楊 陽

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 檢測分院，北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 前 言

煤質(zhì)分析包括采樣、制樣和檢測3個環(huán)節(jié)。機(jī)械化采制樣設(shè)備已廣泛應(yīng)用于采取和制備環(huán)節(jié)，一般得到13 mm或6 mm的煤樣，再經(jīng)過制樣得到6 mm或3 mm和0.2 mm的煤樣；全水分樣品粒度為13 mm或6 mm，煤質(zhì)參數(shù)樣品粒度一般為0.2 mm。

隨著儀器技術(shù)的發(fā)展，在線分析技術(shù)越來越多地應(yīng)用于快速分析，以便進(jìn)行生產(chǎn)控制。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析法具有設(shè)備成本低、結(jié)果準(zhǔn)確穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但人力成本高、區(qū)域跨度大、試驗(yàn)周期長。便攜式煤質(zhì)快速分析法的工作方式靈活機(jī)動、試驗(yàn)周期短，但樣品的代表性差、分析項(xiàng)目少且精度低，應(yīng)用具有很大的局限性。

該項(xiàng)目通過將特種車輛底盤改造后的車載系統(tǒng)、機(jī)械化采制樣系統(tǒng)、破碎縮分系統(tǒng)一體化，與煤質(zhì)在線檢測系統(tǒng)有機(jī)整合，形成車載可移動式煤質(zhì)分析裝備，實(shí)現(xiàn)可移動檢測。移動式煤質(zhì)分析技術(shù)很好地實(shí)現(xiàn)了針對煤流連續(xù)、自動、實(shí)時測量，人力成本大幅縮減，樣品代表性好，分析結(jié)果快速且相對準(zhǔn)確。近十幾年來，隨著社會需求的增大和在線分析儀技術(shù)的日趨完善，煤炭在線分析儀在世界各國已越來越廣泛地應(yīng)用于采煤分級控制、原煤質(zhì)量監(jiān)測、洗煤廠洗選工藝控制、配煤、煤場管理、電廠入廠煤質(zhì)量監(jiān)測等領(lǐng)域中[1-4]。

1 工作原理

機(jī)械化采制樣系統(tǒng)采用破碎、縮分一體化制樣方案(包括粒度和縮分)，同時采用整機(jī)密封技術(shù)，保證制樣過程無泄漏；采用料流整形和連續(xù)輸送技術(shù)，與煤質(zhì)在線檢測系統(tǒng)有機(jī)整合，子系統(tǒng)間協(xié)調(diào)動作，為煤質(zhì)在線檢測提供均勻、穩(wěn)定的煤流，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)檢測。

煤質(zhì)分析裝備布置方案如圖1所示，該系統(tǒng)由均煤攪拌機(jī)、破碎機(jī)(出料6 mm)、皮帶機(jī)、煤流整形器、微波透射測水儀、煤質(zhì)分析裝置、除塵風(fēng)機(jī)及其余配套設(shè)施組成。

圖1 煤質(zhì)分析裝備布置方案

工作時，首先由螺旋汽車采樣機(jī)將煤樣采取后送入均煤攪拌機(jī)內(nèi)，在充分?jǐn)嚢杈鶆蚝舐淙肫扑闄C(jī)破碎，破碎成6 mm的煤流后落入下方的皮帶機(jī)，通過后續(xù)布置的煤流整形器并形成厚度均勻的、連續(xù)穩(wěn)定的煤流以供微波透射測水儀、快速煤質(zhì)分析儀進(jìn)行煤質(zhì)檢測。檢測出煤質(zhì)數(shù)據(jù)后煤流經(jīng)車體尾部送回原煤堆。

2 無源在線檢測

利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)技術(shù)，具有檢測速度快、可以全元素分析和便于現(xiàn)場使用等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)檢測、污染物檢測、礦石勘探和食品安全檢測等領(lǐng)域均有很大的應(yīng)用潛力[5-9]。通過LIBS技術(shù)測定碳、氫、硫、灰分成分，即利用高能脈沖激光照射被測物體表面，其激光脈沖的時間寬度在納秒量級，激光使物體表面的微小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生等離子體，再測量等離子體中各種元素發(fā)射的特征光譜，繼而分析各種元素的含量[10-12]。

由于激光激發(fā)形成的等離子體存在時間極短(10 μs～20 μs)，通過特有的激光器技術(shù)，從硬件上保證檢測結(jié)果的重復(fù)性、再現(xiàn)性；在軟件方面，配套專有的光譜分析技術(shù)和專業(yè)分析軟件，保證系統(tǒng)的分析精度。

圖2 煤炭典型LIBS光譜

目前，對煤中碳、氫、硫、灰分的測量已經(jīng)有了新進(jìn)展，具備工業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)；煤炭典型的LIBS光譜如圖2所示。結(jié)合相關(guān)研究[13-15]并分析圖2可知:煤中被關(guān)注的幾乎所有元素均可在光譜中找到較強(qiáng)的特征譜線。

應(yīng)用以上方法確定碳、氫、硫、水分等多個參數(shù)后，通過理論公式計算得出發(fā)熱量；相比X射線測量方法，增加了氫元素的測定，在發(fā)熱量計算方面更加準(zhǔn)確。

3 采制化銜接

系統(tǒng)的工藝流程如圖3所示。

圖3 采制化工藝流程圖

由圖3可知，先將人工采樣或機(jī)械化所采煤樣放入集料煤倉中，待煤樣放置完畢并達(dá)到煤質(zhì)檢測所需量的要求后，開動攪拌機(jī)將煤樣混勻，落入破碎機(jī)中經(jīng)破碎成13 mm或6 mm粒度的煤樣，落入定量倉后再入皮帶機(jī)，經(jīng)過煤流整形器形成厚度均勻、連續(xù)穩(wěn)定的煤流以供后續(xù)的儀器進(jìn)行檢測。煤質(zhì)數(shù)據(jù)經(jīng)上位機(jī)處理，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸上級管理中心，經(jīng)過軟件分析處理后形成煤質(zhì)檢測報告。

4 移動式煤質(zhì)分析裝備組成

(1)車載采樣系統(tǒng)。車載移動式機(jī)械化采樣技術(shù)包括采樣鉆頭的動力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、動力傳遞系統(tǒng)功能與液壓系統(tǒng)功率匹配研究、整機(jī)的動力學(xué)性能和穩(wěn)定性研究、車載系統(tǒng)與采樣系統(tǒng)集成、匹配研究等。

(2)制樣系統(tǒng)。按照國標(biāo)GB474的要求，研發(fā)破碎、縮分一體化制樣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)制樣自動化；依據(jù)GB19494的要求，同時兼顧與煤質(zhì)分析系統(tǒng)的接口要求，研發(fā)專用的制樣系統(tǒng)，進(jìn)行煤樣的制備，為煤質(zhì)檢測儀器裝置提供均勻、連續(xù)穩(wěn)定，粒度滿足檢測需要的煤樣。系統(tǒng)預(yù)留入料口，可與采樣系統(tǒng)無縫對接，實(shí)現(xiàn)采制一體。

(3)檢測系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)包括微波在線檢測煤的全水分和快速分析煤的灰分、全硫，并利用煤質(zhì)數(shù)據(jù)相關(guān)性得到煤的發(fā)熱量。主要研究微波和無放射源快速檢測煤質(zhì)參數(shù)的方法、指標(biāo)的數(shù)據(jù)模型，建立適用于不同煤種并具有良好預(yù)測能力的定量分析模型；其中研究各種煤質(zhì)參數(shù)的影響條件以及標(biāo)定技術(shù)是檢測技術(shù)的核心、難點(diǎn)。

(4)車載系統(tǒng)。采用特種車輛底盤技術(shù)，具有高機(jī)動、高越野、高平順性和良好的環(huán)境適應(yīng)性，以保證在高寒、高溫、高濕、高海拔等惡劣環(huán)境下正常工作；同時，研發(fā)車載實(shí)驗(yàn)室環(huán)境系統(tǒng)和車載供電系統(tǒng)，確保實(shí)驗(yàn)所需的恒溫、恒濕的試驗(yàn)環(huán)境，保證制樣設(shè)備、煤質(zhì)分析設(shè)備所需的動力。

使用的車載平臺如圖4所示。

圖4 激光誘導(dǎo)在線煤質(zhì)分析儀工作原理

該車載平臺將移動式煤質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)室所需的設(shè)備集成，機(jī)動性好、靈活性高，能到達(dá)所要分析煤堆附近。同時該車還配備了隨車發(fā)電機(jī)，為車載設(shè)備提供所需要的電力。

(5)系統(tǒng)集成。配套除塵系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、專業(yè)軟件及輔助設(shè)施等并進(jìn)行項(xiàng)目總體設(shè)計、工藝規(guī)劃，將煤質(zhì)在線檢測子系統(tǒng)與機(jī)械化采制樣子系統(tǒng)進(jìn)行接口設(shè)計、系統(tǒng)集成，編制專用控制系統(tǒng)和軟件進(jìn)行系統(tǒng)的統(tǒng)一管理與控制。整機(jī)采用全密封設(shè)計，在子系統(tǒng)銜接處配置專用環(huán)保除塵系統(tǒng)，在關(guān)鍵設(shè)備及連接部位設(shè)置負(fù)壓吸塵模塊，確保移動實(shí)驗(yàn)室內(nèi)固體顆粒物的含量符合環(huán)保和職業(yè)衛(wèi)生要求。利用機(jī)械化制樣技術(shù)和煤質(zhì)快速檢測技術(shù)，解決煤質(zhì)檢測結(jié)果滯后的難題，實(shí)現(xiàn)對精煤質(zhì)量實(shí)時監(jiān)控。

5 遠(yuǎn)程智能數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

移動式智能煤炭分析實(shí)驗(yàn)室內(nèi)主機(jī)通過與外網(wǎng)互聯(lián)，利用專用數(shù)據(jù)分析軟件，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場制樣過程、煤質(zhì)數(shù)據(jù)結(jié)果的遠(yuǎn)程監(jiān)控、共享，自動出具檢測報告。

整個過程全程視頻監(jiān)控，并將視頻數(shù)據(jù)實(shí)時存儲于監(jiān)控主機(jī)，同時視頻數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)回傳至管理中心，可對圖像進(jìn)行實(shí)時觀看、錄入、回放、調(diào)出及儲存等操作，從而實(shí)現(xiàn)移動互聯(lián)的視頻監(jiān)控。

遠(yuǎn)程智能數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)由硬件防火墻、工業(yè)交換機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、現(xiàn)場及遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)、視頻采集和專用分析軟件、無線上網(wǎng)卡等組成，實(shí)現(xiàn)煤質(zhì)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程分析及監(jiān)控功能。系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)示意圖

6 總 結(jié)

該項(xiàng)目的移動式煤質(zhì)分析技術(shù)及裝備將采樣、制樣、檢測三大功能一體化集成，實(shí)現(xiàn)了采制化的無縫銜接；解決了無源快速檢測技術(shù)，相對于中子活化、伽馬射線等放射源檢測，系統(tǒng)安全性、維護(hù)經(jīng)濟(jì)性更高；同時檢測煤炭的發(fā)熱量、灰分、揮發(fā)分、硫、碳、氫等6個指標(biāo)，從采樣、制樣到檢測出具檢測報告時間僅30 min左右，快速高效，對于煤質(zhì)在線檢測的應(yīng)用更具指導(dǎo)意義。