快速测灰设备在山西焦煤集团的应用分析

李 霞，李娅楠，邢春芳，陈 飚，张治军，巩林盛，高建川

(1.山西焦煤集团 霍州煤电吕临能化选煤厂， 山西 吕梁 033200； 2.山西焦煤能源股份有限公司， 山西 太原 030024)

山西焦煤集团是全国最大的炼焦煤生产加工企业、全国最大的炼焦煤市场供应商，现有选煤厂50座，主要产品是炼焦用煤，包括焦煤、肥煤、1/3焦煤、瘦煤、气肥煤、贫煤等多个煤种。其中强黏焦煤和肥煤均为世界稀缺资源，具有低灰、低硫、低磷、黏结性强、热强度高、结焦性好等特性，所炼焦炭是大型钢厂大高炉不可或缺的骨架炉料。随着互联网、物联网、云平台、人工智能等技术的快速发展，山西焦煤集团积极响应智能化建设要求，从2018年开始逐步开展了智能化选煤厂建设探索。在智能化建设过程中，各分选环节的灰分检测如同人的“眼睛”，如何保证灰分检测的快速、准确，已成为企业智能化发展的关键因素之一。

1 现状及分析

灰分是煤炭加工利用的重要指标之一，是指导煤炭生产、销售的主要依据。根据GB/T 212《煤的工业分析方法》，灰分测定以缓慢灰分法为仲裁法，但该方法测定灰分值至少需要2.5 h，除缓慢灰分法外，国标中还给出了快速灰化法，该方法从采样、制样、化验到结果报出约需50 min. 传统灰分测定方法耗时长，无法及时指导煤炭生产，不能适应现代煤炭加工利用需要。

为满足高效生产对煤炭快速测灰、在线检测的需求，20世纪20年代末荷兰首先研制成“森得莱克斯”X射线测灰仪[1]. 此后，不同类型快速测灰设备相继研发并投入使用，包括在线、离线、有源、无源、便携式测灰仪等。各类快速测灰设备的研发投用，为实现灰分快速控制提供了可能，推动了选煤厂智能化建设。

截至2021年8月底，山西焦煤集团各选煤厂生产系统共安装31台各类快速测灰设备，包括中子活化煤质分析仪、X光灰分仪、X荧光灰分仪、无源测灰仪等，大多安装在精煤皮带和中煤皮带上，也有安装在原煤皮带、煤泥皮带上，安装方式多为跨带安装，个别为旁路安装。目前各类快速测灰设备在使用过程中仍存在一些问题，主要表现在：

1) 原煤在线检测精度达不到要求。山西焦煤集团各选煤厂多为配煤入洗或多煤种入洗，原煤质量波动大，难以做到原煤均质化。如果能够在原煤入仓环节及时准确进行灰分检测，指导原煤入仓，这对于后续工艺环节稳定运行、产品质量控制至关重要。该集团各选煤厂原煤灰分大多在15%～50%，目前各类快速测灰设备在此灰分范围内，检测精度大多≤1.5%，甚至更低，且该检测精度受煤质变化的影响极大，实际使用效果并不理想。

2) 无法实现各工艺全流程在线检测。分选环节是选煤厂质量控制的核心，炼焦煤选煤厂多采用重介、浮选等加工工艺。目前来看，重介环节受限于快速测灰设备精准度难以满足生产实践要求等原因，难以做到精准的密度智能控制；浮选环节浮精及浮尾灰分检测是浮选智能闭环控制的制约因素，基于矿浆图像的智能在线检测技术仍在试用阶段，尚未大规模推广应用。

3) 精煤快速检测设备检测精度达不到要求。炼焦煤企业对产品指标要求严格，根据煤炭产品品种和等级划分标准[2]，精煤产品灰分以0.5%作为一个灰分等级差，而当前常见快速测灰设备灰分≤15%时，检测精度大多≤0.5%，不利于指导生产实践。

2 各类快速测灰设备测量原理

2.1 中子活化型煤质分析仪

中子活化是80年代初发展起来的一种先进煤质元素分析技术[3]. 山西焦煤集团目前仅沙曲选煤厂投用了2台中子活化型煤质分析仪，分别用于重介精煤、入厂原煤的灰分、硫分、水分等检测，均采用旁路安装方式。该分析仪采用中子活化瞬发γ分析技术，利用煤中灰分含量与煤中矿物质元素之间的关系，通过热中子激发被测煤样中各元素的原子核, 使其处于不稳定的高能激发态，测定这些激发态原子核跃迁到稳定的基态或较稳定的低能态时发出的γ射线能谱, 得到各元素的含量[4]，进而分析煤质各项指标。

2.2 X光灰分仪

该集团斜沟选煤厂安装了2台X射线灰分仪，均用于测定入仓精煤灰分，为跨带安装。该分析仪采用双能射线透射技术，射线穿透物料后，高能与低能射线产生不同程度的衰减，衰减后的射线照射至皮带下方的线阵探测器上，由探测器采集射线信号的强度差异信息，通过灰分计算数学模型转换为检测物料的灰分值。

2.3 X荧光灰分仪

沙曲选煤厂在原煤入选皮带和重介中煤筛下各安装1台X荧光灰分仪，均为旁路安装。该分析仪将X射线荧光技术与X射线吸收相结合，利用X射线管作为激发源，测量煤层的透射、反射和荧光的强度，通过专用算法计算出灰分指标。

2.4 无源测灰仪

在自然界中，岩石、土壤、煤炭等物质中都存在一定量的天然放射性元素[5]. 无源测灰仪本身不含放射性物质，也不发射放射性射线，而是通过检测煤中天然放射性物质所发射的射线进行灰分检测。目前该类型设备在该集团太原选煤厂、西铭选煤厂、柳湾选煤厂、南关选煤厂、三交河选煤厂、辛置选煤厂、沙曲选煤厂、长春兴选煤厂等15座选煤厂使用，均为跨带安装。

3 各类快速测灰设备使用效果

与传统化验方法相比，快速测灰设备最大优点是检测快速、实时性好、测量结果相对客观，受人为因素影响小，解决了传统采、制、化工序复杂，得出结果时间长等问题，但是各类快速测灰设备受不同条件影响，通用性、准确性各有差异。各选煤厂生产系统在用各类快速测灰设备使用效果如下：

3.1 中子活化型煤质分析仪

沙曲选煤厂投用2台该类型设备，分别安装于重介精煤离心机出料口、原煤入仓皮带处。

重介精煤用中子活化设备：2020年11月、12月的两次检验结果均表明：待测物灰分≤15%时，灰分检测动态标准误差≤0.30%. 此外，选煤厂又选取两个时间段采集的样品进行比对(2020年8月15日—2020年11月5日采集49组样品，2021年7月27日—2021年8月14日采集13组样品)，设备检测值与人工化验值之间一致程度较高，表明该设备稳定性较好[6].

原煤用中子活化设备：2021年4月经检测，验收取样15组，待测物灰分15%～55%时，设备灰分检测动态标准误差≤1.5%.

整体来看，中子活化型煤质分析仪使用效果较好：1) 设备为全断面检测分析，且具有多元素、多指标分析的特点，故能适应现场复杂煤质变化情况，无需因煤质变化而频繁标定，具有较高适应性。2) 该设备为旁路安装，被测物料经过采样、破碎等操作后，粒度范围较为稳定，煤样代表性好，有利于提高灰分检测精度。但是该类型分析仪价格高，且为有源，投资及管理成本高。此外，若皮带带煤量过少，旁路安装所采煤样受限导致分析数据滞后时间长。

3.2 X光灰分仪

斜沟选煤厂在2条精煤入仓皮带上各安装了1台X光灰分仪，其中1台目前正在调试(暂不进行效果分析)，另1台分析仪于2020年12月投入运行。根据2021年7月21日—2021年8月16日共计216组样品比对结果，该分析仪在待测物灰分≤15%时，检测值与人工化验值之差绝对值≤0.5%的占比76.4%，对生产具有一定指导意义，但也存在某些指标检测误差较大的情况，目前仍在优化中。此外，该设备受皮带带煤量、皮带带速的影响较大。

3.3 X荧光灰分仪

沙曲选煤厂使用2台X荧光分析仪，均采用旁路安装方式。经2020年12月检测(2台设备各取样15组)，在待测物灰分15%～50%时，分析仪动态标准误差均≤1.3%，使用效果较好。但该设备对于物料的粒度、厚度及煤尘等比较敏感，因此需要定期清理、标定。

3.4 无源测灰仪

该分析仪不需要放射源，安全环保，但由于煤中天然放射性的含量只有百万分之几，易受环境本底辐射影响，准确测量较困难，需要精度高的探头，成本大，且煤中沉积沙岩中的天然放射性元素极少，因此该方法往往无法检测煤中的沉积沙岩，导致其通用性受限[7]. 此方法只有在铀、钍和钾等天然射线的含量与燃煤中矿物质的含量有很好相关性的条件下才能使用，也就是说天然放射性方法的好坏与煤质相关[8].

山西焦煤集团大多数选煤厂选用该类型分析仪，设备精度普遍为：待测物灰分<15%时，误差值≤0.5%；待测物灰分15%～30%时，误差值≤1.0%；待测物灰分>30%，误差值≤1.5%. 但是该类型设备对煤质变化、皮带更换、托辊调整、皮带带煤量多少等较为敏感，若标定不及时，会产生较大误差，导致不能有效指导生产。

3.5 影响因素

整体来看，影响快速测灰设备使用效果的主要因素是：

1) 炼焦煤选煤厂多为配煤入洗或为多煤种入洗，入洗原煤煤质变化较大，导致快速测灰设备需要频繁标定，工作量大。

2) 快速测灰设备对输送带的速度、角度，环境的温度、湿度、灰尘，煤层厚度，煤流混合均匀度及磁铁矿含量等外部因素的要求非常高[9]. 选煤厂使用环境复杂，物料粒度范围较宽，皮带带煤量不稳定，煤尘集聚等都会对检查结果产生较大影响。在多种分选环节下，皮带上各个环节的产品分布不均匀，尤其是间歇式排料等，都会极大程度影响使用效果。

4 意见建议

4.1 选择旁路安装方式

快速测灰设备与自动采样机联合使用，在现场条件允许情况下选择旁路安装的方式，可以有效提高煤样代表性，稳定粒度范围，从而提高快速测灰设备的使用效果。有研究表明[10-11]，影响快速测灰设备测量的主要外因是煤样的粒度和水分，一般煤样粒度≤3 mm、水分≤10%时测试结果较准确。

4.2 定期标定

快速测灰设备受煤质变化的影响较大，因此，在煤质发生变化(入洗煤种改变,井下过构造、断层、割顶、割底等)时必须及时进行标定。此外，各使用单位应结合生产实际，定期进行标定，即定期将快速测灰设备与传统化验进行比对，发现有偏差，立即予以调整，保证快速测灰设备测量结果的准确性。

4.3 加强日常管理

各选煤厂应指定专人管理，负责快速测灰设备的日常校准、维护工作。各操作人员只负责日常的数据记录和历史数据查询工作，不得随意对任何参数进行更改[12]. 应加强设备运行管理，安装快速测灰设备的胶带机要保持煤量稳定，降低瞬时煤量不稳定对设备的影响。有条件的选煤厂可引进专业化服务，聘请专业化团队负责处理快速测灰设备的日常维护、保养及标定等工作。

4.4 重视培训工作

各选煤厂应制定培训计划，定期对从事快速测灰设备的职工开展培训工作，使其熟练掌握快速测灰设备的工作原理、效果影响因素、标定方法及要求等，保障快速测灰设备长周期安全稳定运行。

4.5 推动研发工作

设备研发厂家应当针对各分选环节在线检测难、检测精度低等技术难题，充分考虑选煤厂使用环境、现有设施等各种条件限制，不断创新，改进提升，在保证安全可靠和经济适用的前提下，研发出更适用于选煤生产实际的快速测灰设备。

5 结 语

在实际生产过程中，相较于传统测灰设备，快速测灰设备优势明显，能够提高检测效率，降低人工强度，但也存在精度不够、维护要求高等限制因素。一方面，选煤厂应当与厂家加强沟通，从安装方式、定期标定、日常管理、业务培训等方面入手，对快速测灰设备进行规范化管理；另一方面，厂家应加大研发力度，加快设备升级换代，只有这样才能更好发挥快速测灰设备便捷优势，不断推动智能化选煤厂的建设。