淺談煤質自動分析技術的現狀和發展

陳功超 戴旻睿

摘要：煤質是煤炭銷售的經濟指標之一，是煤炭企業生存與發展的根基，它深刻地影響著煤炭企業的經濟效益和品牌形象。因此，對煤質進行有效的檢測，可以充分保證選煤廠的燃煤效率和發電廠運行的穩定性。傳統的煤質人工化驗方法存在工序多、結果滯后和偶然誤差等問題，鑒于此，對目前用于煤質自動分析的微波水分檢測技術、中子活化分析技術、激光誘導擊穿光譜技術和近紅外光譜分析技術進行了綜述，分析了這些技術各自的優缺點，最后指出自動化、智能化是煤炭質量分析未來發展的方向。

關鍵詞：煤質;經濟效益;自動分析技術;智能化

0 ? ?引言

煤質分析的主要內容是元素分析和工業分析。合理利用煤的工業分析和元素分析，可以掌握煤的物化性質以及有用元素的含量，由此指導鍋爐的運行，優化入爐煤的燃燒特征，提升煤的工業實用價值。電廠和選煤廠的煤質檢測指標主要是水分、灰分、揮發分、固定碳、發熱量、硫含量等工業分析數據。傳統的化學檢測方法檢測結果精度高，代表性強，具有很強的說服力，但是需要對試樣進行破碎、縮分、篩分、干燥、稱重等燃前準備，一方面存在人為因素所帶來的偶然誤差，另一方面還存在著一些工序復雜、結果滯后的影響。而在線數據自動分析技術能夠克服這些人為主觀性因素帶來的難題，還能對煤質進行經濟快速的實時分析，實現對現場配煤、燃燒鍋爐的負荷和參數的及時調整和優化。近年來，國家提出加快煤炭工業改革，促進煤炭工業智能化發展，迫切需要開發和應用煤質自動分析技術。現有并得到廣泛認可的在線自動分析技術主要有微波水分檢測技術、中子活化分析技術、激光誘導擊穿光譜技術和近紅外光譜分析技術，本文將對這幾種技術進行簡要分析。

1 ? ?微波水分檢測技術

1.1 ? ?微波水分儀的原理

微波是一種由電磁振蕩產生的高頻電磁波，試樣的介電常數決定了微波對試樣的吸收和反射特性。試樣中所含有的水分在微波頻率段的介電常數遠遠高于煤樣中的固體，因而，當微波通過含水物質時，由水分引起的微波能量的損耗是最顯著的，遠遠高于由煤樣中的固體引起的微波能量損耗。由電磁理論可知，微波穿透煤層后的強度衰減和相位偏移與煤炭中含水量存在確定的數學關系，由此可以建立合適的數學模型，利用編程技術擬合出強度衰減和相位偏移與水分含量的對應數學表達式或函數曲線，并由多次的強度衰減和相位偏移值計算出煤炭平均水分，將結果與人工化驗值進行對比及誤差分析。

1.2 ? ?實驗影響因素

多次實驗證明，微波的強度衰減和相位偏移的主要影響因素有煤層厚度、堆密度和表面形狀等。實驗結果表明，隨著煤層厚度的增加，強度衰減和相位偏移相應增大。原因是微波透射行程中所檢測的煤量增加，因此強度衰減和相位偏移隨之增加。另外，微波的強度衰減和相位偏移的大小與煤的松散度有關，一般而言，壓實煤樣比疏松煤樣大。這是由于壓實煤樣的堆密度較大，微波透射行程內煤的含水量占比較高，因而可以引起工作強度逐漸衰減和相位偏移增大。與規則平整煤樣相比，中間凸出20 mm的煤樣其強度衰減和相位偏移將增大，中間凹下20 mm的煤樣其強度衰減和相位偏移將減小。分析其原因后可知，煤層表面形狀由平整變為中間凸出20 mm后，微波傳輸行程中的煤量和含水量增多，因而強度衰減和相位偏移將增大，中間凹下20 mm則恰好相反[1]。

1.3 ? ?微波水分儀的不足、補償和前景

微波水分儀取樣標定的時間長，投入的工作需求量大，并且企業前期的投入成本費用相對較高。每次測量只能重新計算和重新校準，有很大的局限性。

煤層厚度、堆密度和形狀的變化是強度衰減和相位偏移產生變化的主要原因，從而導致水分測量不夠準確，影響最終結果。因此，可以在微波水分儀中安裝超聲波傳感器和閃爍計數器，以補償煤層厚度、體積密度和形狀變化帶來的影響，進而完善測量的準確度[2]。

微波技術在煤水分檢測中的應用已顯示出很大的優勢，但由于以往實驗研究儀器經費過高，一定程度上阻礙了微波技術的發展。隨著新時期對微波技術的探索，微波技術的優勢地位日益突出，微波檢測技術的智能化表現在朝高精度、高分辨率和高速度的方向不斷發展，具有非常廣闊的經濟前景。

2 ? ?中子活化分析技術

2.1 ? ?中子活化分析原理

儀器中子活化分析稱為“中子激活分析”，利用中子輻照樣品引起劇烈的核反應，使樣品激活和輻射能量，用γ射線光譜儀確定其光譜，根據光譜峰值確定標本的組成，對物質元素進行定性和定量分析。

2.2 ? ?中子分析儀的應用

中子活化分析技術已在國內發電廠、選煤廠得到應用，以DF-5703（B）中子活化旁線煤質分析儀為例，探索中子活化分析儀的測量指標精度。利用汽車取樣器對幾十輛卡車的煤抽取試樣，用中子分析儀和人工化驗兩種方法分別進行試樣的灰分、水分、硫含量和發熱量的結果測量。將兩種化驗結果進行對比，50組數據的各工業指標誤差如下：含硫量、水分、灰分、熱值的測量誤差分別為0.05%、0.32%、0.45%、284.2 kJ/kg[3]。可以明顯看出，自動檢測數值與人工化驗數值之間存在著一些很小的誤差，體現出中子活化分析儀的測量精度較高。

2.3 ? ?中子分析儀的優越性和不足

中子活化旁線煤質分析儀以其穩定性好、測量準確度高、適應性強等優點得到了廣泛的認可，可用于測定煤的灰分、水分、全硫分、發熱量等指標。該項技術沒有取樣、制樣等人為影響因素的干擾，分析研究結果可以更加客觀準確。

但是這項技術具有放射性，其應用受到輻射帶來的安全問題的限制，樣品需要測量不同半衰期的核素，而且大多數元素的分析周期較長，希望未來的中子活化分析技術能夠盡快突破輻射安全問題。