淺談煤質(zhì)自動分析技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展

陳功超 戴旻睿

摘要：煤質(zhì)是煤炭銷售的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一，是煤炭企業(yè)生存與發(fā)展的根基，它深刻地影響著煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和品牌形象。因此，對煤質(zhì)進(jìn)行有效的檢測，可以充分保證選煤廠的燃煤效率和發(fā)電廠運(yùn)行的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的煤質(zhì)人工化驗方法存在工序多、結(jié)果滯后和偶然誤差等問題，鑒于此，對目前用于煤質(zhì)自動分析的微波水分檢測技術(shù)、中子活化分析技術(shù)、激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)和近紅外光譜分析技術(shù)進(jìn)行了綜述，分析了這些技術(shù)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，最后指出自動化、智能化是煤炭質(zhì)量分析未來發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞：煤質(zhì);經(jīng)濟(jì)效益;自動分析技術(shù);智能化

0 ? ?引言

煤質(zhì)分析的主要內(nèi)容是元素分析和工業(yè)分析。合理利用煤的工業(yè)分析和元素分析，可以掌握煤的物化性質(zhì)以及有用元素的含量，由此指導(dǎo)鍋爐的運(yùn)行，優(yōu)化入爐煤的燃燒特征，提升煤的工業(yè)實用價值。電廠和選煤廠的煤質(zhì)檢測指標(biāo)主要是水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳、發(fā)熱量、硫含量等工業(yè)分析數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的化學(xué)檢測方法檢測結(jié)果精度高，代表性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的說服力，但是需要對試樣進(jìn)行破碎、縮分、篩分、干燥、稱重等燃前準(zhǔn)備，一方面存在人為因素所帶來的偶然誤差，另一方面還存在著一些工序復(fù)雜、結(jié)果滯后的影響。而在線數(shù)據(jù)自動分析技術(shù)能夠克服這些人為主觀性因素帶來的難題，還能對煤質(zhì)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)快速的實時分析，實現(xiàn)對現(xiàn)場配煤、燃燒鍋爐的負(fù)荷和參數(shù)的及時調(diào)整和優(yōu)化。近年來，國家提出加快煤炭工業(yè)改革，促進(jìn)煤炭工業(yè)智能化發(fā)展，迫切需要開發(fā)和應(yīng)用煤質(zhì)自動分析技術(shù)?，F(xiàn)有并得到廣泛認(rèn)可的在線自動分析技術(shù)主要有微波水分檢測技術(shù)、中子活化分析技術(shù)、激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)和近紅外光譜分析技術(shù)，本文將對這幾種技術(shù)進(jìn)行簡要分析。

1 ? ?微波水分檢測技術(shù)

1.1 ? ?微波水分儀的原理

微波是一種由電磁振蕩產(chǎn)生的高頻電磁波，試樣的介電常數(shù)決定了微波對試樣的吸收和反射特性。試樣中所含有的水分在微波頻率段的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煤樣中的固體，因而，當(dāng)微波通過含水物質(zhì)時，由水分引起的微波能量的損耗是最顯著的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于由煤樣中的固體引起的微波能量損耗。由電磁理論可知，微波穿透煤層后的強(qiáng)度衰減和相位偏移與煤炭中含水量存在確定的數(shù)學(xué)關(guān)系，由此可以建立合適的數(shù)學(xué)模型，利用編程技術(shù)擬合出強(qiáng)度衰減和相位偏移與水分含量的對應(yīng)數(shù)學(xué)表達(dá)式或函數(shù)曲線，并由多次的強(qiáng)度衰減和相位偏移值計算出煤炭平均水分，將結(jié)果與人工化驗值進(jìn)行對比及誤差分析。

1.2 ? ?實驗影響因素

多次實驗證明，微波的強(qiáng)度衰減和相位偏移的主要影響因素有煤層厚度、堆密度和表面形狀等。實驗結(jié)果表明，隨著煤層厚度的增加，強(qiáng)度衰減和相位偏移相應(yīng)增大。原因是微波透射行程中所檢測的煤量增加，因此強(qiáng)度衰減和相位偏移隨之增加。另外，微波的強(qiáng)度衰減和相位偏移的大小與煤的松散度有關(guān)，一般而言，壓實煤樣比疏松煤樣大。這是由于壓實煤樣的堆密度較大，微波透射行程內(nèi)煤的含水量占比較高，因而可以引起工作強(qiáng)度逐漸衰減和相位偏移增大。與規(guī)則平整煤樣相比，中間凸出20 mm的煤樣其強(qiáng)度衰減和相位偏移將增大，中間凹下20 mm的煤樣其強(qiáng)度衰減和相位偏移將減小。分析其原因后可知，煤層表面形狀由平整變?yōu)橹虚g凸出20 mm后，微波傳輸行程中的煤量和含水量增多，因而強(qiáng)度衰減和相位偏移將增大，中間凹下20 mm則恰好相反[1]。

1.3 ? ?微波水分儀的不足、補(bǔ)償和前景

微波水分儀取樣標(biāo)定的時間長，投入的工作需求量大，并且企業(yè)前期的投入成本費(fèi)用相對較高。每次測量只能重新計算和重新校準(zhǔn)，有很大的局限性。

煤層厚度、堆密度和形狀的變化是強(qiáng)度衰減和相位偏移產(chǎn)生變化的主要原因，從而導(dǎo)致水分測量不夠準(zhǔn)確，影響最終結(jié)果。因此，可以在微波水分儀中安裝超聲波傳感器和閃爍計數(shù)器，以補(bǔ)償煤層厚度、體積密度和形狀變化帶來的影響，進(jìn)而完善測量的準(zhǔn)確度[2]。

微波技術(shù)在煤水分檢測中的應(yīng)用已顯示出很大的優(yōu)勢，但由于以往實驗研究儀器經(jīng)費(fèi)過高，一定程度上阻礙了微波技術(shù)的發(fā)展。隨著新時期對微波技術(shù)的探索，微波技術(shù)的優(yōu)勢地位日益突出，微波檢測技術(shù)的智能化表現(xiàn)在朝高精度、高分辨率和高速度的方向不斷發(fā)展，具有非常廣闊的經(jīng)濟(jì)前景。

2 ? ?中子活化分析技術(shù)

2.1 ? ?中子活化分析原理

儀器中子活化分析稱為“中子激活分析”，利用中子輻照樣品引起劇烈的核反應(yīng)，使樣品激活和輻射能量，用γ射線光譜儀確定其光譜，根據(jù)光譜峰值確定標(biāo)本的組成，對物質(zhì)元素進(jìn)行定性和定量分析。

2.2 ? ?中子分析儀的應(yīng)用

中子活化分析技術(shù)已在國內(nèi)發(fā)電廠、選煤廠得到應(yīng)用，以DF-5703（B）中子活化旁線煤質(zhì)分析儀為例，探索中子活化分析儀的測量指標(biāo)精度。利用汽車取樣器對幾十輛卡車的煤抽取試樣，用中子分析儀和人工化驗兩種方法分別進(jìn)行試樣的灰分、水分、硫含量和發(fā)熱量的結(jié)果測量。將兩種化驗結(jié)果進(jìn)行對比，50組數(shù)據(jù)的各工業(yè)指標(biāo)誤差如下：含硫量、水分、灰分、熱值的測量誤差分別為0.05%、0.32%、0.45%、284.2 kJ/kg[3]?？梢悦黠@看出，自動檢測數(shù)值與人工化驗數(shù)值之間存在著一些很小的誤差，體現(xiàn)出中子活化分析儀的測量精度較高。

2.3 ? ?中子分析儀的優(yōu)越性和不足

中子活化旁線煤質(zhì)分析儀以其穩(wěn)定性好、測量準(zhǔn)確度高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的認(rèn)可，可用于測定煤的灰分、水分、全硫分、發(fā)熱量等指標(biāo)。該項技術(shù)沒有取樣、制樣等人為影響因素的干擾，分析研究結(jié)果可以更加客觀準(zhǔn)確。

但是這項技術(shù)具有放射性，其應(yīng)用受到輻射帶來的安全問題的限制，樣品需要測量不同半衰期的核素，而且大多數(shù)元素的分析周期較長，希望未來的中子活化分析技術(shù)能夠盡快突破輻射安全問題。