杨 阳

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 检测分院，北京 100013;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

0 前 言

煤质分析包括采样、制样和检测3个环节。机械化采制样设备已广泛应用于采取和制备环节，一般得到13 mm或6 mm的煤样，再经过制样得到6 mm或3 mm和0.2 mm的煤样；全水分样品粒度为13 mm或6 mm，煤质参数样品粒度一般为0.2 mm。

随着仪器技术的发展，在线分析技术越来越多地应用于快速分析，以便进行生产控制。传统的实验室化学分析法具有设备成本低、结果准确稳定的优点，但人力成本高、区域跨度大、试验周期长。便携式煤质快速分析法的工作方式灵活机动、试验周期短，但样品的代表性差、分析项目少且精度低，应用具有很大的局限性。

该项目通过将特种车辆底盘改造后的车载系统、机械化采制样系统、破碎缩分系统一体化，与煤质在线检测系统有机整合，形成车载可移动式煤质分析装备，实现可移动检测。移动式煤质分析技术很好地实现了针对煤流连续、自动、实时测量，人力成本大幅缩减，样品代表性好，分析结果快速且相对准确。近十几年来，随着社会需求的增大和在线分析仪技术的日趋完善，煤炭在线分析仪在世界各国已越来越广泛地应用于采煤分级控制、原煤质量监测、洗煤厂洗选工艺控制、配煤、煤场管理、电厂入厂煤质量监测等领域中[1-4]。

1 工作原理

机械化采制样系统采用破碎、缩分一体化制样方案(包括粒度和缩分)，同时采用整机密封技术，保证制样过程无泄漏；采用料流整形和连续输送技术，与煤质在线检测系统有机整合，子系统间协调动作，为煤质在线检测提供均匀、稳定的煤流，实现多点检测。

煤质分析装备布置方案如图1所示，该系统由均煤搅拌机、破碎机(出料6 mm)、皮带机、煤流整形器、微波透射测水仪、煤质分析装置、除尘风机及其余配套设施组成。

图1 煤质分析装备布置方案

工作时，首先由螺旋汽车采样机将煤样采取后送入均煤搅拌机内，在充分搅拌均匀后落入破碎机破碎，破碎成6 mm的煤流后落入下方的皮带机，通过后续布置的煤流整形器并形成厚度均匀的、连续稳定的煤流以供微波透射测水仪、快速煤质分析仪进行煤质检测。检测出煤质数据后煤流经车体尾部送回原煤堆。

2 无源在线检测

利用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术，具有检测速度快、可以全元素分析和便于现场使用等优点，在工业检测、污染物检测、矿石勘探和食品安全检测等领域均有很大的应用潜力[5-9]。通过LIBS技术测定碳、氢、硫、灰分成分，即利用高能脉冲激光照射被测物体表面，其激光脉冲的时间宽度在纳秒量级，激光使物体表面的微小区域内产生等离子体，再测量等离子体中各种元素发射的特征光谱，继而分析各种元素的含量[10-12]。

由于激光激发形成的等离子体存在时间极短(10 μs～20 μs)，通过特有的激光器技术，从硬件上保证检测结果的重复性、再现性；在软件方面，配套专有的光谱分析技术和专业分析软件，保证系统的分析精度。

图2 煤炭典型LIBS光谱

目前，对煤中碳、氢、硫、灰分的测量已经有了新进展，具备工业化应用的基础；煤炭典型的LIBS光谱如图2所示。结合相关研究[13-15]并分析图2可知:煤中被关注的几乎所有元素均可在光谱中找到较强的特征谱线。

应用以上方法确定碳、氢、硫、水分等多个参数后，通过理论公式计算得出发热量；相比X射线测量方法，增加了氢元素的测定，在发热量计算方面更加准确。

3 采制化衔接

系统的工艺流程如图3所示。

图3 采制化工艺流程图

由图3可知，先将人工采样或机械化所采煤样放入集料煤仓中，待煤样放置完毕并达到煤质检测所需量的要求后，开动搅拌机将煤样混匀，落入破碎机中经破碎成13 mm或6 mm粒度的煤样，落入定量仓后再入皮带机，经过煤流整形器形成厚度均匀、连续稳定的煤流以供后续的仪器进行检测。煤质数据经上位机处理，无线网络传输上级管理中心，经过软件分析处理后形成煤质检测报告。

4 移动式煤质分析装备组成

(1)车载采样系统。车载移动式机械化采样技术包括采样钻头的动力学分析和结构优化设计、动力传递系统功能与液压系统功率匹配研究、整机的动力学性能和稳定性研究、车载系统与采样系统集成、匹配研究等。

(2)制样系统。按照国标GB474的要求，研发破碎、缩分一体化制样系统，实现制样自动化；依据GB19494的要求，同时兼顾与煤质分析系统的接口要求，研发专用的制样系统，进行煤样的制备，为煤质检测仪器装置提供均匀、连续稳定，粒度满足检测需要的煤样。系统预留入料口，可与采样系统无缝对接，实现采制一体。

(3)检测系统。检测系统包括微波在线检测煤的全水分和快速分析煤的灰分、全硫，并利用煤质数据相关性得到煤的发热量。主要研究微波和无放射源快速检测煤质参数的方法、指标的数据模型，建立适用于不同煤种并具有良好预测能力的定量分析模型；其中研究各种煤质参数的影响条件以及标定技术是检测技术的核心、难点。

(4)车载系统。采用特种车辆底盘技术，具有高机动、高越野、高平顺性和良好的环境适应性，以保证在高寒、高温、高湿、高海拔等恶劣环境下正常工作；同时，研发车载实验室环境系统和车载供电系统，确保实验所需的恒温、恒湿的试验环境，保证制样设备、煤质分析设备所需的动力。

使用的车载平台如图4所示。

图4 激光诱导在线煤质分析仪工作原理

该车载平台将移动式煤质分析实验室所需的设备集成，机动性好、灵活性高，能到达所要分析煤堆附近。同时该车还配备了随车发电机，为车载设备提供所需要的电力。

(5)系统集成。配套除尘系统、电控系统、专业软件及辅助设施等并进行项目总体设计、工艺规划，将煤质在线检测子系统与机械化采制样子系统进行接口设计、系统集成，编制专用控制系统和软件进行系统的统一管理与控制。整机采用全密封设计，在子系统衔接处配置专用环保除尘系统，在关键设备及连接部位设置负压吸尘模块，确保移动实验室内固体颗粒物的含量符合环保和职业卫生要求。利用机械化制样技术和煤质快速检测技术，解决煤质检测结果滞后的难题，实现对精煤质量实时监控。

5 远程智能数据分析系统

移动式智能煤炭分析实验室内主机通过与外网互联，利用专用数据分析软件，实现现场制样过程、煤质数据结果的远程监控、共享，自动出具检测报告。

整个过程全程视频监控，并将视频数据实时存储于监控主机，同时视频数据通过互联网回传至管理中心，可对图像进行实时观看、录入、回放、调出及储存等操作，从而实现移动互联的视频监控。

远程智能数据分析系统由硬件防火墙、工业交换机、数据服务器、现场及远程监控计算机、视频采集和专用分析软件、无线上网卡等组成，实现煤质数据远程分析及监控功能。系统构成如图5所示。

图5 数据分析系统示意图

6 总 结

该项目的移动式煤质分析技术及装备将采样、制样、检测三大功能一体化集成，实现了采制化的无缝衔接；解决了无源快速检测技术，相对于中子活化、伽马射线等放射源检测，系统安全性、维护经济性更高；同时检测煤炭的发热量、灰分、挥发分、硫、碳、氢等6个指标，从采样、制样到检测出具检测报告时间仅30 min左右，快速高效，对于煤质在线检测的应用更具指导意义。