蔡志丹，張永剛，王利斌，涂 華，趙 奇

(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.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013;3.煤炭工業(yè)節(jié)能監(jiān)測中心，北京 100013)

0 引 言

“十三五”時期是煤炭工業(yè)發(fā)展史上具有劃時代意義的5年，煤炭資源開發(fā)布局持續(xù)優(yōu)化，科技創(chuàng)新能力顯著增強，煤炭清潔生產(chǎn)水平明顯提升，煤炭清潔高效利用步伐加快，煤炭市場化改革取得實質(zhì)性進展[1]。我國已形成以煤炭加工技術(shù)、煤炭潔凈燃燒技術(shù)、煤炭轉(zhuǎn)化與合成技術(shù)、污染物控制技術(shù)、廢棄物處理技術(shù)、碳減排技術(shù)為主體的煤炭清潔利用技術(shù)體系。預(yù)計到2025年煤炭在我國一次能源結(jié)構(gòu)中占比約為55%[2],21世紀中葉煤炭能源在新型能源體系中的消費占比約為40%左右[3]，依然為能源結(jié)構(gòu)的主體。

根據(jù)煤質(zhì)特征清潔高效利用煤炭資源，符合雙碳政策下我國“十四五”時期的能源利用方向。煤炭檢測是構(gòu)成煤炭綠色開采、洗選加工、分質(zhì)轉(zhuǎn)化、潔凈燃燒、末端治理等過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是市場經(jīng)濟體制下貿(mào)易結(jié)算的重要依據(jù)。煤炭作為原料煤和燃料煤時，準確高效獲得煤質(zhì)指標對其加工利用十分重要。筆者從采制樣、檢測方法、檢測設(shè)備、標準物質(zhì)、檢測數(shù)據(jù)采集等方面闡述了我國煤炭檢測技術(shù)現(xiàn)狀，提出了對煤炭檢測技術(shù)的幾點思考，以期為煤炭檢測技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 煤炭檢測技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 煤炭采制樣技術(shù)現(xiàn)狀

煤炭是1種組成較為復(fù)雜的混合物，品質(zhì)具有不均勻性。在煤炭質(zhì)量檢測中,采樣引起的誤差占整個采制化總方差的80%、制樣占16%、化驗占4%[4]。煤炭樣品的采取和制備已經(jīng)形成國家標準[5-6]，標準化采制樣是規(guī)范獲取具有代表性的樣品、準確分析某1批次煤樣性質(zhì)的前提，是煤炭質(zhì)量驗收過程中的重要環(huán)節(jié)[7]。

目前，我國煤炭采制樣有人工采制樣和機械化采制樣2種方式，人工采制樣具有現(xiàn)場應(yīng)變性強、系統(tǒng)誤差低的特點，機械化采制樣具有精密度高、人工成本低的特點[8-10]。機械化采制樣在煤礦、電廠、港口和鋼鐵廠中已得到廣泛應(yīng)用，但由于煤炭采制樣機體型較大、操作復(fù)雜、故障率高，仍需不斷完善，以保證采制樣的代表性和準確性[11]。典型的采制樣系統(tǒng)工作界面如圖1所示。

圖1 典型的采制樣系統(tǒng)工作界面Fig.1 Typical working interface of sampling system

隨著煤炭工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，機械化采制樣裝備及系統(tǒng)是未來的趨勢，大型工業(yè)智能機器人技術(shù)、燃料智能化管控技術(shù)的大量應(yīng)用也會不斷的提升采制樣裝備及系統(tǒng)的自動化和智能化[12-14]。

1.2 煤炭檢測方法現(xiàn)狀

自1949年以來，我國對煤炭分類方案的研究以及對國家標準的制訂十分重視[15]。煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司煤化工分院和檢測分院(原煤炭科學(xué)研究總院北京煤化學(xué)研究所)自1956年建院以來，一直從事煤炭試驗方法研制、煤質(zhì)研究、煤炭質(zhì)量檢測與評價工作。發(fā)布了煤炭成分分析和物理特性分析、工藝性能參數(shù)檢測、常量和微量成分分析等方面的標準80余項，實施了煤炭質(zhì)量分級等多項評價標準，提出了各種工業(yè)用煤技術(shù)條件10余項[16]，對規(guī)范我國煤炭貿(mào)易市場、指導(dǎo)企業(yè)合理用煤發(fā)揮了重要的作用。

煤炭組成、工藝性質(zhì)及物理性質(zhì)的分析一般采用經(jīng)典標準方法，選擇經(jīng)過確認的標準方法可以確保檢驗檢測結(jié)果的有效性。隨著我國煤炭檢驗檢測領(lǐng)域的發(fā)展，許多傳統(tǒng)的測試方法已經(jīng)實現(xiàn)自動化或半自動化測試，如采用自動工業(yè)分析儀、自動紅外測硫儀、自動元素分析儀、自動氟氯測定儀等測定工分、元分及微量元素[17]。

我國煤炭檢測及其標準化工作從20世紀50年代開始，1963年制定了包含煤炭采制化等方面的18項煤炭試驗方法國家標準；70年代中期至80年代末共制修訂43項國家標準和行業(yè)標準，形成了從釆樣、制樣到化驗的完整標準體系；80年代末以后全面向國際標準化靠攏，與國際標準等同、等效，緊密相聯(lián)，達到當前國際水平；90年代至今我國自主研制的煤炭檢測方法和標準轉(zhuǎn)化為國際標準，制定《褐煤和泥炭—腐殖酸產(chǎn)率測定方法》(ISO 5073：1999)等國際標準[18]。經(jīng)過70年長久持續(xù)發(fā)展，我國已建立1套科學(xué)、合理、完善、先進的煤炭檢測方法標準體系，煤炭檢測技術(shù)標準化工作對合理利用煤炭資源發(fā)揮了積極作用。

我國在煉焦用煤、動力用煤以及現(xiàn)代煤化工領(lǐng)域具有較為完善的煤質(zhì)評價標準體系，涉及煤質(zhì)管理、煤質(zhì)評價等50多項國標及行標[19-21]。煤質(zhì)管理標準包括《商品煤質(zhì)量抽查和驗收方法》(GB/T 18666—2012)等管理標準等產(chǎn)品標準；煤質(zhì)評價標準目前主要包括煤炭產(chǎn)品品種、全水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳、硫分、發(fā)熱量、磷、氯、砷、氟、汞、煤的熱穩(wěn)定性、黏結(jié)指數(shù)等煤炭質(zhì)量分級標準[22]。煤炭資源與質(zhì)量評價系列標準的實施為煤炭生產(chǎn)、加工以及貿(mào)易提供了技術(shù)支持，促進了現(xiàn)代煤化工項目的工業(yè)示范及運營[23]。

隨著我國加入世界貿(mào)易組織，為促進煤炭工業(yè)的技術(shù)進步、產(chǎn)業(yè)升級和結(jié)構(gòu)調(diào)整，煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司從2000年初期即編制并頒布了一系列用煤標準，主要涉及煉焦、現(xiàn)代煤化工、電力、水泥、鋼鐵等行業(yè)的用煤技術(shù)條件，標準對指導(dǎo)煤炭相關(guān)企業(yè)選用適宜的加工轉(zhuǎn)化技術(shù)發(fā)揮了重要的作用[24-25]。具體頒布的用煤標準見表1。

表1 煤炭相關(guān)行業(yè)用煤標準情況Table 1 Standard situation of coal used in coal-related industries

1.3 煤炭檢測設(shè)備現(xiàn)狀

煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司自20世紀60年代以來進行了自動和半自動煤質(zhì)分析設(shè)備的開發(fā)，90年代初研制出全自動測硫儀、碳氫測定儀、氟氯測定儀、甲苯萃取儀等檢測設(shè)備[26]；近10年來，成功開發(fā)出了研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的煤巖圖像分析系統(tǒng)、吉氏流動度測定儀、焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強度測定儀、煉焦試驗焦爐及高溫煤灰黏度測定儀等高端專用煤焦分析評價設(shè)備，經(jīng)市場化運行，設(shè)備性能優(yōu)越，整體上達到國際領(lǐng)先水平。

煤炭檢測設(shè)備經(jīng)過60年的技術(shù)創(chuàng)新與進步發(fā)展，經(jīng)典檢測設(shè)備基本實現(xiàn)了自動化及系統(tǒng)化，縮短了檢測周期，提高了檢測效率，如自動工業(yè)分析儀、自動元素分析儀、自動庫侖測硫儀、紅外測硫儀、自動氟氯測定儀、自動量熱計、自動煤灰熔融性測定儀等[27]。同時以紅外光譜技術(shù)、X 射線熒光法、多能X射線吸收法等現(xiàn)代通用分析設(shè)備也逐步引入到煤炭檢測領(lǐng)域，基于無源的測量技術(shù)已成為煤質(zhì)在線檢測技術(shù)的發(fā)展方向[28]。我國煤炭檢測設(shè)備向著自動化、高效化、智能化和高端化的方向飛速發(fā)展。

1.4 煤炭檢測標準物質(zhì)現(xiàn)狀

煤炭檢驗檢測機構(gòu)在設(shè)備標定和校準、設(shè)備性能評價、方法驗證及確認、檢測質(zhì)量控制過程中通常使用標準物質(zhì)[17]。我國煤炭類標準物質(zhì)研制始于1982年，首先開展了煤的灰分、揮發(fā)分、全硫、碳、氫、氮、發(fā)熱量等常規(guī)指標的標準物質(zhì)研制，由國家煤炭質(zhì)量檢驗檢測中心(原國家煤炭質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心)研制和生產(chǎn)了第1批煤的物理和化學(xué)成分分析標準物質(zhì)；21世紀以來，隨著現(xiàn)代煤化工技術(shù)的示范升級和環(huán)境保護要求的提高，推動了氯、氟、砷、磷、灰成分和灰熔融性等指標的標準物質(zhì)研制；近十余年，成功研制了黏結(jié)指數(shù)、膠質(zhì)層指數(shù)、自燃傾向性、哈氏可磨性指數(shù)等煤炭工藝性質(zhì)類標準物質(zhì)，標志著中國煤炭標準物質(zhì)研制技術(shù)與國際領(lǐng)先水平接軌[29-31]。

目前煤及煤制品檢測領(lǐng)域通過國家定級鑒定的標準物質(zhì)有30類約170種，其中一級標準物質(zhì)約80種，二級標準物質(zhì)約90種[32]。中國地質(zhì)科學(xué)院、山東冶金科學(xué)研究院、秦皇島出入境檢驗檢疫局等機構(gòu)也開展了煤炭有證標準物質(zhì)的生產(chǎn)。構(gòu)建完善的煤炭標準物質(zhì)體系，研制高準確度計量的標準物質(zhì)，推動了煤炭行業(yè)檢測技術(shù)的發(fā)展[18，33]。

1.5 煤炭檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前,國內(nèi)煤炭檢驗檢測機構(gòu)的檢測數(shù)據(jù)大都以傳統(tǒng)的紙質(zhì)方式處理,雖然原始性和應(yīng)變性較強，但存在結(jié)果傳輸慢、數(shù)據(jù)審核難、階段性統(tǒng)計繁的問題。從20世紀60年代末期開始的初步研究階段，到70年代時期的大量數(shù)據(jù)分析、處理、儲存問題的進一步發(fā)展階段，再到80年代中期的深度發(fā)展階段，煤炭檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已被應(yīng)用至更多領(lǐng)域且逐漸邁向商品化[34]。近年來,隨著煤炭檢測設(shè)備自動化程度的提升以及信息技術(shù)的日漸成熟，對實驗室管理信息系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用也提出了更高的要求，煤炭檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的深度開發(fā)符合現(xiàn)代煤炭檢測實驗室科學(xué)管理的必然趨勢[35]。

煤炭檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心為檢測數(shù)據(jù)的采集、分析和結(jié)果報送，整體設(shè)計開發(fā)完全可以滿足檢驗檢測機構(gòu)資質(zhì)認定、實驗室認可以及煤炭相關(guān)檢測標準的要求。煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司檢測中心自主開發(fā)并應(yīng)用了實驗室信息管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)以檢測業(yè)務(wù)流程管理為主線，綜合協(xié)調(diào)實驗室的人員、設(shè)備等資源[36]。實現(xiàn)煤樣的委托登記、樣品接收、任務(wù)安排、數(shù)據(jù)錄入、結(jié)果審核、階段統(tǒng)計、信息查找，并能生成檢測管理報表，快速實現(xiàn)業(yè)務(wù)在不同部門間的流轉(zhuǎn)，并予以全流程追蹤監(jiān)控[37-38]。典型的檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作界面如圖2所示。

圖2 典型的檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作界面[36]Fig.2 Typical working interface of detection data acquisition system[36]

2 煤炭檢測技術(shù)發(fā)展的思考

2.1 國家及行業(yè)相關(guān)政策的支持

2021年3月5日，國務(wù)院總理李克強在《政府工作報告》中強調(diào)“堅持創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，加快發(fā)展現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系”，該報告為“十四五”時期我國煤炭檢測技術(shù)的發(fā)展指明了方向。國家市場監(jiān)督管理總局于2021年9月10日發(fā)布《市場監(jiān)管總局關(guān)于進一步深化改革促進檢驗檢測行業(yè)做優(yōu)做強的指導(dǎo)意見》，指出“著力深化改革，推動檢驗檢測機構(gòu)市場化發(fā)展；堅持創(chuàng)新引領(lǐng)，強化技術(shù)支撐能力；激發(fā)市場活力，提升質(zhì)量競爭力；加強規(guī)范管理，提高行業(yè)公信力”，該文為煤炭檢驗檢測機構(gòu)在技術(shù)層面的深化改革提出了要求。中國煤炭工業(yè)協(xié)會對“十四五”煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展做了初步思考，在《2020煤炭行業(yè)發(fā)展年度報告》中提出“加強商品煤質(zhì)量管理，嚴格執(zhí)行商品煤質(zhì)量標準，推進煤炭清潔高效利用；發(fā)揮5G、大數(shù)據(jù)、信息化和智能化技術(shù)優(yōu)勢，推動現(xiàn)代化煤炭市場交易體系建設(shè)；推動智能化成套裝備與關(guān)鍵零部件、工業(yè)軟件研發(fā)”，該報告為煤炭檢測技術(shù)的具體實施提供了思路。

2.2 現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動

煤炭氣化技術(shù)是煤炭轉(zhuǎn)化利用的重要技術(shù)路徑之一，也是現(xiàn)代煤化工的龍頭技術(shù)，對促進國民經(jīng)濟可持續(xù)科學(xué)發(fā)展、保障國家能源安全發(fā)揮了重要作用[39]。截至2020年底，我國煤制油、煤制烯烴、煤制氣、煤制乙二醇產(chǎn)能分別達到931萬t/a、1 582萬t/a、51.05億m3/a、489萬t/a[1]。結(jié)合煤質(zhì)評價相關(guān)研究可知[40-41]，現(xiàn)代煤化工項目密切關(guān)注項目用原料煤的確定、煤的性質(zhì)對氣化技術(shù)選擇的影響、煤的組成對項目產(chǎn)生廢棄物中氟、氯等有害物質(zhì)的影響等煤質(zhì)問題[42]，應(yīng)科學(xué)模擬氣化爐內(nèi)環(huán)境，建立相應(yīng)的煤質(zhì)評價體系及分析測試裝置[43]。因此，研制適合現(xiàn)代煤化工項目運行的煤炭檢測指標、檢測方法以及在線分析設(shè)備，能夠促進新時代煤炭轉(zhuǎn)化利用技術(shù)的革新。

2.3 實驗室質(zhì)量管理體系的提升

煤炭檢測實驗室是煤炭檢測方法研制、檢測設(shè)備的運行、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的使用的主體機構(gòu)。實驗室一般都根據(jù)相關(guān)要求建立了質(zhì)量管理體系，在進行檢驗檢測活動時，通過質(zhì)量控制和質(zhì)量改進對檢測技術(shù)的運作提供根本保證。質(zhì)量控制的方法主要有加強人員管理和培訓(xùn)、監(jiān)控和保持檢測環(huán)境、配備滿足要求的設(shè)備設(shè)施、建立和保持標準物質(zhì)的管理、選用規(guī)范的檢測方法、控制和記錄樣品的處置、參加機構(gòu)之間比對或機構(gòu)內(nèi)部比對[17]。通過實驗室質(zhì)量管理體系的水平提升，保障了煤炭檢驗檢測工作的科學(xué)性和有效性，驗證了新型煤炭檢測方法和設(shè)備實施的可行性，促進了煤炭檢測技術(shù)的創(chuàng)新驅(qū)動。

3 結(jié) 論

通過分析煤炭檢測技術(shù)對煤炭加工利用行業(yè)發(fā)展的重要性，闡述了我國煤炭檢測技術(shù)現(xiàn)狀，主要是：人工采樣和機械化采樣并存，機械化采制樣裝備及系統(tǒng)是未來的趨勢；煤炭檢測相關(guān)標準對規(guī)范我國煤炭貿(mào)易市場、指導(dǎo)企業(yè)合理用煤發(fā)揮了重要的作用；我國煤炭檢測設(shè)備向著自動化、高效化、智能化和高端化的方向飛速發(fā)展；標準物質(zhì)的應(yīng)用推動了煤炭檢測技術(shù)的進步；煤炭檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)符合煤炭檢測實驗室科學(xué)管理的必然趨勢。 通過對煤炭檢測技術(shù)發(fā)展的思考，提出國家及行業(yè)相關(guān)政策的支持、現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動、實驗室質(zhì)量管理體系的提升能夠促進煤炭檢測技術(shù)向著標準化、智能化、快捷化的方向發(fā)展。