張蕊紅，王 健

(晉能控股山西科學技術研究院(晉城)技術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，其中劣質煤比例很大，通過配煤技術在滿足用戶用煤質量要求的同時加大劣質煤的使用比例，降低成本，優(yōu)化煤炭產(chǎn)品結構，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，煤質化驗指標的客觀性是買賣雙方極為關注的焦點，由此帶來的爭議時有發(fā)生。

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

1 實驗室人工煤質化驗分析的方法

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果的影響。在煤炭檢測中檢測結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果偏差[3]。

(3)傳統(tǒng)的煤炭質量檢測方法，需要經(jīng)過采樣、制樣、化驗三道工序，檢測結果得出時限約需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整，不利于化驗工作的信息化建設。煤質分析不夠及時，不利于快速調整選煤過程參數(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 在線煤質檢測分析方法

目前國內(nèi)外采用或在研發(fā)的在線煤質檢測技術主要有2類，第一類是采用γ雙能技術或煤中放射性物質檢測技術，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，已成為在研技術的主要發(fā)展方向。煤質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(PGNAA)、高能脈沖激光光譜技術(LIBS)和X射線熒光光譜技術(XRF)。表1為6種煤炭灰分在線檢測技術的對比[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的對比

目前已工業(yè)化且廣泛應用的在線分析技術主要包含瞬發(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。中子活化技術的測量精度較高，在煤質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在線檢測技術將成為發(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系我國國民經(jīng)濟和社會智能化的進程。智能煤質檢測系統(tǒng)的研究是近年來業(yè)內(nèi)普遍關注的課題。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，改善煤質檢測，提高生產(chǎn)效率[8]。

采用工業(yè)機器人技術、機器人應用技術、非標機械自動化技術配合煤炭行業(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，測量結果直接進入智能煤樣檢測管理系統(tǒng)進行信息化管理?；炦^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，保證化驗結果的客觀、及時、準確。同時可與企業(yè)的計劃、供應、生產(chǎn)、結算等部門實現(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

4 結 語

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

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

(2)在線檢測技術與傳統(tǒng)的化學分析方法相比，能夠實現(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)時代主流煤質化驗的方法。