煤炭质量检测分析技术的发展及趋势

张蕊红，王 健

(晋能控股山西科学技术研究院(晋城)技术研究院有限责任公司，山西 晋城 048006)

煤炭是我国目前发展经济的主要动力能源，也是维持我国国民经济社会发展的重要能源。选煤厂洗选产品分多种品质，其中劣质煤比例很大，通过配煤技术在满足用户用煤质量要求的同时加大劣质煤的使用比例，降低成本，优化煤炭产品结构，从而提高煤炭企业的经济效益。选煤厂配煤系统混配后的燃煤各项质量指标(发热量、全硫、水分、灰分、挥发分等)是否达到预设指标，需要进行检测分析后才能知晓。

煤质分析中最主要的就是元素分析和工业分析，工业分析主要是对灰分、水分、挥发分及固定碳进行分析，依据工业分析，对于煤的性质及特点可以很好地了解，并确定其使用价值[1]。同时随着环保要求的提升，硫元素检测的需求也日益凸显[2]。作为大宗商品，煤质化验指标的客观性是买卖双方极为关注的焦点，由此带来的争议时有发生。

目前煤质检测主要有传统实验室人工煤质化验分析、煤质在线分析及智能煤质化验分析3种方法。本文将对3种煤质化验分析方法进行介绍，给出未来煤质检测分析的发展方向。

1 实验室人工煤质化验分析的方法

目前国内电力、煤炭、化工、钢铁等行业煤质化验工作均采用人工+仪器的方式进行指标检测，主要依靠人工操作仪器设备的方法完成，特别是检测工作量大的灰分、水分、全硫、发热量、挥发分等常规项目。这就带来以下问题：

(1)对于大量煤样的检测，需要配置多名化验人员，劳动强度大。

(2)难以避免人为因素对化验结果的影响。在煤炭检测中检测结果偏差较大是最为突出的问题，除了实验室检测仪器和人员操作差异，在煤炭产品采样、制样过程中由于操作不规范，取样不标准等也会造成结果偏差[3]。

(3)传统的煤炭质量检测方法，需要经过采样、制样、化验三道工序，检测结果得出时限约需3～4 h，其时效性是完全无法满足配煤系统所需的实时、快速检测需求，无法对配煤工艺进行实时调整，不利于化验工作的信息化建设。煤质分析不够及时，不利于快速调整选煤过程参数，容易造成分选精度的降低和高价格产品产率的损失[4]。

2 在线煤质检测分析方法

目前国内外采用或在研发的在线煤质检测技术主要有2类，第一类是采用γ双能技术或煤中放射性物质检测技术，只分析煤中灰分占比；第二类是通过光谱法分析煤中元素成分，再拟合出煤中灰分和热值等指标。第一类技术只能分析灰分，不能分析煤中硫的指标，对于较复杂的煤源，校准难度较大。第二类技术适应煤种广，可分析煤中硫、灰分、热值等指标，已成为在研技术的主要发展方向。煤质在线元素分析方法基本方法都是光谱分析，因为激发光谱的方法不同，又分为中子活化技术(PGNAA)、高能脉冲激光光谱技术(LIBS)和X射线荧光光谱技术(XRF)。表1为6种煤炭灰分在线检测技术的对比[5]。煤中水分测量广泛采用微波投射法，测量精度和适用范围均可满足现场要求[6]。

表1 6种煤炭在线检测技术的对比

目前已工业化且广泛应用的在线分析技术主要包含瞬发射线中子活化分析法(PGNAA)和双能量γ射线透射法，二者均为有放射源的核辐射检测技术。中子活化技术的测量精度较高，在煤质测量时可测得多种元素成分，但其因中子穿透力强，对人类的危害较大，因此在使用时对屏蔽防护要求较高[7]。

基于无放射源的煤质在线检测技术将成为发展方向，以多能X射线吸收法(MXRA)、X射线荧光法(XRF)和激光诱导击穿光谱分析法(LABS)为代表的无源或准无源的在线检测技术已经兴起，并有初步应用[6]，其精确性和安全性还有待验证。

3 智能煤质化验分析方法

2020年3月国家发改委、能源局等8部委联合印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》中明确指出煤炭行业作为我国重要的传统能源行业，是我国国民经济的重要组成部分，其智能化建设直接关系我国国民经济和社会智能化的进程。智能煤质检测系统的研究是近年来业内普遍关注的课题。在新时期，煤矿企业要实现自动化、数字化建设，就要加强自动化测试仪的使用，提高煤质检测的准确性和可靠性，同时有效弥补手工检测的缺点，改善煤质检测，提高生产效率[8]。

采用工业机器人技术、机器人应用技术、非标机械自动化技术配合煤炭行业标准化验仪器，用机器人及自动化机械直接或者间接模拟化验人员的化验操作流程，从而完成各项化验指 标的自动化测量，测量结果直接进入信息管理系统。整个化验过程操作人员无需直接接触化验煤样，从根本上解决了人为因素对化验结果的影响[5]。

整个系统由智能煤样检测管理系统和化验工作站组成。工作站包括水硫工作站、灰挥工作站、量热工作站。各工作站的核心模块包括微量称重系统、拆装盖系统、机器人模块、分析仪器、煤样输送系统、辅助系统、RFID扫码系统、物料清洗系统、除尘系统及电气控制系统[9]。

智能煤样检测系统主要完成煤样的全硫、水分、灰分、挥发分、发热量及6 mm全水样的全水分指标的自动化验及相关信息管理。系统采用物联网、工业机器人应用及非标自动化技术配合煤炭行业标准化验仪器，用机器人及自动化机械直接或者间接模拟化验人员的化验操作流程，从而完成各化验指标的自动化测量，测量结果直接进入智能煤样检测管理系统进行信息化管理。化验过程用到的坩埚、灰皿、称量瓶、燃烧舟、氧弹等实现站内自清洗并达到回收利用要求，无需人工参与，实现化验过程人料分离，彻底杜绝人为因素的干扰，保证化验结果的客观、及时、准确。同时可与企业的计划、供应、生产、结算等部门实现信息共享，借助大数据分析及辅助决策系统为企业生产经营提供可靠保障。

图1 无人值守智能煤样检测系统总体架构

4 结 语

通过分析现有3种煤质检测技术的发展现状，主要结论有以下3点：

(1)实验室人工煤质化验分析的方法由于劳动强度大、时效性差等劣势，在现阶段煤质要求较高的情况下已不能满足煤质检测要求。

(2)在线检测技术与传统的化学分析方法相比，能够实现煤灰分、水分等信息的快速检测，解决了传统方法的采样、制样、化验工序复杂问题，规避了结果滞后所导致的一系列问题，在大幅减轻工人劳动强度的同时可避免人为因素的干扰，检测结果更客观；但由于放射源及检测精度的问题，未来发展方向有待商榷。

(3)智能化煤质化验分析既可解决化验数据的客观性、及时性、准确性，同时也可大力提升煤质化验工作的信息化、智能化水平，将会是未来大数据时代主流煤质化验的方法。