張蕊紅，王 健

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

煤炭是我國(guó)目前發(fā)展經(jīng)濟(jì)的主要?jiǎng)恿δ茉?，也是維持我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(guò)配煤技術(shù)在滿足用戶用煤質(zhì)量要求的同時(shí)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(jì)效益。選煤廠配煤系統(tǒng)混配后的燃煤各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)(發(fā)熱量、全硫、水分、灰分、揮發(fā)分等)是否達(dá)到預(yù)設(shè)指標(biāo)，需要進(jìn)行檢測(cè)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(duì)灰分、水分、揮發(fā)分及固定碳進(jìn)行分析，依據(jù)工業(yè)分析，對(duì)于煤的性質(zhì)及特點(diǎn)可以很好地了解，并確定其使用價(jià)值[1]。同時(shí)隨著環(huán)保要求的提升，硫元素檢測(cè)的需求也日益凸顯[2]。作為大宗商品，煤質(zhì)化驗(yàn)指標(biāo)的客觀性是買賣雙方極為關(guān)注的焦點(diǎn)，由此帶來(lái)的爭(zhēng)議時(shí)有發(fā)生。

目前煤質(zhì)檢測(cè)主要有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室人工煤質(zhì)化驗(yàn)分析、煤質(zhì)在線分析及智能煤質(zhì)化驗(yàn)分析3種方法。本文將對(duì)3種煤質(zhì)化驗(yàn)分析方法進(jìn)行介紹，給出未來(lái)煤質(zhì)檢測(cè)分析的發(fā)展方向。

1 實(shí)驗(yàn)室人工煤質(zhì)化驗(yàn)分析的方法

目前國(guó)內(nèi)電力、煤炭、化工、鋼鐵等行業(yè)煤質(zhì)化驗(yàn)工作均采用人工+儀器的方式進(jìn)行指標(biāo)檢測(cè)，主要依靠人工操作儀器設(shè)備的方法完成，特別是檢測(cè)工作量大的灰分、水分、全硫、發(fā)熱量、揮發(fā)分等常規(guī)項(xiàng)目。這就帶來(lái)以下問(wèn)題：

(1)對(duì)于大量煤樣的檢測(cè)，需要配置多名化驗(yàn)人員，勞動(dòng)強(qiáng)度大。

(2)難以避免人為因素對(duì)化驗(yàn)結(jié)果的影響。在煤炭檢測(cè)中檢測(cè)結(jié)果偏差較大是最為突出的問(wèn)題，除了實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)儀器和人員操作差異，在煤炭產(chǎn)品采樣、制樣過(guò)程中由于操作不規(guī)范，取樣不標(biāo)準(zhǔn)等也會(huì)造成結(jié)果偏差[3]。

(3)傳統(tǒng)的煤炭質(zhì)量檢測(cè)方法，需要經(jīng)過(guò)采樣、制樣、化驗(yàn)三道工序，檢測(cè)結(jié)果得出時(shí)限約需3～4 h，其時(shí)效性是完全無(wú)法滿足配煤系統(tǒng)所需的實(shí)時(shí)、快速檢測(cè)需求，無(wú)法對(duì)配煤工藝進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，不利于化驗(yàn)工作的信息化建設(shè)。煤質(zhì)分析不夠及時(shí)，不利于快速調(diào)整選煤過(guò)程參數(shù)，容易造成分選精度的降低和高價(jià)格產(chǎn)品產(chǎn)率的損失[4]。

2 在線煤質(zhì)檢測(cè)分析方法

目前國(guó)內(nèi)外采用或在研發(fā)的在線煤質(zhì)檢測(cè)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(cè)技術(shù)，只分析煤中灰分占比；第二類是通過(guò)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(biāo)。第一類技術(shù)只能分析灰分，不能分析煤中硫的指標(biāo)，對(duì)于較復(fù)雜的煤源，校準(zhǔn)難度較大。第二類技術(shù)適應(yīng)煤種廣，可分析煤中硫、灰分、熱值等指標(biāo)，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?yàn)榧ぐl(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(cè)技術(shù)的對(duì)比[5]。煤中水分測(cè)量廣泛采用微波投射法，測(cè)量精度和適用范圍均可滿足現(xiàn)場(chǎng)要求[6]。

表1 6種煤炭在線檢測(cè)技術(shù)的對(duì)比

目前已工業(yè)化且廣泛應(yīng)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(cè)技術(shù)。中子活化技術(shù)的測(cè)量精度較高，在煤質(zhì)測(cè)量時(shí)可測(cè)得多種元素成分，但其因中子穿透力強(qiáng)，對(duì)人類的危害較大，因此在使用時(shí)對(duì)屏蔽防護(hù)要求較高[7]。

基于無(wú)放射源的煤質(zhì)在線檢測(cè)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(dǎo)擊穿光譜分析法(LABS)為代表的無(wú)源或準(zhǔn)無(wú)源的在線檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)興起，并有初步應(yīng)用[6]，其精確性和安全性還有待驗(yàn)證。

3 智能煤質(zhì)化驗(yàn)分析方法

2020年3月國(guó)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(dǎo)意見(jiàn)》中明確指出煤炭行業(yè)作為我國(guó)重要的傳統(tǒng)能源行業(yè)，是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，其智能化建設(shè)直接關(guān)系我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)智能化的進(jìn)程。智能煤質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)的研究是近年來(lái)業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的課題。在新時(shí)期，煤礦企業(yè)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、數(shù)字化建設(shè)，就要加強(qiáng)自動(dòng)化測(cè)試儀的使用，提高煤質(zhì)檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)有效彌補(bǔ)手工檢測(cè)的缺點(diǎn)，改善煤質(zhì)檢測(cè)，提高生產(chǎn)效率[8]。

采用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)、非標(biāo)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)配合煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化驗(yàn)儀器，用機(jī)器人及自動(dòng)化機(jī)械直接或者間接模擬化驗(yàn)人員的化驗(yàn)操作流程，從而完成各項(xiàng)化驗(yàn)指 標(biāo)的自動(dòng)化測(cè)量，測(cè)量結(jié)果直接進(jìn)入信息管理系統(tǒng)。整個(gè)化驗(yàn)過(guò)程操作人員無(wú)需直接接觸化驗(yàn)煤樣，從根本上解決了人為因素對(duì)化驗(yàn)結(jié)果的影響[5]。

整個(gè)系統(tǒng)由智能煤樣檢測(cè)管理系統(tǒng)和化驗(yàn)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(jī)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(cè)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(biāo)的自動(dòng)化驗(yàn)及相關(guān)信息管理。系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用及非標(biāo)自動(dòng)化技術(shù)配合煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化驗(yàn)儀器，用機(jī)器人及自動(dòng)化機(jī)械直接或者間接模擬化驗(yàn)人員的化驗(yàn)操作流程，從而完成各化驗(yàn)指標(biāo)的自動(dòng)化測(cè)量，測(cè)量結(jié)果直接進(jìn)入智能煤樣檢測(cè)管理系統(tǒng)進(jìn)行信息化管理?；?yàn)過(guò)程用到的坩堝、灰皿、稱量瓶、燃燒舟、氧彈等實(shí)現(xiàn)站內(nèi)自清洗并達(dá)到回收利用要求，無(wú)需人工參與，實(shí)現(xiàn)化驗(yàn)過(guò)程人料分離，徹底杜絕人為因素的干擾，保證化驗(yàn)結(jié)果的客觀、及時(shí)、準(zhǔn)確。同時(shí)可與企業(yè)的計(jì)劃、供應(yīng)、生產(chǎn)、結(jié)算等部門實(shí)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(yíng)提供可靠保障。

圖1 無(wú)人值守智能煤樣檢測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)

4 結(jié) 語(yǔ)

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

(1)實(shí)驗(yàn)室人工煤質(zhì)化驗(yàn)分析的方法由于勞動(dòng)強(qiáng)度大、時(shí)效性差等劣勢(shì)，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(cè)要求。

(2)在線檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)的化學(xué)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(cè)，解決了傳統(tǒng)方法的采樣、制樣、化驗(yàn)工序復(fù)雜問(wèn)題，規(guī)避了結(jié)果滯后所導(dǎo)致的一系列問(wèn)題，在大幅減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)可避免人為因素的干擾，檢測(cè)結(jié)果更客觀；但由于放射源及檢測(cè)精度的問(wèn)題，未來(lái)發(fā)展方向有待商榷。

(3)智能化煤質(zhì)化驗(yàn)分析既可解決化驗(yàn)數(shù)據(jù)的客觀性、及時(shí)性、準(zhǔn)確性，同時(shí)也可大力提升煤質(zhì)化驗(yàn)工作的信息化、智能化水平，將會(huì)是未來(lái)大數(shù)據(jù)時(shí)代主流煤質(zhì)化驗(yàn)的方法。