新型煤質快速檢測技術在神華準能選煤廠的應用

孫永強，劉利波，宋 歡

(神華準格爾能源有限責任公司 選煤廠，內蒙古 鄂爾多斯 010300)

1 應用背景

神華準能選煤廠洗選入廠毛煤后，洗后產品按質進入產品倉存儲，然后通過配煤裝車，將多種不同的產品，摻配成熱值穩定的準2、準5和準6等商品煤裝車外運。選煤廠共有2套裝車系統，其中裝車一系統負責1 200萬t跳汰系統洗后產品的配煤和裝車；裝車二系統負責800萬t及1 000萬t淺槽系統洗后產品的配煤和裝車。

2 存在問題與原因分析

近年來，隨著生產任務的加重及露天煤質的較大波動等因素影響，給裝車配煤帶來很大的難度，商品煤裝車合格率一直處于較低水平，尤其是神華準能選煤廠裝車一系統，合格率甚至還不足50%，造成這一不利結果的主要原因有以下幾個方面：

(1)化驗結果滯后，不能實時掌握配煤結果。跳汰系統設計能力是年洗選毛煤1 200萬t，近年隨著露天礦增產，系統洗選毛煤每年達到1 700萬t，超出系統設計能力，由于產品存儲能力較小，有時化驗結果未報出，產品已經裝到火車，出現盲裝現象，裝車結果無法掌握，并影響下一列車的配煤。

(2)煤質波動大，影響裝車配比。受地質條件影響，露天礦采出毛煤質量波動較大，毛煤熱值在3 100～4 300 cal/g范圍波動，洗選的精煤質量相對較穩定，中煤和末煤熱值波動大，情況最差時，每個班的點樣在±500 cal/g范圍內波動，很難保證進倉產品煤熱值穩定，導致裝車配比難掌控。

(3)采制化方法限制，難以適應煤質的波動。生產及裝車采樣方法依托膠帶機中部自動采樣器采樣，收集的樣品送至化驗室進行常規化驗，生產點樣結果報出時間需1 h，裝車化驗結果需等裝車結束后2 h，這種采制化方法結果報出時間要滯后生產1～2 h。

基于以上原因，使得商品煤裝車質量波動較大，造成各商品煤配出熱值高出目標熱值較多，帶來很大的熱值浪費，影響準2優質煤配出比例，帶來很大的經濟損失，同時也影響公司商品煤的品牌。

為了解決此問題，公司引入在線灰分儀、離線灰分儀等儀器，但現場應用效果不佳，未能解決問題，而且這些灰分儀采用放射源，增大了管理的難度。為此尋找一種適應煤質特性的快速檢測煤質裝置[1]，穩定商品煤質量，減少熱值損失就顯得至關重要[2]。

通過了解，某公司開發了一種新型煤質快速檢測產品，但因其設備屬于開發研制階段，還未正式在市場上進行推廣應用，正在尋找試驗場地，而選煤廠也有這種需求，所以通過與其合作，進行現場試用，以判斷該技術是否能夠滿足選煤廠的實際需求。

3 試驗過程

新型煤質檢測設備從2014年12月份開始安裝，在神華準能選煤廠的試用經歷了三個階段，做了大量實驗，完善了煤質特性曲線[3]，進一步升級了設備性能，現場應用效果逐步的顯現出來。

3.1 第一階段末煤膠帶中部采樣機上的實驗

2014年12月，首臺新型煤質檢測設備被安裝到神華準能選煤廠，安裝在末煤膠帶(3701)中部采樣機的給料膠帶上，采樣器采的煤樣經破碎機破碎后，落入給料膠帶，經過二次縮分后，剩余煤樣通過煤質檢測設備進行測量[4]。

3.1.1 靜態測試

2015年1月7—8日，對檢測設備進行了靜態測試，測量時間10 min，將粒度為3 mm的樣品(5個精煤、6個末煤、13個中煤)放入塑料盒中，放置在檢測設備測量位置處，進行靜態灰分測量。根據靜態測量與動態測量的數據分析，此煤質檢測設備基本具備測量灰分的能力。對于靜態測量，從圖1可以看出，在灰分17%～62%大范圍內，灰分測量具有較好的線性。動態灰分測量基本追隨化驗數據的變化，但存在較大誤差。

圖1 中煤、末煤、精煤灰分靜態測試的測量值—化驗值線性擬合

3.1.2 動態測試

統計2015年1月6—10日末煤生產的測量數據，數據如圖2所示。由于動態測量時樣品移動速度較低，對于此檢測設備來說，從原理上考慮，靜態測量與動態測量其測量結果應該相差不大，因此，動態測量誤差較大的原因是來自其他方面。

圖2 生產中末煤的灰分測量值與化驗值對比

3.1.3 動態灰分測量誤差較大原因分析

(1)煤樣實際測量時間短。盡管是按照1 h的數據比較，但設備實際能測量煤樣的時間僅為幾十秒到一百多秒，測量誤差大。因為該處采樣機采樣頻率為15 min一次，1 h采樣次數僅為4次，由于主膠帶輸煤量不大，所以每次采樣量也小，每次采樣、破碎后落入小膠帶上的煤樣，形成符合設備測量條件的煤流，其經過檢測設備的時間約10～20 s。

(2)化驗煤樣為采樣機的小膠帶上煤樣的二次采樣，由于采樣次數少，其與采樣機小膠帶上剩余煤樣存在差異。

(3)可能存在制樣、化驗誤差。

3.1.4 解決辦法

(1)降低采樣機小膠帶速度，提高單次采樣的測量時間；本儀器具有判斷膠帶上是否有煤的功能，如果提供接口，可以控制小膠帶停止或運行，以提高測量時間。

(2)增加小膠帶長度，安裝更好的煤流成形裝置。

(3)提高采樣機的采樣頻率，從原來的15 min降低為5 min或更低，不僅能夠增加設備測量煤樣時間，還能提高檢測設備的數據輸出頻率，從15 min輸出一次，變為5 min或更短時間輸出一次，有利于指導生產。

3.1.5 第一階段測試結果

由于生產任務緊，對采樣機小膠帶的改造會影響生產，所以沒有進行改造，而是將檢測設備重新安裝到裝車膠帶的采樣機上，這里的煤流量大，有利于測量，而且測量數據對指導配煤裝車更有意義。

3.2 第二階段裝車站裝車膠帶采樣機上的實驗

2015年6月，將該煤質檢測設備安裝到1號裝車站裝車膠帶的端部采樣機上。具體安裝在采樣機破碎后，經二次采樣所得到樣品的輸運小膠帶上。在安裝到新位置后，進行了一系列實驗，包括軟件功能完善、算法優化、設備運行參數優化等，進一步確保設備的工作狀態良好。

3.2.1 靜態測試

2015年7月，重新進行了靜態煤樣的對比測量，對比數據如圖3所示。

設備在9月份標定準確后，10月份的測量統計數據如表1所示，除兩組灰分儀與化驗室熱值差較大外其余均差距較小，測量效果很好。

圖3 靜態測試灰分數據線性擬合圖

表1 2015年10月裝車煤測量熱值與化驗熱值對比數據表

2015年12月，設備測量數據與化驗數據出現較大誤差，主要原因是所測量處的煤樣量變少，從10月份的每分鐘實際測量煤樣時間40 s以上，調整為只有23 s。

3.2.2 第二階段測試實驗結果

1號裝車站裝車膠帶的端部采樣機處的安裝空間很小，比末煤采樣機處的安裝空間還小，無法制作完善煤樣收攏成形裝置。由于裝車班樣、點樣需指導裝車配煤，改造影響裝車。并且是進口設備，對該采樣機的改造難度較大，因此決定將測量裝置安裝到該采樣機的棄樣端。

3.3 第三階段裝車站裝車膠帶采樣機棄樣端實驗

該端部采樣機的采樣頻率較高，可達到50 s的采樣周期，每次采樣的棄樣量約60 kg，棄樣通過溜槽落入裝車緩沖倉中。

3.3.1 新型煤質檢測設備的安裝

2016年5月開始改造，增設一條小膠帶，棄樣通過溜槽落入小膠帶，小膠帶轉運煤樣一段距離后，再落入緩沖倉中。在小膠帶上設置煤流成形裝置，并留出安裝煤質檢測設備的空間。小膠帶驅動電機由變頻器供電，調節變頻器頻率以改變小膠帶運轉速度，從而使煤流符合檢測設備的測量要求。

檢測設備采用了改進設計的新版煤質檢測設備，設備的測量精度、穩定性以及可靠性得到提高[5]。設備于2016年6月運送到現場，并安裝調試，7月份初步調試完畢，開始供裝車配煤參考使用。

3.3.2 新型煤質檢測設備檢測結果與化驗結果對比

測量數據如圖4所示。根據654次裝車數據對比，所測煤的灰分從17%～41%，發熱量從3 350～5 400 kcal/kg，設備測量發熱量與化驗發熱量差值的均方根誤差為87 kcal/kg。

圖4 裝車煤的發熱量設備測量值與化驗值的線性關系

3.3.3 新型煤質檢測設備應用前后合格率對比

2016年7月1日開始，兩套系統都開展了精準裝車工作，裝車一系統使用新型煤質檢測設備指導裝車配煤[6]，二系統利用生產過程化驗熱值指導裝車。統計2015年全年、2016年上半年以及2016年下半年三個時間段的裝車合格率進行對比[7]，見表2。

表2 準能選煤廠各系統合格率對比

從表2中數據縱向對比，裝車一系統不同時間段合格率，使用新型煤質檢測設備后，合格率為82.25%，較使用前提高29%，各煤種熱值浪費減少近100 kcal/kg左右，理論上可使準2比例提高約12%。

橫向對比裝車一二系統不同時間裝車合格率，7月1日開展精準裝車工作后，兩套系統合格率均有很大程度的提高，裝車一系統提高12%，裝車二系統提高6.71%，一系統較二系統提高6%，基本可以推斷出新型煤質檢測設備指導裝車取得了明顯成效。

4 新型煤質檢測設備的防護與管理

4.1 新型煤質檢測設備的防護

新型煤質檢測設備采用多能人工射線吸收法，使用的射線源為射線裝置，發射的射線為X射線，與放射源不同，射線裝置關閉電壓后，不輸出任何射線[8]。

放射源與射線裝置雖然都能輸出射線，但管理上存在差異，此檢測設備發射X射線的能量，與雙能量伽馬射線灰分儀的射線能量比較，要低得多，因此屏蔽該射線很容易，3～4 mm的鋼板即可完全屏蔽該射線，因此在設備的外部，檢測不到射線裝置發射的射線(僅能檢測到環境本底)。

4.2 新型煤質檢測設備的管理

根據國家標準《GB 18871-2002電離輻射防護與輻射源安全基本標準》中規定的豁免水平為：① 正常運行操作條件下，在距設備的任何可達表面10 cm處所引起的周圍劑量當量率或定向劑量當量率不超過1μSv/h；② 所產生輻射的最大能量不大于5 keV。

此煤質檢測設備表面10 cm處設備引起的劑量當量率基本為0，僅能測量到環境本底，通常環境本底小于0.1 μSv/h，因此該煤質檢測設備屬于滿足豁免水平的設備。并且射線裝置與放射源不同，不需要在環保部門監管下回收，也無需擔心放射源丟失而產生的責任[9]。

5 總結及建議

經過近2 a的現場試用，此種新型煤質檢測設備已經能穩定工作，在指導配煤裝車方面有很好的指導意義。

5.1 取得的效果

從統計數據縱向對比得出裝車一系統不同時間段合格率，使用新型煤質檢測設備后，合格率82.25%，較未使用前提高29%，各煤種熱值浪費減少近100 cal/g左右，理論上可使準2比例提高約12%。

橫向對比裝車一二系統不同時間裝車合格率，7月1日采取精準裝車工作后，兩套系統合格率均有很大程度的提高，而裝車一系統合格率提高12%，裝車二系統合格率提高6.71%，一系統較二系統合格率多提高6%，得出新型煤質檢測設備指導裝車取得了明顯成效。

5.2 建議

(1)利用新型煤質檢測設備，監測選煤廠的生產過程中各環節、產品的灰分與發熱量，不僅能夠控制產品質量，提高洗選效率，還能極大減少化驗人員的勞動強度，進一步提高產品質量管理水平。

(2)隨著科技進步，選煤廠生產各環節的信息大都實現了自動采集提取，而煤質數據作為選煤廠指導生產、檢驗產品質量、核查生產效率的關鍵信息，其自動化采集若能得到有效解決，就有可能利用生產中所采集的大量數據信息，結合大數據技術，逐步實現選煤廠智能化生產[10]。

此種設備測量較準確，安裝方便，不使用放射源，與已有的其他煤質快速檢測裝置比較，具有明顯的優勢，值得推廣應用。