移動式煤質分析技術及裝備系統集成研究

楊 陽

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 檢測分院，北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

0 前 言

煤質分析包括采樣、制樣和檢測3個環節。機械化采制樣設備已廣泛應用于采取和制備環節，一般得到13 mm或6 mm的煤樣，再經過制樣得到6 mm或3 mm和0.2 mm的煤樣；全水分樣品粒度為13 mm或6 mm，煤質參數樣品粒度一般為0.2 mm。

隨著儀器技術的發展，在線分析技術越來越多地應用于快速分析，以便進行生產控制。傳統的實驗室化學分析法具有設備成本低、結果準確穩定的優點，但人力成本高、區域跨度大、試驗周期長。便攜式煤質快速分析法的工作方式靈活機動、試驗周期短，但樣品的代表性差、分析項目少且精度低，應用具有很大的局限性。

該項目通過將特種車輛底盤改造后的車載系統、機械化采制樣系統、破碎縮分系統一體化，與煤質在線檢測系統有機整合，形成車載可移動式煤質分析裝備，實現可移動檢測。移動式煤質分析技術很好地實現了針對煤流連續、自動、實時測量，人力成本大幅縮減，樣品代表性好，分析結果快速且相對準確。近十幾年來，隨著社會需求的增大和在線分析儀技術的日趨完善，煤炭在線分析儀在世界各國已越來越廣泛地應用于采煤分級控制、原煤質量監測、洗煤廠洗選工藝控制、配煤、煤場管理、電廠入廠煤質量監測等領域中[1-4]。

1 工作原理

機械化采制樣系統采用破碎、縮分一體化制樣方案(包括粒度和縮分)，同時采用整機密封技術，保證制樣過程無泄漏；采用料流整形和連續輸送技術，與煤質在線檢測系統有機整合，子系統間協調動作，為煤質在線檢測提供均勻、穩定的煤流，實現多點檢測。

煤質分析裝備布置方案如圖1所示，該系統由均煤攪拌機、破碎機(出料6 mm)、皮帶機、煤流整形器、微波透射測水儀、煤質分析裝置、除塵風機及其余配套設施組成。

圖1 煤質分析裝備布置方案

工作時，首先由螺旋汽車采樣機將煤樣采取后送入均煤攪拌機內，在充分攪拌均勻后落入破碎機破碎，破碎成6 mm的煤流后落入下方的皮帶機，通過后續布置的煤流整形器并形成厚度均勻的、連續穩定的煤流以供微波透射測水儀、快速煤質分析儀進行煤質檢測。檢測出煤質數據后煤流經車體尾部送回原煤堆。

2 無源在線檢測

利用激光誘導擊穿光譜(LIBS)技術，具有檢測速度快、可以全元素分析和便于現場使用等優點，在工業檢測、污染物檢測、礦石勘探和食品安全檢測等領域均有很大的應用潛力[5-9]。通過LIBS技術測定碳、氫、硫、灰分成分，即利用高能脈沖激光照射被測物體表面，其激光脈沖的時間寬度在納秒量級，激光使物體表面的微小區域內產生等離子體，再測量等離子體中各種元素發射的特征光譜，繼而分析各種元素的含量[10-12]。

由于激光激發形成的等離子體存在時間極短(10 μs～20 μs)，通過特有的激光器技術，從硬件上保證檢測結果的重復性、再現性；在軟件方面，配套專有的光譜分析技術和專業分析軟件，保證系統的分析精度。

圖2 煤炭典型LIBS光譜

目前，對煤中碳、氫、硫、灰分的測量已經有了新進展，具備工業化應用的基礎；煤炭典型的LIBS光譜如圖2所示。結合相關研究[13-15]并分析圖2可知:煤中被關注的幾乎所有元素均可在光譜中找到較強的特征譜線。

應用以上方法確定碳、氫、硫、水分等多個參數后，通過理論公式計算得出發熱量；相比X射線測量方法，增加了氫元素的測定，在發熱量計算方面更加準確。

3 采制化銜接

系統的工藝流程如圖3所示。

圖3 采制化工藝流程圖

由圖3可知，先將人工采樣或機械化所采煤樣放入集料煤倉中，待煤樣放置完畢并達到煤質檢測所需量的要求后，開動攪拌機將煤樣混勻，落入破碎機中經破碎成13 mm或6 mm粒度的煤樣，落入定量倉后再入皮帶機，經過煤流整形器形成厚度均勻、連續穩定的煤流以供后續的儀器進行檢測。煤質數據經上位機處理，無線網絡傳輸上級管理中心，經過軟件分析處理后形成煤質檢測報告。

4 移動式煤質分析裝備組成

(1)車載采樣系統。車載移動式機械化采樣技術包括采樣鉆頭的動力學分析和結構優化設計、動力傳遞系統功能與液壓系統功率匹配研究、整機的動力學性能和穩定性研究、車載系統與采樣系統集成、匹配研究等。

(2)制樣系統。按照國標GB474的要求，研發破碎、縮分一體化制樣系統，實現制樣自動化；依據GB19494的要求，同時兼顧與煤質分析系統的接口要求，研發專用的制樣系統，進行煤樣的制備，為煤質檢測儀器裝置提供均勻、連續穩定，粒度滿足檢測需要的煤樣。系統預留入料口，可與采樣系統無縫對接，實現采制一體。

(3)檢測系統。檢測系統包括微波在線檢測煤的全水分和快速分析煤的灰分、全硫，并利用煤質數據相關性得到煤的發熱量。主要研究微波和無放射源快速檢測煤質參數的方法、指標的數據模型，建立適用于不同煤種并具有良好預測能力的定量分析模型；其中研究各種煤質參數的影響條件以及標定技術是檢測技術的核心、難點。

(4)車載系統。采用特種車輛底盤技術，具有高機動、高越野、高平順性和良好的環境適應性，以保證在高寒、高溫、高濕、高海拔等惡劣環境下正常工作；同時，研發車載實驗室環境系統和車載供電系統，確保實驗所需的恒溫、恒濕的試驗環境，保證制樣設備、煤質分析設備所需的動力。

使用的車載平臺如圖4所示。

圖4 激光誘導在線煤質分析儀工作原理

該車載平臺將移動式煤質分析實驗室所需的設備集成，機動性好、靈活性高，能到達所要分析煤堆附近。同時該車還配備了隨車發電機，為車載設備提供所需要的電力。

(5)系統集成。配套除塵系統、電控系統、專業軟件及輔助設施等并進行項目總體設計、工藝規劃，將煤質在線檢測子系統與機械化采制樣子系統進行接口設計、系統集成，編制專用控制系統和軟件進行系統的統一管理與控制。整機采用全密封設計，在子系統銜接處配置專用環保除塵系統，在關鍵設備及連接部位設置負壓吸塵模塊，確保移動實驗室內固體顆粒物的含量符合環保和職業衛生要求。利用機械化制樣技術和煤質快速檢測技術，解決煤質檢測結果滯后的難題，實現對精煤質量實時監控。

5 遠程智能數據分析系統

移動式智能煤炭分析實驗室內主機通過與外網互聯，利用專用數據分析軟件，實現現場制樣過程、煤質數據結果的遠程監控、共享，自動出具檢測報告。

整個過程全程視頻監控，并將視頻數據實時存儲于監控主機，同時視頻數據通過互聯網回傳至管理中心，可對圖像進行實時觀看、錄入、回放、調出及儲存等操作，從而實現移動互聯的視頻監控。

遠程智能數據分析系統由硬件防火墻、工業交換機、數據服務器、現場及遠程監控計算機、視頻采集和專用分析軟件、無線上網卡等組成，實現煤質數據遠程分析及監控功能。系統構成如圖5所示。

圖5 數據分析系統示意圖

6 總 結

該項目的移動式煤質分析技術及裝備將采樣、制樣、檢測三大功能一體化集成，實現了采制化的無縫銜接；解決了無源快速檢測技術，相對于中子活化、伽馬射線等放射源檢測，系統安全性、維護經濟性更高；同時檢測煤炭的發熱量、灰分、揮發分、硫、碳、氫等6個指標，從采樣、制樣到檢測出具檢測報告時間僅30 min左右，快速高效，對于煤質在線檢測的應用更具指導意義。