基于TRIZ改进煤质分析仪预处理系统

张建 张伟 刘永睿

摘   要：中国煤炭产能利用率平均只有78.8%。因此针对煤炭、电力等行业中煤炭的工业指标分析将变得尤为重要。基于激光元素分析技术研发的激光元素分析仪，能够实现对煤炭中C、H、O、Si、Al、Fe、Ca、K、Na、Ti元素的成分分析，得到煤炭工业指标中灰分、水分、热值、挥发份等指标，可代替传统化学分析方法，对检测物料进行快速分析。本文基于TRIZ方法对煤炭预处理系统的改进，能够更好的提高仪表的稳定性和可靠性，提高测量精度，满足现场生产需要，并对生产工艺进行有效的监督和控制，提高产品品质，提高经济效益。

关键词：成分分析、煤炭、TRIZ

一、研究背景

从技术系统进化趋势来看，整个煤炭行业在技术发展过程中正处于两化融合的阶段。这一阶段的技术基础是数据采集，这个阶段的核心就是煤质分析。而煤炭行业目前占主导的煤质分析技术是采用人工取样和化学检验的方法，误差大，滞后时间长。而企业面对成本、人力匮乏以及环保要求，就必须使用在线煤质分析技术[1]。

目前市场上大多数的检测仪表都是带有放射性的[2]，管理复杂，有安全隐患。因此客户对此都不太友好。现阶段最好的检测技术就是激光分析技术，它的特点是无放射性，无污染物监测，非接触式快速测量[3]，目前在工业应用领域里尚未有得到有效的实施和推广 ，主要原因是解决不了现场工艺存在的工程化问题。而TRIZ方法则是解决工程化问题的最好载体。

二、工程问题描述

通过多年来现场工艺及工程问题的研究，激光分析在现场有如下3个最主要的工程问题：

1. 通过不同下料口下料进行配煤的工艺环节，由于不同灰分、水分的煤炭通过下料口混合配料，下料过程中无法控制，导致存在煤炭表面起伏大，影响激光测量焦距，一般激光探测器测量焦距范围在3cm，超过这个范围就会导致测量精度变差。

2. 在下料口煤种不一致和下料顺序前后不一致的情况下，导致煤炭分层，由于激光测量原理是测量物料表面成分，因此会影响测量代表性。

3. 现场下料过程中会导致环境灰尘较大，影响激光发射和回光光路，这也会影响激光检测结果。

根据以上工程问题，激光煤质分析系统设计了一套煤炭预处理系统，针对煤炭进行采样、破碎、缩分、整形、测量等工序，保证煤炭测量状态，提高测量精度并通过TRIZ方法对本系统进行改进。

三、基于TRIZ改进预处理系统

1. IFR最终理想解，见表1。

2. 九屏幕法

通过系统过去、现在、未来利用九屏幕法分析系统，如下图1所示。

3. 系统模型组件

通过对现场分析和测量系统分析，建立组件模型分析图，定义组件和超系统组件，如下图2所示，从图中可以看出煤炭为研究对象，煤炭在测量过程中的分层和起伏是对测量的有害作用，下料过程中增加了环境灰尘对测量是有害作用。

4. 因果分析

因果分析是TRIZ方法中寻找工程问题根本原因的主要工具。通过深入工程问题，层层分析，最终找到关键原因[4]。从组件功能模型分析建立因果链，造成激光分析测量的工程问题的主要原因如下：

1） 物料分层是由于下料口不一致及煤炭粒度不同，导致物料分层。

2） 传输皮带缺乏整形能力，管道下料缺乏控制，导致物料起伏。

3） 下料管道产生大量灰尘，皮带运输产生灰尘，测量光路没有防尘功能，都会影响测量。

5. 矛盾分析及预案

1） 煤炭分层问题分析及预案：

根据因果分析，物料分层是由于下料口不一致及煤炭粒度不同导致，因此得到方案提示1：在下料口前级增加破碎、缩分装置，并在一个下料口下料。

方案提示2：增加旁线取样装置、破碎和缩分装置。

2） 煤炭起伏问题分析及预案：

a） 根据因果分析中皮带缺乏整形能力，定义物理矛盾TC1： 物料少，大于测量焦距;  TC2： 物料多，小于测量焦距，可以得到方案提示3：在皮带上增加一个刮料板。

b） 通过技术矛盾分析可以得到如下方案：

矛盾问题描述：增加刮料板，导致皮带输送过程产生大量灰尘。

模型化参数：改善：运动物体的体积;恶化：物体产生的有害因素。

根据矛盾矩阵列表查找发明原理得到：

创新原理30提示柔性壳体或薄膜方案提示4：在皮带上增加一个防尘罩。

创新原理35提示物理或化学参數改变方案方案提示5用高水分的煤炭覆盖低水分煤炭。

c） 通过物理矛盾分析可以得到如下方案：

TC1： 刮料板太宽，物料推料TC2： 刮料板太窄，物料回流，通过空间分析得到方案提示6：采用一维变多维原理，设计V字形的刮料板。

3） 灰尘较大问题分析及预案。

a） 通过物场分析可以得到如下方案：

根据2.1.1链式物场模型分析，引入一个物质，并建立链式物场模型：方案7：在防尘装置出口处安装一个柔性胶板，让胶板紧贴物料，即不影响出料，也能够阻挡粉尘。

根据2.1.2双物场模型分析，引入一个物场，并建立双物场模型：

方案8：引入静电除尘装置。

b） 引入超系统资源可以得到如下方案：

方案提示9：引入压缩空气，清洁激光探测器光路。

6. 方案评估

针对以上设计方案提示，基于节约成本，可靠性、可维护性、现场适应性、功能实现5个方面，进行方案评估与打分。最终分数最高的方案进行设计，采用集成多功能的皮带装置和基于皮带输送采样处理集成系统的两个整体方案。

四、现场数据及应用

目前本系统已经在内蒙古某选煤厂和山西某选煤厂应用。数据分析结果表明煤质灰分偏差和对应的变化趋势满足现场需要，见图3。

五、结论

客户需求的是能用又好用的仪表，企业需求是好用成本低的仪表，基于TRIZ创新方法改进了激光煤质检测预处理系统。从创新设计来看，本项目解决了目前行业中激光分析技术无法走入现场的难题。同时设计简单可靠，满足了客户的需求，降低成本，提高了产品的竞争力，这个改进设计减小了安装体积，减少了工程施工量，大大增加了现场适应性，为不同的现场提供了可靠的服务。

参考文献：

[1]邢涛，基于激光诱导击穿光谱技术的电厂入炉煤煤质，发电与空调[J]，第38卷第5期，2017.05

[2]沈桂华，李华昌，史烨弘，激光诱导击穿光谱发展现状，冶金分析[J]，2016，35（5）201

[3]侯冠宇，王平，佟存柱等，激光诱导击穿光谱技术应用动态[J]，中国光学，2013，6（4）：490-500

[4]吴志强张伟，利用TRIZ创新方法提高中子活化在线分析仪测量动态物料的准确性，创新创业理论研究与实践[J]，2018 年 2 月第 3 期

责编/杨鑫