高佳璽

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

引言

煤質檢測主要內容包括有水分、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，對煤質中硫元素的檢測需求也不斷增加[1-2]。煤質在線檢測技術相對于傳統(tǒng)的煤質化學分析而言，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、實時煤質分析[3-4]?，F(xiàn)階段常用的煤質在線檢測技術有核輻射法(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方法，除去瞬發(fā)γ 射線中子活化分析在現(xiàn)階段煤質分析應用較為普遍外，其余的檢測方法在測量誤差大、工業(yè)化應用條件苛刻等因素影響下，應用并不廣泛[5-6]。核輻射法應用過程中存在的最大問題是對人體有一定傷害，因此現(xiàn)階段煤質在線檢測中應用最為廣泛的為無源檢測技術。文中對現(xiàn)階段煤質在線檢測技術發(fā)展以及現(xiàn)場應用情況進行闡述，以期能在一定程度上提升煤質在線檢測技術發(fā)展以及應用。

1 煤質在線檢測技術發(fā)展分析

微波法（無源）由于無放射源，因此現(xiàn)場應用過程中不涉及到放射源許可、管理等多方面問題，后期的應用成本更低?，F(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中一般不含有放射性元素。因此，對于一定質量的煤炭而言，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 法檢測技術原理，如圖1 所示。

圖1 MXRA 法檢測技術原理

該技術方法采用人工射線，現(xiàn)場無放射源，同時引入多能量人工射線可構建多遠混合模型，從而降低煤體中高Z 元素對灰分檢測結果影響。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，物體中不同化學鍵會吸收某些特征波，具體特征波吸收量與化學鍵含量相關，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構、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 煤質在線檢測技術應用分析

文中就從經濟性、功能完備性以及檢測精度等方面對上述各種煤質在線檢測技術應用可行性等進行分析。

2.1 天然γ 射線測量法應用分析

天然γ 射線測量法應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方法可滿足在線檢測需要，但是基于該技術方法研發(fā)的檢測設備往往價格昂貴，經濟性較差。

現(xiàn)場應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，從而導致煤體中灰分測量結果精準度偏低。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)場應用具有較大的局限性，僅適用含有較高放射性物質的煤體。

2.2 MXRA 法應用分析

MXRA 法是通過電子射線管產生多能量人工射線，利用人工射線衰減規(guī)律模型構建得到煤體中Si、Ca、Al 以及Fe 等元素含量，并通過利用各組分間關系計算得到煤體中S、C 等元素含量。同時結合水分測定結果計算得出煤體發(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，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)應用，但是具體應用效果有待進一步考察。

2.3 NIR 法應用分析

NIR 法是通過對煤體漫反射產生的光譜進行分析從而實現(xiàn)對煤質檢測。由于是通過合頻吸收或者倍頻檢測，從而導致NIR 法測量精度偏低，要求檢測的某項成分含量占比應在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方法提取相關信息、構建分析模型方可實現(xiàn)對測定結果定量分析；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)分與灰分間關系對灰分含量進行測定。

現(xiàn)階段基于NIR 法煤質在線檢測技術仍處于初級階段，具體工業(yè)應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)煤質在線檢測重要的技術手段。

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，同時該方法測定結果精準度、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)對煤樣進行預先處理，處理后的煤樣粒度應在0.2 mm 以下?，F(xiàn)階段基于XRF 法研制的檢測設備往往價格昂貴、體積龐大、結構復雜。

XRF 法在美國等西方發(fā)達國家中對煤質在線檢測有工業(yè)應用，但是國內相關檢測裝置仍在研發(fā)階段，未見相關工業(yè)應用報道。

3 結語

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