煤炭灰分在线检测技术的应用现状及发展前景

赵 辉

(鄂尔多斯市西北能源化工有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 010030)

在一定温度下，煤炭经过完全燃烧后，残留的固态物质占煤样质量的百分数就是煤灰分。煤灰分的传统化学检测法需经过取样、制样、筛分、检测等工序，耗时极长，无法及时指导生产[1]。煤质在线检测技术能够实现煤质分析的实时、快速检测，解决了传统分析法工序复杂、结果滞后的问题，对生产指导更及时、更客观[2]。煤灰分在线检测技术分为基于核辐射原理的灰分测定技术和无放射源的灰分测定技术。

1 基于核辐射原理的煤质灰分检测技术

放射源煤质分析法是采用放射性物质作为检测源，主要技术包括γ射线反散射法、γ射线穿透检测技术、中子活化技术等。

1.1 γ射线反散射技术

γ射线反散射法灰分检测技术[3]应用较早，该法原理是基于不同能量的γ射线与不同原子序数的物质将产生不同效应，具体表现为不同物质对不同能量的γ射线质量吸收系数的差异[4-5]，而煤炭灰分主要为高原子序数的氧化物，只要利用γ射线检测出高原子序数物质的百分含量即可达到检测灰分的目的。针对此原理，大多数科研人员致力于提高检测灵敏度的研究。

黄兴宾等[6]首次利用核参数建立了检测灵敏度的数学表达式，研究了光电截面、相干散射与非相干散射截面、总质量吸收系数等参数对检测灵敏度的影响，为γ射线反散射技术检测灵敏度的提高提供依据。2019年程栋[7]针对煤炭灰分成分的变化对γ射线反散射灰分仪测量精度的影响做了研究，建立了基于双低能γ射线测量的校正模型，提高了测量精度，实现了灰分仪的软件自动处理。检验结果表明，采用本文研究的校正模型，克服了仪器标定频繁，检测精度低等缺点。

反散射测灰技术原理简单，运行成本低，但是检测结果受煤质成分变化影响较大，标定频率高，结果不稳定，准确标定工作难度大。

1.2 γ射线穿透检测技术

γ射线穿透测灰技术一般使用低能发射源镅和中能发射源铯相结合的技术进行灰分检测。低能γ射线穿过煤层时，其减弱强度随物质的原子序数增大而增大，同时，还与煤单位面积质量有关，而中能γ射线吸收率只与煤单位面积质量及煤层厚度有关，可以校正煤质质量带来的误差[8]。

赵拴明[9]就西安德泰克电子系统有限责任公司研发的快速测定仪进行了试验性研究，并与实验室数据进行对比分析，其灰分偏差±0.3，表明在线仪器检测准确度满足要求。2014年，程栋[10]等基于双能γ射线透射法的基本工作原理，建立了拟合模糊神经网络的新型双能γ射线煤炭灰分检测模型，改善了传统双能γ透射法误差波动大的问题，使检测误差由原来的3%减小到1%。

此类测试方法由于低能γ射线对高原子序数元素敏感度极高，使测量精度受重成灰矿物的含量影响很大，若煤中铁、钙等元素变化范围较大，则γ射线穿透技术的误差会较大。

1.3 中子活化技术(PGNAA)

大多数的PGNAA分析仪采用同位素中子源，煤炭中元素受到中子源照射后，形成特征γ射线，从而得到各元素的含量，进而计算出煤质发热量和灰分等。

C.S.Lim[11]等利用中子非弹性散射及热捕获的技术，研究了大颗粒度的煤质检测技术，并在模拟工况下进行测试，考察了样品均匀性及煤层厚度对检测的影响，结果表明，该方法可以减小检测误差。景士伟[12]等应用特色产品5×108n/s 脉冲中子发生器代替煤炭行业原来使用的化学分析方法，在节约成本的基础上实现了煤质的在线分析，并使用上海硅酸盐研究所生产的BGO(锗酸铋) 探头代替NaI，提高了γ射线探测率。刘永超[13]等研究了中子活化分析系统在实际生产中的应用情况，通过数据证明，中子活化旁线煤质分析系统测量结果与实验室检测结果相比误差小，分析速度快，适应性强，能够有效对入厂煤质进行实时质量管控。梁椿豪[14]等基于瞬发伽马中子活化分析( PGNAA)技术设计了重介精煤灰分的煤质在线检测系统，测试结果表明，该系统灰分测量的动态标准差为0.105%，实现了对重介块精煤灰分的智能控制。

PGNAA分析仪标定后无需额外维护，通过改进还可以检测煤炭中其他物质含量，而且仪器不工作时辐射安全性较好，在正常工作时分析仪周围不需要操作或维护人员。但这种测量方法大多也采用旁路检测，设备分析过程复杂，耗时较长，检测成本较高，中子通量易受许多因素影响产生波动，不适宜大范围推广。

2 无源煤质灰分检测技术

无源技术主要有X射线吸收技术、无源技术包括天然射线检测法、激光诱导击穿光谱分析法等。

2.1 X射线吸收法

X射线吸收法是利用X射线管产生入射X射线(一次X射线)激发被测样品，激发样品中每一种元素会放射出二次X射线，不同元素所放射的二次X射线具有特定能量特性或波长特性，测量上述放射出的二次 X 射线能量及数量即可获得样品中各种元素种类及含量[15]。

杨晨光[16]等对煤矸X射线识别技术进行了研究，探索利用X射线识别焦煤、肥煤、气煤中煤和矸石的可行性，研究了不同煤种的密度和灰分的线性关系，在不同粒级煤质中，其识别正确率在93%以上。乔治忠[17]等结合X 射线煤质在线检测系统在哈尔乌素选煤厂的实际情况，详细介绍了X射线煤质在线检测系统的应用情况，通过长期与实验室检测数据对比发现，在灰分小于15%时，精度≤0.5% 1σ；灰分在15%～30%时，精度≤ 1.0% 1σ；灰分>30%时，精度≤1.5% 1σ。Tuan D.Nguyen[18]等研究了高分辨率X射线显微计算机断层扫描(HRXMT)技术代替常规沉浮选煤技术，其选煤结果符合澳大利亚标准 AS 4156.1-1994，为煤的可选性的无损无毒测定提供了一种新方法，X射线计算机断层扫描技术安全快捷，其在选煤分析中的应用为开发在线选煤监测系统提供依据，这是传统的浮沉分析无法实现的。

X射线煤质检测系统检测周期短，可接入配煤系统，直接根据灰分值实时调节配煤比例，而且X 射线对人体健康和环境危害较小，安全性高，断电后不产生辐射，但是 X 射线法只适合于测量原子序数较大的元素，测量精度和灵敏度均较低。

2.2 天然射线检测法

该方法是基于放射性核素在自然界中普遍存在，一定质量煤的灰分含量与煤炭释放的放射性核素具有一定的关系，通过高灵敏度的γ射线探测器探测一定量煤发出的γ射线粒子，从而计算出其灰分含量[19-20]。

刘少伟[21]针对水峪选煤厂的实际情况，在精煤胶带安装1台γ天然射线在线测灰仪。经检测，水峪焦精煤天然放射性核素含量处于中等偏上水平，天然放射性强度与灰分含量呈显著的正相关性，灰分仪的测定误差范围在 -0.26%～0.17%，符合在线煤质检测仪的精度要求。葛学海[22]等研究了NGAM-2008天然射线灰分仪在代池坝选煤厂的运行情况，对校准数据进行了对比分析，结果表明，灰分仪计量精度高于1.08%。

此方法不涉及放射源安全管理工作，更安全环保，而且设备管理方便，操作简单，运行成本低，精度符合行业标准。但是只适用于测量含放射性物质较高的煤灰，而且γ计数率测量难度较大，易受到环境因素的影响，而且灰分越低受环境影响越严重[23]。

2.3 激光诱导击穿光谱分析法

高能脉冲激光矿物全元素在线检测技术利用高能量脉冲激光激发待测样品，瞬间造成样品材料的化学键断裂、化学成分被电离化而形成离子体，通过摄取、记录、分析等离子体发射的光谱信号，实现对被检测样品中化学元素成分含量的测定。

邢涛[24]等研究了激光诱导击穿光谱技术在电厂入炉煤煤质检测中的应用情况，实际运行情况表明，实验使用8组煤质数据均符合标准GB/T 29161—2012《中子活化型煤炭在线分析仪》动态精密度(95%置信概率)的要求。戈佳[25]等研究了高能脉冲激光矿物全元素在线检测技术，并通过二次开发，实现了煤质的全元素分析，对煤中SO2、NOx、汞、砷、碱金属等有害元素施行在线测试，为企业锅炉配煤、燃烧优化调整、脱硫和脱硝系统的优化运行提供及时、可靠、准确的科学依据。庞立波[26]等采用分子光谱和等离子体光谱结合多元分析新技术研发了一种新型煤质在线分析法，可同时在线测量发热量、水分、固定碳、灰分、挥发分、硫含量、无机元素等关键指标。李春艳[27]等利用基于激光诱导击穿光谱技术(LIBS)的煤质快速检测装置进行实验研究，建立基于谱线筛选的PLS模型，相对于传统的PLS模型，预测样品的灰分预测结果平均误差从2.262%下降至1.972%，最大误差从5.093%下降至3.575%，模型的性能得以显著提高。李杨[28]利用激光发生器发出的激光光束经过煤炭后产生的不同光谱，再利用PLS对光谱分析后，得到煤质的技术参数。

该方法煤质不需要预处理，样品需求量小，检测速度快、结果精度高[29]，但是激光击打点检测量极小，其性质不能够完全代表样品的整体特性，检测过程为破坏性检测，其煤质表面性质被改变，而且检测仪器自身的性能波动和测量时环境变化对信号造成的干扰较大。

3 结 论

基于核辐射原理的检测技术大多原理简单，运行成本低，但是对防护要求高，且多为旁路检测，设备复杂。鉴于有源技术管理严格、防护要求高等原因，无源检测技术逐渐成为研究热点，其中的X 射线法只适合于测量原子序数较大的元素，测量精度和灵敏度均较低；天然射线检测法安全环保，设备简单，易操作，但是只适用于测量含放射性物质较高的煤灰；激光诱导击穿光谱分析法样品不需预处理，且样品需求量小，但是检测结果不能够完全代表样品的整体特性，且为破坏性检测，检测后煤质表面性质改变。综合考虑各类因素，无源在线分析技术会逐渐成为煤质在线分析的发展方向，其主要研究内容是克服改善各类无源在线分析仪本身的缺点及开发无源在线检测新技术。