王 越，白向飛，張宇宏，王 巖

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013;2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

傳統(tǒng)煤巖組分采用人眼識(shí)別和手工測(cè)試相結(jié)合的測(cè)試方法，存在測(cè)試效率低、煤巖組分識(shí)別的主觀性強(qiáng)、測(cè)試過(guò)程不可追溯、操作人員易疲勞、測(cè)試人員的鑒定水平提高慢、測(cè)試結(jié)果難以走向?qū)嶋H應(yīng)用等問(wèn)題[1,2]。

煤巖工作者追求的目標(biāo)主要包括減少煤巖組分識(shí)別的主觀性、實(shí)現(xiàn)煤巖組分快速并準(zhǔn)確測(cè)定、降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度等，故全自動(dòng)煤巖系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[3-6]。以光度計(jì)為基礎(chǔ)的自動(dòng)測(cè)試僅能獲取鏡質(zhì)體反射率參數(shù)，因而也僅能利用反射率進(jìn)行組分識(shí)別，忽略了樣品的均勻程度、各向異性、光照條件及焦距等對(duì)測(cè)試所造成的較大影響[3,4]。此外，該方法對(duì)測(cè)試過(guò)程中隨機(jī)誤差(光源、成像質(zhì)量的瞬時(shí)波動(dòng))缺乏實(shí)時(shí)響應(yīng)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隨機(jī)誤差并將之排除，因而反射率測(cè)試的精度較低；不同顯微組分的反射率存在重疊現(xiàn)象，僅依靠反射率單一參數(shù)不能實(shí)現(xiàn)煤巖組分自動(dòng)識(shí)別的目標(biāo)[7-11]。

圖像處理技術(shù)不僅能獲取煤巖顯微組分的反射率信息，還能得到測(cè)點(diǎn)位置、組分形態(tài)學(xué)或幾何學(xué)參數(shù)，具有測(cè)試效率高、測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度高、全自動(dòng)化、結(jié)果可追溯等顯著優(yōu)勢(shì)，是今后煤巖自動(dòng)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展方向[12]?，F(xiàn)以煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)煤科院)開(kāi)發(fā)的BRICC-M型全自動(dòng)煤巖分析系統(tǒng)為例加以說(shuō)明，該系統(tǒng)基于數(shù)字圖像處理技術(shù)(DIP技術(shù))，測(cè)試圖像可存儲(chǔ)、測(cè)試結(jié)果可追溯，屬于真正的圖像分析法。

1 BRICC-M型煤巖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 測(cè)試系統(tǒng)功能

BRICC-M型煤巖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有以下6個(gè)功能:① 圖像自動(dòng)掃描采集:采集過(guò)程實(shí)時(shí)跟蹤自動(dòng)調(diào)焦；② 鏡質(zhì)體反射率自動(dòng)測(cè)試:測(cè)試結(jié)果與人工測(cè)試結(jié)果可比性強(qiáng)，且過(guò)程可追溯；③ 混煤判別:多種判別模式供用戶(hù)選擇，判別結(jié)果準(zhǔn)確度高；④ 煤巖顯微組分和焦炭光學(xué)組織定量統(tǒng)計(jì)，且過(guò)程可追溯；⑤ 同一套系統(tǒng)可同時(shí)服務(wù)于檢測(cè)、配煤、運(yùn)銷(xiāo)、管理等多個(gè)環(huán)節(jié)和部門(mén)，使煤巖測(cè)試結(jié)果真正走向生產(chǎn)應(yīng)用；⑥ 配煤鏡質(zhì)體反射率模擬與工藝參數(shù)預(yù)測(cè)。

1.2 測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

BRICC-M型煤巖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點(diǎn):

(1)測(cè)值準(zhǔn)確:對(duì)各種可能影響自動(dòng)測(cè)試精度的因素(如掃描速度、樣品平整度、測(cè)點(diǎn)位置、顯微組分結(jié)合關(guān)系等)采取應(yīng)對(duì)的技術(shù)措施，保證測(cè)值準(zhǔn)確。

(2)測(cè)試過(guò)程可追溯:測(cè)試結(jié)果和混煤判別結(jié)果可直接加載到圖像上，用戶(hù)可調(diào)出圖像來(lái)分析測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性及影響因素，尤其可調(diào)出爭(zhēng)議煤種專(zhuān)門(mén)進(jìn)行審核、交流。

(3)測(cè)點(diǎn)分布和圖像質(zhì)量符合測(cè)試要求:XYZ三軸電動(dòng)平臺(tái)精密度高，復(fù)位精度高，測(cè)點(diǎn)布置均勻，采用實(shí)時(shí)跟蹤自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)結(jié)合過(guò)濾虛焦技術(shù)，確保采集的圖像質(zhì)量滿足測(cè)試要求。

(4)測(cè)試流程靈活合理:既可將圖像采集與處理過(guò)程集成，也可在圖像采集后進(jìn)行離線(脫離顯微鏡)圖像處理，在計(jì)算機(jī)上完成煤巖測(cè)試過(guò)程，提高了測(cè)試效率和精度。

(5)硬件質(zhì)量:自動(dòng)掃描平臺(tái)與圖像采集設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，確保穩(wěn)定工作時(shí)間與傳統(tǒng)光度計(jì)相當(dāng)。

(6)結(jié)果應(yīng)用:用戶(hù)可通過(guò)共用1個(gè)顯微鏡和圖像系統(tǒng)，在不同部門(mén)分別進(jìn)行各自需要的工作，如結(jié)果審核、配煤指導(dǎo)、混煤爭(zhēng)議解決等，提高煤巖分析結(jié)果的應(yīng)用性能。

1.3 與其他測(cè)試系統(tǒng)對(duì)比

BRICC-M型煤巖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和應(yīng)用便利性將得到極大提高，能夠在保證測(cè)試精度的前提下實(shí)現(xiàn)快速測(cè)試，并用于合理指導(dǎo)配煤，與其他測(cè)試系統(tǒng)的對(duì)比見(jiàn)表1。

2 系統(tǒng)在煤焦異常判斷中的應(yīng)用

BRICC-M型煤巖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)嚴(yán)格遵循煤巖學(xué)的測(cè)試原理，不僅能夠快速、準(zhǔn)確定量，且測(cè)試過(guò)程可追溯、測(cè)試結(jié)果可審核，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確判定和應(yīng)用提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐。近年來(lái)，BRICC-M型煤巖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的客戶(hù)在生產(chǎn)實(shí)踐中遇到較多的異常樣品，均可通過(guò)圖像系統(tǒng)得到圓滿的解決?，F(xiàn)選取典型的案例進(jìn)行說(shuō)明，所選案例均為企業(yè)的真實(shí)案例。

2.1 焦炭異常判別

某企業(yè)在焦?fàn)t的不同部位均發(fā)現(xiàn)塊焦中出現(xiàn)不同粒度的“黑炭”(如圖1所示)，焦炭的機(jī)械強(qiáng)度略有下降，但焦炭熱反應(yīng)性增高，反應(yīng)后強(qiáng)度降低，反應(yīng)后殘焦中“黑炭”減少。

在耐馳STA 499 F3熱重分析儀上分別對(duì)正常塊焦和“黑炭”進(jìn)行反應(yīng)特性研究，從室溫以20 ℃/min的升溫速率升高到1 000 ℃，熱重曲線反應(yīng)特性參數(shù)見(jiàn)表2。

在BRICC-M型煤巖自動(dòng)分析系統(tǒng)中，對(duì)“黑炭”進(jìn)行分析，如圖2所示。

在10倍干物鏡下對(duì)“黑炭”的氣孔率進(jìn)行測(cè)試，如圖3所示及詳見(jiàn)表3。由圖3可知，“黑炭”的氣孔率與大多數(shù)焦炭處于同一水平，但“黑炭”在鏡下光學(xué)組織為各向同性；除了獨(dú)立分布的各向同性組分，還可見(jiàn)較多細(xì)粒狀、被各向異性組織包裹的各向同性組織。因而除了肉眼可見(jiàn)的、單獨(dú)分布的“黑炭”以外，還有很多以細(xì)粒狀分布于焦炭中的“黑炭”，此種組分及其顯微組織對(duì)焦炭反應(yīng)性能的影響更多為負(fù)面。該批入爐煤的細(xì)度為80%，基本滿足要求，但其中存在部分大顆粒；大顆粒的“黑炭”應(yīng)該主要來(lái)自粗顆粒，而非熔融黏結(jié)形成。

表1 煤巖測(cè)試系統(tǒng)對(duì)比
Table 1 Comparison of coal petrography testing systems

項(xiàng)目BRICC-M型其他系統(tǒng)樣品移動(dòng)自動(dòng)物臺(tái)自動(dòng)移動(dòng)人工移動(dòng)調(diào)焦技術(shù)自動(dòng)調(diào)焦、自動(dòng)采集人工準(zhǔn)焦反射率測(cè)試無(wú)需人工干預(yù),自動(dòng)識(shí)別鏡質(zhì)體并測(cè)試其反射率,自動(dòng)形成反射率測(cè)試報(bào)告人工選點(diǎn)、手動(dòng)出結(jié)果過(guò)程監(jiān)控圖像保存,隨時(shí)監(jiān)控很難實(shí)現(xiàn)結(jié)果審核隨時(shí)調(diào)取圖像,對(duì)“爭(zhēng)議”數(shù)據(jù)和煤種進(jìn)行審核靠重復(fù)測(cè)試實(shí)現(xiàn)混煤剝離與判別高斯擬合、后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)輔助判別直方圖切割配煤擬合專(zhuān)用模塊計(jì)算人工計(jì)算工作曲線建立實(shí)時(shí)工作曲線固定工作曲線或者選定工作曲線測(cè)試速度圖像自動(dòng)掃描(20～30)min,圖像處理(2～3)min、合計(jì)(25～35)min/樣品顯微組分(40～60)min,混煤反射率(60～90)min,合計(jì)(100～150)min測(cè)試點(diǎn)數(shù)(3～10)萬(wàn)點(diǎn)250點(diǎn)或500點(diǎn)指導(dǎo)配煤提供各煤種及其顯微組成原始圖像、計(jì)算各煤種含量并與顯微圖像鏈接審核、自動(dòng)計(jì)算相關(guān)配煤技術(shù)參數(shù)僅提供測(cè)試數(shù)據(jù)及初步的煤種判別擴(kuò)展功能焦炭顯微組成及氣孔率自動(dòng)測(cè)試較少

表2 正常塊焦和“黑炭”的反應(yīng)特性參數(shù)
Table 2 Characteristic parameters of lump coke and “black carbon”

項(xiàng)目工業(yè)分析/%MadAdVdafFCd反應(yīng)特性參數(shù)初始反應(yīng)溫度/℃最大反應(yīng)速率/%最大反應(yīng)溫度/℃反應(yīng)終止溫度/℃塊焦0.0612.131.1286.8963810.54710790“黑炭”0.6114.782.0183.515909.82640766

圖2 “黑炭”的光學(xué)組織特征Fig.2 Optical texture of “black carbon”

圖3 “黑炭”的氣孔率測(cè)試界面Fig.3 The porosity determination of “black carbon”

表3 焦炭氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果
Table 3 The results of pore structure parameters of coke

氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值平均氣孔直徑/μm41.72平均氣孔壁厚/μm69.46氣孔率/%37.52

表4 入爐煤的煤質(zhì)特征
Table 4 The qualities of the coal used

項(xiàng)目工業(yè)分析Mad/%Ad/%Vdaf/%CRCRoran/%入爐煤1.2510.0324.5761.216 mm～13 mm1.4311.2326.9960.97

圖4 入爐煤的粒度組成Fig.4 Size composition of the coal used

在BRICC-M型煤巖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，定位并篩選相應(yīng)的煤種，如圖6所示。由圖6可知，該低階煉焦煤的顯微組成特殊，含較多的樹(shù)脂體(殼質(zhì)組的組分之一)；變質(zhì)程度低，鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組含量高，韌性強(qiáng)，可磨性低，導(dǎo)致該煤種不易破碎，易在大顆粒中富集，在總體細(xì)度基本合格的情況下，比其他入爐煤的粒徑大。干餾過(guò)程不發(fā)生熔融，與其他煤粒的結(jié)合界面過(guò)于分明，導(dǎo)致大粒徑“黑炭”多見(jiàn)，“黑炭”的反應(yīng)性明顯高于周邊正常焦炭。粒徑大以及本身反應(yīng)活性高，導(dǎo)致焦炭強(qiáng)度和反應(yīng)性較差。

2.2 混入焦炭(半焦)的情況

某焦化企業(yè)入廠煤的指標(biāo)檢測(cè)見(jiàn)表5，采用40 kg焦?fàn)t進(jìn)行成焦實(shí)驗(yàn)后的焦炭質(zhì)量指標(biāo)見(jiàn)表6。由表5可知， 該煤的灰分、全硫及揮發(fā)分產(chǎn)率均處于較合適的區(qū)間， 黏結(jié)指數(shù)、膠質(zhì)層指數(shù)和奧亞膨脹度較優(yōu)良，是1種優(yōu)質(zhì)的焦煤煤種。但在40 kg焦?fàn)t中成焦特性極差， M40極低、M10極高,無(wú)法進(jìn)行焦炭熱反應(yīng)性(CRI)和反應(yīng)后強(qiáng)度(CSR)測(cè)試。

圖5 入爐煤及(6～13)mm粒級(jí)的鏡質(zhì)體反射率對(duì)比Fig.5 The vitrinite reflectance of the coal used and samples of (6～13)mm

圖6 BRICC-M型煤巖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)篩選產(chǎn)生“黑炭”的煤種Fig.6 The coal type of “black carbon” selected by BRICC-M coal automated determination system

表5 某焦化企業(yè)入廠煤的質(zhì)量指標(biāo)Table 5 The qualities of coal used by a coking company

表6 焦煤樣品的成焦質(zhì)量特征
Table 6 The qualities of coking coal

灰分(Ad)/%揮發(fā)分(Vdaf)/%全硫(St,d)/%M40/%M10/%CRI/%CSR/%11.561.281.232059.2未成焦未成焦

表7 焦煤樣品的鏡質(zhì)體反射率特征
Table 7 The vitrinite reflectance of coking coal

Roran/%標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)最小值/%最大值/%總測(cè)點(diǎn)數(shù)1.2280.0950.0780.951.58120 068

圖7 焦煤樣品的鏡質(zhì)體反射率分布圖Fig.7 The distribution of vitrinite reflectance of the coking coal used

焦煤樣品中混入大量高反射率的焦炭(半焦)顆粒，則易導(dǎo)致焦炭機(jī)械強(qiáng)度和熱強(qiáng)度降低。煤巖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)篩選時(shí)典型異常圖像如圖8所示。

圖8 煤巖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)篩選時(shí)典型異常圖像Fig.8 The typical abnormal pictures by coal automated determination system

2.3 化產(chǎn)油氣收率高

某搗固煉焦企業(yè)新購(gòu)入一批氣煤樣品，使用之后焦?fàn)t煤氣及焦油產(chǎn)率分別增加3%和2%。采用BRICC-M型煤巖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)該典型氣煤進(jìn)行煤巖分析，結(jié)果如圖9所示及詳見(jiàn)表8,篩選后的典型圖像如圖10所示。

圖9 典型氣煤樣品的鏡質(zhì)體反射率分布圖Fig.9 The distribution of vitrinite reflectance of the gas coal used

表8 某焦化企業(yè)氣煤樣品的鏡質(zhì)體反射率特征Table 8 The vitrinite reflectance of gas coal used by a coking company

圖10 篩選后的典型圖像Fig.10 The selected typical pictures

3 結(jié)論與建議

化驗(yàn)結(jié)果是焦化廠技術(shù)管理人員的“眼睛”，所以化驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性對(duì)于煤質(zhì)管理及煉焦配煤方案制定至關(guān)重要。鏡質(zhì)體反射率在入廠煤監(jiān)測(cè)和配煤中具有不可替代的作用，從取樣、制樣、化驗(yàn)、結(jié)果表述、指標(biāo)理解等不同層面規(guī)范操作流程，確?；?yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，并能夠用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

根據(jù)當(dāng)前各種配煤技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)以及相關(guān)指標(biāo)的應(yīng)用潛力，新型煉焦配煤技術(shù)體系的構(gòu)建應(yīng)滿足焦炭品質(zhì)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性高、煤源變動(dòng)適應(yīng)性強(qiáng)、成本-安全-環(huán)保因素協(xié)同考慮及實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。從煤的成因因素出發(fā)，基于煤巖與吉式流動(dòng)度的新型配煤體系是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì):該體系以常規(guī)煤巖學(xué)指標(biāo)對(duì)原料煤的組成和變質(zhì)程度進(jìn)行科學(xué)表征，以吉式流動(dòng)度指標(biāo)對(duì)煉焦煤熱解過(guò)程膠質(zhì)體的質(zhì)量進(jìn)行全面解析，同時(shí)關(guān)聯(lián)成煤時(shí)代、產(chǎn)地等因素對(duì)煤沉積環(huán)境進(jìn)行論述，結(jié)合黏結(jié)指數(shù)、膠質(zhì)層指數(shù)等其他常規(guī)煉焦工藝指標(biāo)和煉焦精煤灰成分等因素，實(shí)現(xiàn)焦炭性能與原料煤特性的科學(xué)、深入聯(lián)結(jié)，形成可追根溯源以表征原料煤性質(zhì)、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)焦炭質(zhì)量、解釋特殊煉焦煤成因并提出應(yīng)對(duì)措施的煤巖配煤綜合體系。