浅谈煤质自动分析技术的现状和发展

陈功超 戴旻睿

摘要：煤质是煤炭销售的经济指标之一，是煤炭企业生存与发展的根基，它深刻地影响着煤炭企业的经济效益和品牌形象。因此，对煤质进行有效的检测，可以充分保证选煤厂的燃煤效率和发电厂运行的稳定性。传统的煤质人工化验方法存在工序多、结果滞后和偶然误差等问题，鉴于此，对目前用于煤质自动分析的微波水分检测技术、中子活化分析技术、激光诱导击穿光谱技术和近红外光谱分析技术进行了综述，分析了这些技术各自的优缺点，最后指出自动化、智能化是煤炭质量分析未来发展的方向。

关键词：煤质;经济效益;自动分析技术;智能化

0    引言

煤质分析的主要内容是元素分析和工业分析。合理利用煤的工业分析和元素分析，可以掌握煤的物化性质以及有用元素的含量，由此指导锅炉的运行，优化入炉煤的燃烧特征，提升煤的工业实用价值。电厂和选煤厂的煤质检测指标主要是水分、灰分、挥发分、固定碳、发热量、硫含量等工业分析数据。传统的化学检测方法检测结果精度高，代表性强，具有很强的说服力，但是需要对试样进行破碎、缩分、筛分、干燥、称重等燃前准备，一方面存在人为因素所带来的偶然误差，另一方面还存在着一些工序复杂、结果滞后的影响。而在线数据自动分析技术能够克服这些人为主观性因素带来的难题，还能对煤质进行经济快速的实时分析，实現对现场配煤、燃烧锅炉的负荷和参数的及时调整和优化。近年来，国家提出加快煤炭工业改革，促进煤炭工业智能化发展，迫切需要开发和应用煤质自动分析技术。现有并得到广泛认可的在线自动分析技术主要有微波水分检测技术、中子活化分析技术、激光诱导击穿光谱技术和近红外光谱分析技术，本文将对这几种技术进行简要分析。

1    微波水分检测技术

1.1    微波水分仪的原理

微波是一种由电磁振荡产生的高频电磁波，试样的介电常数决定了微波对试样的吸收和反射特性。试样中所含有的水分在微波频率段的介电常数远远高于煤样中的固体，因而，当微波通过含水物质时，由水分引起的微波能量的损耗是最显著的，远远高于由煤样中的固体引起的微波能量损耗。由电磁理论可知，微波穿透煤层后的强度衰减和相位偏移与煤炭中含水量存在确定的数学关系，由此可以建立合适的数学模型，利用编程技术拟合出强度衰减和相位偏移与水分含量的对应数学表达式或函数曲线，并由多次的强度衰减和相位偏移值计算出煤炭平均水分，将结果与人工化验值进行对比及误差分析。

1.2    实验影响因素

多次实验证明，微波的强度衰减和相位偏移的主要影响因素有煤层厚度、堆密度和表面形状等。实验结果表明，随着煤层厚度的增加，强度衰减和相位偏移相应增大。原因是微波透射行程中所检测的煤量增加，因此强度衰减和相位偏移随之增加。另外，微波的强度衰减和相位偏移的大小与煤的松散度有关，一般而言，压实煤样比疏松煤样大。这是由于压实煤样的堆密度较大，微波透射行程内煤的含水量占比较高，因而可以引起工作强度逐渐衰减和相位偏移增大。与规则平整煤样相比，中间凸出20 mm的煤样其强度衰减和相位偏移将增大，中间凹下20 mm的煤样其强度衰减和相位偏移将减小。分析其原因后可知，煤层表面形状由平整变为中间凸出20 mm后，微波传输行程中的煤量和含水量增多，因而强度衰减和相位偏移将增大，中间凹下20 mm则恰好相反[1]。

1.3    微波水分仪的不足、补偿和前景

微波水分仪取样标定的时间长，投入的工作需求量大，并且企业前期的投入成本费用相对较高。每次测量只能重新计算和重新校准，有很大的局限性。

煤层厚度、堆密度和形状的变化是强度衰减和相位偏移产生变化的主要原因，从而导致水分测量不够准确，影响最终结果。因此，可以在微波水分仪中安装超声波传感器和闪烁计数器，以补偿煤层厚度、体积密度和形状变化带来的影响，进而完善测量的准确度[2]。

微波技术在煤水分检测中的应用已显示出很大的优势，但由于以往实验研究仪器经费过高，一定程度上阻碍了微波技术的发展。随着新时期对微波技术的探索，微波技术的优势地位日益突出，微波检测技术的智能化表现在朝高精度、高分辨率和高速度的方向不断发展，具有非常广阔的经济前景。

2    中子活化分析技术

2.1    中子活化分析原理

仪器中子活化分析称为“中子激活分析”，利用中子辐照样品引起剧烈的核反应，使样品激活和辐射能量，用γ射线光谱仪确定其光谱，根据光谱峰值确定标本的组成，对物质元素进行定性和定量分析。

2.2    中子分析仪的应用

中子活化分析技术已在国内发电厂、选煤厂得到应用，以DF-5703（B）中子活化旁线煤质分析仪为例，探索中子活化分析仪的测量指标精度。利用汽车取样器对几十辆卡车的煤抽取试样，用中子分析仪和人工化验两种方法分别进行试样的灰分、水分、硫含量和发热量的结果测量。将两种化验结果进行对比，50组数据的各工业指标误差如下：含硫量、水分、灰分、热值的测量误差分别为0.05%、0.32%、0.45%、284.2 kJ/kg[3]。可以明显看出，自动检测数值与人工化验数值之间存在着一些很小的误差，体现出中子活化分析仪的测量精度较高。

2.3    中子分析仪的优越性和不足

中子活化旁线煤质分析仪以其稳定性好、测量准确度高、适应性强等优点得到了广泛的认可，可用于测定煤的灰分、水分、全硫分、发热量等指标。该项技术没有取样、制样等人为影响因素的干扰，分析研究结果可以更加客观准确。

但是这项技术具有放射性，其应用受到辐射带来的安全问题的限制，样品需要测量不同半衰期的核素，而且大多数元素的分析周期较长，希望未来的中子活化分析技术能够尽快突破辐射安全问题。