浅谈煤质自动分析技术的现状和发展

浅谈煤质自动分析技术的现状和发展

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

 

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，实现对现场配煤、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。

 

一、微波水分检测技术

（一）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。

（二）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20mm的煤样其强度衰减和相位偏移将增大，中间凹下20mm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20mm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20mm则恰好相反[1]。

（三）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。

 

二、中子活化分析技术

（一）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。

（二）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%、284.2kJ/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。

（三）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。

 

三、激光诱导击穿光谱技术

（一）激光诱导击穿光谱技术原理

激光诱导击穿光谱（LIBS）技术原理是利用脉冲激光聚焦试样表面形成等离子体，分析等离子体发射的光谱，确定样品的物质成分及含量。超短脉冲激光聚焦后能量密度较高，可以将任何物态（固态、液态、气态）的样品激发形成等离子体，几乎所有的元素被激发形成等离子体后都会发出特征谱线，因此LIBS可以分析大多数的元素以及评估每个构成元素的相对丰度。

（二）激光诱导击穿光谱技术的应用

2015年，章丘电厂安装了LIBS在线煤质检测系统，其由连续制样、自动取样和LIBS在线检测分析等模块组成，系统运行稳定。LIBS为煤质在线检测和分析提供了一种新的、高度自动化的方案，该方案实现了对煤的干灰、挥发分、固定碳、热值、硫含量和氢含量的在线检测。LIBS利用光谱分析物质元素成分，具有分析快、制样简单、无污染、多元素同时分析的优点[4]。LIBS可以对现场采集的煤样进行测试，及时测定煤的水分、灰分、硫分、挥发分、发热量、粘结指数和凝胶层厚度等主要煤质指标，其优势主要在于对样品的检测工作时间相比传统人工化验方法大大缩短。LIBS在我国煤质检测中的应用已取得一定成果，多位学者已进行相关的探索和研究。LIBS在煤质检测中的应用是利用初步测试结果和优化的数学模型预测煤质分析指标，然后根据预测结果与人工分析结果之间的误差对数学模型进行优化，使在线测试结果逐渐趋于准确[5]。LIBS技术对硫分和氮氧化物的化验可用于指导燃煤的脱硫、脱硝任务，能够解决排放超标的主要问题，降低环保管理成本。目前该技术精确度偏差较大，难以满足企业实际的检测系统需求，但其无放射性及化学污染，安全性高，未来的应用前景非常广阔。

 

四、近红外光谱分析技术

（一）近红外光谱技术简介

近红外光谱（NIRS）是利用NIRS的强吸收特性，实现对物质理化特性的定量检测和定性分析。由于其具有在线检测速度快、不消耗化学试剂、检测精度高等优点，NIRS目前已应用于煤质检测和分析，为煤炭行业的智能化发展提供了有效保障[6]。

（二）近红外光谱技术用于水分、全硫和发热量的检测

煤中含水量是煤质检测的重要指标之一，人工检测的方法主要包括空气干燥法、通氮干燥法等，这些测试方法普遍具有检测工作时间长、重复性差等缺陷，不能适应未来煤炭行业的智能化发展需求。

利用近红外光谱技术可以建立水分的测验模型，拟合出回归方程，使人工化验所得数值与方程计算出的预测值相关安全系数达到0.97，完全符合国标对重复性的限制（0.5）[7]。因此，相较于常规测量方法，使用近红外光谱技术测量煤中含水量更加方便、快捷。

硫、氮元素含量高，煤在燃烧中会释放出二氧化硫、三氧化硫、氮氧化物等大气污染物，因此，对于煤中硫的检测是电厂和选煤厂最重要的工作之一，不仅要检测，还要想方设法降低含硫量，以减少其对生态环境和建筑物的严重危害。对于全硫的检测，传统上常采用高温燃烧过程中和法和艾氏卡法检测煤质中的含硫成分，但前者需消耗较多化学药剂，易造成影响较大的环境污染问题，后者需要进行煤质硫分分析，需经过称量、过滤、水洗、灼烧等烦琐操作，检测过程中还需用到浓盐酸、氯化钡等危险化学药品，安全性方面有待进一步提升，并且实验中还存在较多人为因素干扰，难以保证检测的准确性。

随着近红外光谱技术的出现及其在煤质检测和分析中的应用，人们发现相较于传统的测硫技术，近红外光谱法测硫具有良好的选择性、重复性和检测结果的准确性，因此该技术未来必将得到迅速发展。

传统的发热量测量方法有氧弹法和化学分析法。而将近红外光谱分析技术应用到煤质分析上，可以建立煤中发热量的测定数据模型，采用多元线性回归方法研究得出回归方程。该方法计算值与人工化验值之间的相关系数可以达到0.92，标准值与预测值高度相关[8]。

（三）近红外光谱分析技术的不足

目前，近红外光谱分析技术已经应用到煤质的分析和检测中，但我国利用近红外光谱进行煤质分析的国标只有一个关于煤中总硫分含量测定的标准，对用近红外光谱检测和分析煤质尚未形成相关的煤炭行业标准，电厂和选煤厂也暂时没有普及应用相应的在线检测设备。相信未来随着国家相关技术标准和政策的逐渐落实，近红外光谱分析技术将为中国煤炭行业的智能化发展提供新的动力。

 

五、结论

当前，传统的煤质人工化验分析方法已越来越难以满足现代煤炭生产、技术改造和管理的要求，煤质检验正在朝着高精度、高分辨率、高智能化的方向快速发展。因此，本文对于现有并得到广泛认可的煤质在线自动分析技术进行了简要的探讨和总结，并得出以下结论：

（1）微波水分检测技术在煤质水分检测中的应用已经显示出巨大的优越性，但煤层厚度、煤堆密度和形状的变化对水分测量会造成较大的误差。

（2）中子活化分析技术稳定性好、测量准确度高、适应性强，不受取样、制样等人为影响因素干扰，但其应用受到辐射带来的安全问题的限制。

（3）激光诱导击穿光谱技术在煤质检测中的应用主要是利用初步检测结果和优化的数学模型预测煤质分析指标，如水分、灰分、挥发分、硫分、发热量、粘结指数和凝胶层厚度等。

（4）近红外光谱分析技术在我国国家标准中仅有煤中全硫含量测定的相关规定，尚没有其他关于近红外光谱煤质检测的行业标准。

 

 

 

参考文献：

[1]缪建均，宋兆龙.微波在线检测煤水分及其影响因素试验的研究[J].自动化仪表，2014，35（7）：22-24.

[2]潘晶.燃煤电厂应用煤质在线检测技术的现状及前景[J].东北电力技术，2007（1）：43-47.

[3]刘永超，宋青锋，李岩峰，等.中子活化分析技术在煤质检测中的应用[J].水泥技术，2020（5）：61-65.

[4]邵曙光，王晓强.激光诱导击穿光谱分析技术在炼焦配煤中的应用[C]//2019全国焦化行业创新节能减排技术研讨会暨七省金属学会第二十届焦化学术年会论文集，2019：42-45.

[5]黄海东，梁朋，朱宝森，等.基于诱导击穿光谱技术的煤质在线分析系统及其应用研究[J].华电技术，2020，42（12）：82-87.

[6]冯利.近红外光谱技术在煤质分析中的应用及展望[J].中国设备工程，2019（5）：197-199.

[7]梁勇.论近红外光谱技术在煤质检测分析中的应用[J].辽宁化工，2017，46（3）：312-314.

[8]高楠.论近红外光谱技术在煤质检测分析中的应用[J].能源与节能，2016（2）：186-187.
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