

3. 半焦产率（Coke Residue Yield）： 半焦是煤炭干馏后的固体残留物。半焦产率是指干馏后固体残留物质量占煤样质量的百分比。半焦的产率和性质取决于煤种和干馏条件。通过分析半焦的产率，可以评估煤炭的成焦特性。

4. 煤气产率（Gas Yield）： 煤气是干馏过程中的气体产物，主要成分包括氢气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等。煤气产率通常通过差减法计算得出，即煤气产率 = 100% - 焦油产率 - 总水分产率 - 半焦产率。煤气产率反映了煤样在热解过程中的气体释放能力。

5. 半焦特征评价： 除了定量测定产率外，格金干馏试验还要求对半焦进行定性描述。这包括观察半焦的颜色、光泽、强度、裂纹、熔融情况以及膨胀性等。根据半焦的特征，可以判断煤炭的粘结性和结焦性。例如，强粘结煤形成的半焦通常具有银灰色金属光泽、结构致密、强度高；而非粘结煤形成的半焦则呈粉末状或疏松块状，缺乏光泽。

6. 格金焦型判定： 根据半焦的特征和膨胀情况，可以将煤炭划分为不同的格金焦型（如A、B、C、D、E、F、G、G1-G8等类型）。焦型是评价煤炭结焦性能的重要指标，对于炼焦配煤具有重要的指导意义。

• 焦油产率：衡量低温干馏经济价值的核心指标。
• 热解水产率：反映煤中含氧官能团含量及变质程度。
• 半焦强度：评价煤炭结焦性能的关键参数。
• 格金焦型：用于煤炭分类和炼焦配煤的重要依据。

检测方法

煤炭格金干馏试验的检测方法严格遵循国家标准GB/T 1341《煤的格金低温干馏试验方法》。试验过程包括准备工作、装样、加热干馏、产物收集、结果计算与判定等多个环节，每一步都需要精细化操作。

试验准备： 首先检查干馏管、接收瓶、冷凝管等玻璃仪器是否清洁干燥。确保温控系统、加热炉和冷凝系统正常运行。准备好电子天平、干燥器、研钵等辅助工具。试验前需对煤样进行充分混合，确保样品的均匀性。

装样操作： 准确称取约20g空气干燥煤样（称准至0.01g）。将煤样小心装入干馏管中，轻轻敲击管壁使煤样表面平整。对于粘结性煤样，可能需要加入一定比例的标准砂（如电解石英砂）以防止煤样熔融膨胀堵塞干馏管，并确保气体导出通畅。加入砂子的量需根据煤样的粘结性确定，通常通过预备试验摸索最佳配比。

加热干馏： 将装好煤样的干馏管连接至接收瓶和冷凝管，检查系统的气密性。将干馏管置于加热炉中，确保煤样处于炉膛恒温区。开启冷凝水，然后启动加热程序。标准规定的升温速度通常为5°C/min，从室温加热至最终温度600°C。在300°C以前，升温速度需严格控制，防止剧烈分解导致喷溅。达到600°C后，通常保温15分钟，确保干馏反应充分进行。

产物收集与分离： 干馏过程中产生的蒸汽和气体经导出管进入接收瓶和冷凝管。焦油和水蒸气在冷凝管中冷凝为液体，收集在接收瓶中；不冷凝的气体经排水集气法收集或排空。试验结束后，取下接收瓶，用丙酮或甲苯溶解焦油，利用水分测定管通过蒸馏法分离水和有机溶剂，从而准确测定水和焦油的质量。干馏管中的固体残留物即为半焦，冷却后称重计算半焦产率。

结果计算： 根据收集到的焦油质量、总水分质量、半焦质量，结合煤样质量，分别计算各产物的产率。计算公式如下：

焦油产率（%）=（焦油质量 / 煤样质量）× 100%

总水分产率（%）=（总水分质量 / 煤样质量）× 100%

半焦产率（%）=（半焦质量 / 煤样质量）× 100%

煤气产率（%）= 100% - 焦油产率 - 总水分产率 - 半焦产率

焦型判定： 根据半焦的外观特征，如熔融程度、膨胀情况、裂纹多少、光泽强弱等，参照标准图谱和文字描述，判定煤炭的格金焦型。这是试验中最具经验性的环节，需要检测人员具备丰富的实践经验。对于膨胀性强的煤，还需测定其最大膨胀度，以确定具体的焦型等级（如G1至Gx）。

检测仪器

进行煤炭格金干馏试验需要使用一系列专用的仪器设备。这些设备的精度和性能直接关系到试验结果的准确性。实验室应配备符合标准要求的成套装置。

格金干馏炉： 这是试验的核心设备。通常为圆柱形或长方形的电加热炉，具有足够的恒温区长度，能够容纳多支干馏管同时进行试验。炉内配有耐热材料制成的炉管，保证加热均匀。现代格金干馏炉通常配备了智能程序控温仪，可以精确设定和控制升温曲线，保证升温速度符合5°C/min的标准要求。

干馏管： 由耐高温玻璃（如石英玻璃或硬质玻璃）制成的管状容器。管长约300mm，内径约20mm。管的一端封闭，另一端连接导出管。干馏管需能承受600°C以上的高温而不变形、不开裂，且具有良好的化学稳定性，不与煤样或热解产物发生反应。

接收瓶与冷凝管： 接收瓶用于收集冷凝的焦油和水，通常为锥形瓶。冷凝管用于将高温蒸汽冷却为液体，通常采用直形或球形水冷凝管。冷凝效率的高低直接影响焦油和水的回收率，因此需保证冷却水流量充足。

水分测定装置： 包括水分测定管（带有刻度）和蒸馏装置。用于将收集到的液体产物中的水和焦油分离。通过蒸馏，水与有机溶剂（如甲苯）形成共沸物蒸发，冷凝后在水分测定管中分层，读取水的体积并计算质量。

电子天平： 用于称量煤样、半焦、接收瓶等，精度要求至少为0.01g，推荐使用0.001g精度的分析天平，以提高结果的准确度。

辅助设备： 包括标准筛（0.2mm）、干燥箱（用于干燥样品和玻璃仪器）、研钵、秒表、温度计、支架及夹具等。所有量具和衡器均需定期进行计量检定，确保其精度符合标准要求。

• 智能程序控温仪：实现升温过程的自动化控制，减少人为误差。
• 石英干馏管：耐高温、耐腐蚀，确保试验过程稳定。
• 高效冷凝系统：保证焦油和水的完全回收。
• 精密分析天平：提供准确的质量数据。

应用领域

煤炭格金干馏试验作为煤炭特性检测的重要手段，在多个工业领域和科研场景中有着广泛的应用。其提供的数据对于煤炭资源的合理开发和高效利用具有重要的指导意义。

炼焦工业： 在炼焦工业中，格金干馏试验是评价炼焦煤质量的重要方法之一。通过测定焦油产率和焦型，可以判断煤炭的粘结性和结焦性。这对于炼焦配煤方案的制定至关重要。焦化企业通过格金试验数据，优化配合煤的比例，预测焦炭质量，从而生产出符合高炉冶炼要求的高品质冶金焦炭。同时，焦油产率的测定也有助于评估炼焦化学产品的回收效益。

低温干馏与煤化工： 对于从事低温干馏生产半焦、煤焦油和煤气的煤化工企业，格金干馏试验是筛选原料煤的首选方法。该试验能够准确测定煤样的焦油产率，帮助企业选择高焦油产率的优质原料煤，提高经济效益。例如，陕西、内蒙古等地的兰炭（半焦）生产企业，广泛利用格金干馏试验数据来指导原料煤的采购和生产工艺的调整。

煤炭分类与贸易： 在煤炭地质勘探和资源评价中，格金干馏试验是确定煤炭类别的重要依据。特别是在中国煤炭分类国家标准中，格金焦型是区分烟煤类别的重要指标之一。在煤炭贸易中，特别是出口焦煤或特种化工用煤时，格金干馏试验报告往往作为重要的质量凭证，用于结算和验收。

科研与教学： 在煤炭科学研究领域，格金干馏试验被广泛用于研究煤的热解机理、煤结构模型以及煤的化学反应性。科研人员通过对比不同煤种、不同变质程度煤样的格金干馏结果，揭示煤质变化规律。同时，该方法也是高校矿物加工工程、化学工程与工艺等专业教学实验的重要内容，帮助学生掌握煤炭化学分析的基本技能。

煤炭清洁利用： 随着环保要求的日益严格，煤炭的清洁高效利用成为行业发展的主旋律。格金干馏试验为煤炭热解、气化等清洁转化技术提供了基础数据支持。通过试验数据，可以优化热解工艺条件，减少污染物排放，实现煤炭资源的分级分质利用。

常见问题

在进行煤炭格金干馏试验的过程中，操作人员和数据分析人员常会遇到一些技术问题和疑惑。以下针对常见问题进行详细解答，以期提高试验操作的规范性和结果的准确性。

问：格金干馏试验与铝甑干馏试验有何区别？

答：两者都是煤炭低温干馏试验方法，但在设备和应用侧重点上有所不同。格金干馏试验使用玻璃干馏管，加热最终温度通常为600°C；而铝甑干馏试验使用铝制干馏甑。格金试验不仅能测定焦油、水、半焦产率，还能通过观察半焦特征来判定焦型，评价煤炭的结焦性，因此在炼焦行业应用更广。铝甑试验主要用于测定焦油产率，设备相对简单，但在评价粘结性方面不如格金试验直观。在现行国标中，格金干馏试验的标准为GB/T 1341，铝甑干馏试验的标准为GB/T 480。

问：试验中加入标准砂的作用是什么？如何确定加入量？

答：对于具有强粘结性或强膨胀性的煤样，在干馏过程中煤样会软化熔融并膨胀，可能堵塞干馏管导出口，导致试验失败甚至发生危险。加入标准砂（石英砂）可以起到骨架支撑作用，增加透气性，防止熔融煤样堵塞管路，同时有助于热解气体的逸出。加入量通常通过预备试验确定，原则是确保干馏过程顺畅，半焦能够形成疏松多孔的结构。对于弱粘结或不粘结煤，通常不需要加砂。

问：焦油和水分分离不彻底怎么办？

答：焦油和水的分离准确度直接影响产率计算。如果分离不彻底，可能是由于冷凝不完全、焦油粘度大或分离操作不当。建议采取以下措施：确保冷凝水温度足够低（通常控制在15°C以下）；在接收瓶中加入适量的有机溶剂（如甲苯或二甲苯）溶解焦油，降低粘度；使用水分测定管进行蒸馏分离时，要控制好蒸馏速度，保证水分完全蒸出并充分冷凝分层；读取体积时要等待分层清晰后进行。

问：升温速度对试验结果有何影响？

答：升温速度是影响干馏结果的关键因素。升温过快会导致煤样剧烈热解，产生大量气体，可能引起喷溅，导致焦油损失，同时半焦结构可能变得疏松多孔，影响焦型判定；升温过慢则会延长试验周期，可能导致热解反应路径发生变化。因此，必须严格按照标准规定的升温速度（5°C/min）进行操作，并使用程序控温仪精确控制。

问：如何准确判定格金焦型？

答：格金焦型的判定具有一定的主观性，需要检测人员积累丰富的经验。判定时主要观察半焦的熔融状况、硬度、光泽、表面裂纹和膨胀性。例如，A型为完全不熔融的粉状，G型为完全熔融、坚硬、有金属光泽。对于膨胀型焦，需测量其体积膨胀率。建议实验室定期组织人员比对，参照标准焦型图谱进行判定，必要时可结合粘结指数等其他指标综合分析，以提高判定的准确性。

问：试验结果重复性差的原因有哪些？

答：重复性差可能由多种原因引起：煤样粒度不均匀或制备不规范；装样松紧度不一致；升温曲线控制偏差；冷凝系统效率波动；称量误差等。为提高重复性，应确保样品制备标准化，操作步骤规范化，仪器设备定期校准，并进行平行样测定。如果平行样结果超出标准规定的允许差，需查找原因并重新试验。