煤質(zhì)在線檢測技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究

高佳璽

（山西汾西礦業(yè)（集團）有限責(zé)任公司雙柳煤礦，山西 柳林 033300）

引言

煤質(zhì)檢測主要內(nèi)容包括有水分、灰分、固定碳以及發(fā)熱量等指標，同時隨著環(huán)境保護重視程度的不斷提升，對煤質(zhì)中硫元素的檢測需求也不斷增加[1-2]。煤質(zhì)在線檢測技術(shù)相對于傳統(tǒng)的煤質(zhì)化學(xué)分析而言，流程更為簡單，檢測過程中無采、制、化等工序，從而可實現(xiàn)快速、實時煤質(zhì)分析[3-4]。現(xiàn)階段常用的煤質(zhì)在線檢測技術(shù)有核輻射法(有源)以及微波法（無源）。煤中灰分檢測一般采用核輻射法具有可細分為β 射線反散射、高能γ 射線湮沒輻射、低能γ 射線反散射、瞬發(fā)γ 射線中子活化分析等技術(shù)方法，除去瞬發(fā)γ 射線中子活化分析在現(xiàn)階段煤質(zhì)分析應(yīng)用較為普遍外，其余的檢測方法在測量誤差大、工業(yè)化應(yīng)用條件苛刻等因素影響下，應(yīng)用并不廣泛[5-6]。核輻射法應(yīng)用過程中存在的最大問題是對人體有一定傷害，因此現(xiàn)階段煤質(zhì)在線檢測中應(yīng)用最為廣泛的為無源檢測技術(shù)。文中對現(xiàn)階段煤質(zhì)在線檢測技術(shù)發(fā)展以及現(xiàn)場應(yīng)用情況進行闡述，以期能在一定程度上提升煤質(zhì)在線檢測技術(shù)發(fā)展以及應(yīng)用。

1 煤質(zhì)在線檢測技術(shù)發(fā)展分析

微波法（無源）由于無放射源，因此現(xiàn)場應(yīng)用過程中不涉及到放射源許可、管理等多方面問題，后期的應(yīng)用成本更低。現(xiàn)階段常用的無源檢測方法有天然γ 射線測量法、MXRA 法（多能X 射線吸收法）、NIR 法（近紅外光譜分析法）、XRF 法（X 射線熒光法）等。

1.1 天然γ 射線測量法發(fā)展分析

在煤巖體甚至地表土壤中均存在有一定的放射性元素，煤炭中放射性元素多集中在礦物中（灰分），而煤炭中的揮發(fā)分以及固定碳等有機質(zhì)中一般不含有放射性元素。因此，對于一定質(zhì)量的煤炭而言，含有的灰分含量越高則放射性越大。天然γ 射線可表征灰分中放射性，因此采用相關(guān)儀器對原煤中天然γ 射線進行測定即可掌握煤體中灰分含量。

1.2 MXRA 法發(fā)展分析

MXRA 法通過電子轟擊金屬靶產(chǎn)生人工射線，利用煤中各元素對人工射線能量敏感性差異實現(xiàn)對煤體中Si、C、Al、Ca、FeS 等元素成分進行分析。通過增加能量區(qū)間范圍可減少測量誤差，具體MXRA 法檢測技術(shù)原理，如圖1 所示。

圖1 MXRA 法檢測技術(shù)原理

該技術(shù)方法采用人工射線，現(xiàn)場無放射源，同時引入多能量人工射線可構(gòu)建多遠混合模型，從而降低煤體中高Z 元素對灰分檢測結(jié)果影響。利用多能量人工射線可實現(xiàn)同時對煤體中灰分、硫分進行測定。

1.3 NIR 法發(fā)展分析

NIRS 光為波長780 nm～2526 nm 的電磁波，當NIRS 光照射到物體上時，物體中不同化學(xué)鍵會吸收某些特征波，具體特征波吸收量與化學(xué)鍵含量相關(guān)，滿足Lambert-Beer 光譜定律。測定的煤炭樣本狀態(tài)為固態(tài)顆粒狀，當NIRS 光照射至被檢測煤樣中，由于NIRS 光波長要遠小于檢測的煤樣顆粒直徑，光波在煤樣顆粒間會出現(xiàn)吸收、散射、發(fā)射以及漫反射等等作用，具體如第52 頁圖2 所示。

圖2 NIR 法檢測原理

分析光與煤樣表面、內(nèi)部出現(xiàn)漫反射后會改變分析光傳播方向，返回樣品表面的光含有煤樣結(jié)構(gòu)、組成信息。采用NIR 法可對煤樣中C-H、N-H、O-H、S-H 等氫基團，F(xiàn)e-S、S-O、C-O 等化合物進行分析。

1.4 XRF 法發(fā)展分析

該方法是通過X 射線管對煤體進行檢驗，在煤體測試過程中每種元素均會釋放出熒光（二次X 射線），不同元素所釋放的熒光具有不同的特征波長自己能量，通過測定熒光的數(shù)量信息、能量等即可掌握煤體中各元素類型以及含量，具體測定原理，如圖3所示。

圖3 XRF 法檢測原理

2 煤質(zhì)在線檢測技術(shù)應(yīng)用分析

文中就從經(jīng)濟性、功能完備性以及檢測精度等方面對上述各種煤質(zhì)在線檢測技術(shù)應(yīng)用可行性等進行分析。

2.1 天然γ 射線測量法應(yīng)用分析

天然γ 射線測量法應(yīng)用過程中不需要使用放射源，通過對煤體中原有的天然性放射源產(chǎn)生的γ射線進行計數(shù)即可確定煤體中灰分含量。針對特定的煤種該技術(shù)方法可滿足在線檢測需要，但是基于該技術(shù)方法研發(fā)的檢測設(shè)備往往價格昂貴，經(jīng)濟性較差。

現(xiàn)場應(yīng)用過程中由于煤體中核元素含量較低，在對γ 射線檢測時容易受外界環(huán)境影響，從而導(dǎo)致煤體中灰分測量結(jié)果精準度偏低。特別是煤體中灰分主要為Al、Ca、Si 以及Fe 等元素氧化物時，由于γ 射線與上述元素間無直接聯(lián)系，從而使得天然γ射線測量法獲取到的煤體灰分測量精度偏低。因此，天然γ 射線測量法現(xiàn)場應(yīng)用具有較大的局限性，僅適用含有較高放射性物質(zhì)的煤體。

2.2 MXRA 法應(yīng)用分析

MXRA 法是通過電子射線管產(chǎn)生多能量人工射線，利用人工射線衰減規(guī)律模型構(gòu)建得到煤體中Si、Ca、Al 以及Fe 等元素含量，并通過利用各組分間關(guān)系計算得到煤體中S、C 等元素含量。同時結(jié)合水分測定結(jié)果計算得出煤體發(fā)熱量。為了確保檢查江都，一般要求檢查的煤樣中煤流粒度在13 mm 以內(nèi)，輸送帶上煤流寬度、厚度分別在10 cm、3 cm 以上。

現(xiàn)階段MXRA 法已在神東煤炭下屬選煤廠進行工業(yè)應(yīng)用，但是具體應(yīng)用效果有待進一步考察。

2.3 NIR 法應(yīng)用分析

NIR 法是通過對煤體漫反射產(chǎn)生的光譜進行分析從而實現(xiàn)對煤質(zhì)檢測。由于是通過合頻吸收或者倍頻檢測，從而導(dǎo)致NIR 法測量精度偏低，要求檢測的某項成分含量占比應(yīng)在0.1%以上；同時NIR 法獲取到的漫反射信號一般較弱，因此對探測設(shè)備有較高要求，加之近紅外光譜含有的信息繁雜，需要采用專用的計量學(xué)方法提取相關(guān)信息、構(gòu)建分析模型方可實現(xiàn)對測定結(jié)果定量分析；現(xiàn)階段NIR 法采用的近紅外光譜可直接對煤體中硫分、水分以及揮發(fā)分等進行檢測，但是無法對煤體中灰分進行直接測定，需要利用揮發(fā)分與灰分間關(guān)系對灰分含量進行測定。

現(xiàn)階段基于NIR 法煤質(zhì)在線檢測技術(shù)仍處于初級階段，具體工業(yè)應(yīng)用仍需要進一步研究。由于NIR 法具有無污染、不消耗試劑、在線檢測等優(yōu)點，是后續(xù)煤質(zhì)在線檢測重要的技術(shù)手段。

2.4 XRF 法

XRF 法適用于對分具有較大原子序數(shù)的元素，對原子序數(shù)較小的輕元素不適應(yīng)，同時該方法測定結(jié)果精準度、靈敏度等均較差，對被檢測的煤樣樣品有較高要求。需要采用專用系統(tǒng)對煤樣進行預(yù)先處理，處理后的煤樣粒度應(yīng)在0.2 mm 以下?，F(xiàn)階段基于XRF 法研制的檢測設(shè)備往往價格昂貴、體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

XRF 法在美國等西方發(fā)達國家中對煤質(zhì)在線檢測有工業(yè)應(yīng)用，但是國內(nèi)相關(guān)檢測裝置仍在研發(fā)階段，未見相關(guān)工業(yè)應(yīng)用報道。

3 結(jié)語

煤質(zhì)檢測對掌握煤炭質(zhì)量以及降低煤炭污染具有重要意義，現(xiàn)階段煤質(zhì)檢測多采用人工化驗方式，存在操作過程繁瑣、測定結(jié)果滯后等問題。煤質(zhì)在線檢測技術(shù)可實時獲取煤質(zhì)參數(shù)，從而顯著提升煤質(zhì)檢測效率。文中就現(xiàn)階段煤質(zhì)檢測技術(shù)現(xiàn)狀以及應(yīng)用情況進行闡述。