煤炭質(zhì)量檢測分析技術(shù)的發(fā)展及趨勢

張蕊紅，王 健

(晉能控股山西科學技術(shù)研究院(晉城)技術(shù)研究院有限責任公司，山西 晉城 048006)

煤炭是我國目前發(fā)展經(jīng)濟的主要動力能源，也是維持我國國民經(jīng)濟社會發(fā)展的重要能源。選煤廠洗選產(chǎn)品分多種品質(zhì)，其中劣質(zhì)煤比例很大，通過配煤技術(shù)在滿足用戶用煤質(zhì)量要求的同時加大劣質(zhì)煤的使用比例，降低成本，優(yōu)化煤炭產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，從而提高煤炭企業(yè)的經(jīng)濟效益。選煤廠配煤系統(tǒng)混配后的燃煤各項質(zhì)量指標(發(fā)熱量、全硫、水分、灰分、揮發(fā)分等)是否達到預設指標，需要進行檢測分析后才能知曉。

煤質(zhì)分析中最主要的就是元素分析和工業(yè)分析，工業(yè)分析主要是對灰分、水分、揮發(fā)分及固定碳進行分析，依據(jù)工業(yè)分析，對于煤的性質(zhì)及特點可以很好地了解，并確定其使用價值[1]。同時隨著環(huán)保要求的提升，硫元素檢測的需求也日益凸顯[2]。作為大宗商品，煤質(zhì)化驗指標的客觀性是買賣雙方極為關(guān)注的焦點，由此帶來的爭議時有發(fā)生。

目前煤質(zhì)檢測主要有傳統(tǒng)實驗室人工煤質(zhì)化驗分析、煤質(zhì)在線分析及智能煤質(zhì)化驗分析3種方法。本文將對3種煤質(zhì)化驗分析方法進行介紹，給出未來煤質(zhì)檢測分析的發(fā)展方向。

1 實驗室人工煤質(zhì)化驗分析的方法

目前國內(nèi)電力、煤炭、化工、鋼鐵等行業(yè)煤質(zhì)化驗工作均采用人工+儀器的方式進行指標檢測，主要依靠人工操作儀器設備的方法完成，特別是檢測工作量大的灰分、水分、全硫、發(fā)熱量、揮發(fā)分等常規(guī)項目。這就帶來以下問題：

(1)對于大量煤樣的檢測，需要配置多名化驗人員，勞動強度大。

(2)難以避免人為因素對化驗結(jié)果的影響。在煤炭檢測中檢測結(jié)果偏差較大是最為突出的問題，除了實驗室檢測儀器和人員操作差異，在煤炭產(chǎn)品采樣、制樣過程中由于操作不規(guī)范，取樣不標準等也會造成結(jié)果偏差[3]。

(3)傳統(tǒng)的煤炭質(zhì)量檢測方法，需要經(jīng)過采樣、制樣、化驗三道工序，檢測結(jié)果得出時限約需3～4 h，其時效性是完全無法滿足配煤系統(tǒng)所需的實時、快速檢測需求，無法對配煤工藝進行實時調(diào)整，不利于化驗工作的信息化建設。煤質(zhì)分析不夠及時，不利于快速調(diào)整選煤過程參數(shù)，容易造成分選精度的降低和高價格產(chǎn)品產(chǎn)率的損失[4]。

2 在線煤質(zhì)檢測分析方法

目前國內(nèi)外采用或在研發(fā)的在線煤質(zhì)檢測技術(shù)主要有2類，第一類是采用γ雙能技術(shù)或煤中放射性物質(zhì)檢測技術(shù)，只分析煤中灰分占比；第二類是通過光譜法分析煤中元素成分，再擬合出煤中灰分和熱值等指標。第一類技術(shù)只能分析灰分，不能分析煤中硫的指標，對于較復雜的煤源，校準難度較大。第二類技術(shù)適應煤種廣，可分析煤中硫、灰分、熱值等指標，已成為在研技術(shù)的主要發(fā)展方向。煤質(zhì)在線元素分析方法基本方法都是光譜分析，因為激發(fā)光譜的方法不同，又分為中子活化技術(shù)(PGNAA)、高能脈沖激光光譜技術(shù)(LIBS)和X射線熒光光譜技術(shù)(XRF)。表1為6種煤炭灰分在線檢測技術(shù)的對比[5]。煤中水分測量廣泛采用微波投射法，測量精度和適用范圍均可滿足現(xiàn)場要求[6]。

表1 6種煤炭在線檢測技術(shù)的對比

目前已工業(yè)化且廣泛應用的在線分析技術(shù)主要包含瞬發(fā)射線中子活化分析法(PGNAA)和雙能量γ射線透射法，二者均為有放射源的核輻射檢測技術(shù)。中子活化技術(shù)的測量精度較高，在煤質(zhì)測量時可測得多種元素成分，但其因中子穿透力強，對人類的危害較大，因此在使用時對屏蔽防護要求較高[7]。

基于無放射源的煤質(zhì)在線檢測技術(shù)將成為發(fā)展方向，以多能X射線吸收法(MXRA)、X射線熒光法(XRF)和激光誘導擊穿光譜分析法(LABS)為代表的無源或準無源的在線檢測技術(shù)已經(jīng)興起，并有初步應用[6]，其精確性和安全性還有待驗證。

3 智能煤質(zhì)化驗分析方法

2020年3月國家發(fā)改委、能源局等8部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》中明確指出煤炭行業(yè)作為我國重要的傳統(tǒng)能源行業(yè)，是我國國民經(jīng)濟的重要組成部分，其智能化建設直接關(guān)系我國國民經(jīng)濟和社會智能化的進程。智能煤質(zhì)檢測系統(tǒng)的研究是近年來業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的課題。在新時期，煤礦企業(yè)要實現(xiàn)自動化、數(shù)字化建設，就要加強自動化測試儀的使用，提高煤質(zhì)檢測的準確性和可靠性，同時有效彌補手工檢測的缺點，改善煤質(zhì)檢測，提高生產(chǎn)效率[8]。

采用工業(yè)機器人技術(shù)、機器人應用技術(shù)、非標機械自動化技術(shù)配合煤炭行業(yè)標準化驗儀器，用機器人及自動化機械直接或者間接模擬化驗人員的化驗操作流程，從而完成各項化驗指 標的自動化測量，測量結(jié)果直接進入信息管理系統(tǒng)。整個化驗過程操作人員無需直接接觸化驗煤樣，從根本上解決了人為因素對化驗結(jié)果的影響[5]。

整個系統(tǒng)由智能煤樣檢測管理系統(tǒng)和化驗工作站組成。工作站包括水硫工作站、灰揮工作站、量熱工作站。各工作站的核心模塊包括微量稱重系統(tǒng)、拆裝蓋系統(tǒng)、機器人模塊、分析儀器、煤樣輸送系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、RFID掃碼系統(tǒng)、物料清洗系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)[9]。

智能煤樣檢測系統(tǒng)主要完成煤樣的全硫、水分、灰分、揮發(fā)分、發(fā)熱量及6 mm全水樣的全水分指標的自動化驗及相關(guān)信息管理。系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)機器人應用及非標自動化技術(shù)配合煤炭行業(yè)標準化驗儀器，用機器人及自動化機械直接或者間接模擬化驗人員的化驗操作流程，從而完成各化驗指標的自動化測量，測量結(jié)果直接進入智能煤樣檢測管理系統(tǒng)進行信息化管理。化驗過程用到的坩堝、灰皿、稱量瓶、燃燒舟、氧彈等實現(xiàn)站內(nèi)自清洗并達到回收利用要求，無需人工參與，實現(xiàn)化驗過程人料分離，徹底杜絕人為因素的干擾，保證化驗結(jié)果的客觀、及時、準確。同時可與企業(yè)的計劃、供應、生產(chǎn)、結(jié)算等部門實現(xiàn)信息共享，借助大數(shù)據(jù)分析及輔助決策系統(tǒng)為企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營提供可靠保障。

圖1 無人值守智能煤樣檢測系統(tǒng)總體架構(gòu)

4 結(jié) 語

通過分析現(xiàn)有3種煤質(zhì)檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，主要結(jié)論有以下3點：

(1)實驗室人工煤質(zhì)化驗分析的方法由于勞動強度大、時效性差等劣勢，在現(xiàn)階段煤質(zhì)要求較高的情況下已不能滿足煤質(zhì)檢測要求。

(2)在線檢測技術(shù)與傳統(tǒng)的化學分析方法相比，能夠?qū)崿F(xiàn)煤灰分、水分等信息的快速檢測，解決了傳統(tǒng)方法的采樣、制樣、化驗工序復雜問題，規(guī)避了結(jié)果滯后所導致的一系列問題，在大幅減輕工人勞動強度的同時可避免人為因素的干擾，檢測結(jié)果更客觀；但由于放射源及檢測精度的問題，未來發(fā)展方向有待商榷。

(3)智能化煤質(zhì)化驗分析既可解決化驗數(shù)據(jù)的客觀性、及時性、準確性，同時也可大力提升煤質(zhì)化驗工作的信息化、智能化水平，將會是未來大數(shù)據(jù)時代主流煤質(zhì)化驗的方法。