马 平，赵俊达，石 鹏
(中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063000)
灰分是煤炭质量的重要指标。在煤矿生产中，煤炭赋存地质条件的变化会对原煤煤质产生较大影响，在装车配煤时将直接影响煤质的合格率。早期的人工煤质灰分检测方法弊端较多，主要体现在：化验结果滞后，化验报告未出结果，产品或已装车运走，导致无法精准检测，甚至影响下一次配煤；
需收集样品送去检验，不能实时进行煤质检测，无法适应煤质的波动变化；
由于无法实时掌握煤质的波动变化，使得煤炭装车时质量误差较大，极易造成热值浪费或不达指标要求，由此带来较大经济损失。
为规避上述弊端，多年来人们积极研究煤质灰分的在线检测装置，以降低损失，提高效益[1-4]。
目前常用的灰分仪在线检测方法如下：
(1)双能量γ射线透射法：利用放射源射出射线，如Am241、Cs137等。因煤中无机质灰分的原子序数比可燃有机质的原子序数高，其减弱倍数大，通过检测γ射线的减弱程度换算出煤炭灰分含量。现灰分仪大都采用此类方法，应用较为普遍。
(2)β射线和低能γ射线反散射法：能够实现在线检测煤质，受外界因素影响较大，对煤质稳定性的要求较高。
(3)高能γ射线湮没辐射法：使用的γ射线能量高，穿透力更强，会产生大量辐射，管理过程中对射线屏蔽管理要求较高，加大了管理成本和难度。
(4)天然γ放射性测量法：在测量煤质时，依靠煤天然放射性，不使用放射源进行测量。煤的天然放射性能够使得γ计数率发生变化，由此确定煤的灰分。但天然放射性仅有百万分之几，含量极低，且极易受到外界环境影响，造成误差，需测量的矿物质含量与天然放射性含量的关系不能准确确定，影响测量的准确性。
(5)红外光谱分析法：在测量含水煤样时误差较大，主要是由于水中的羟基峰的影响，测定结果准确度下降。定量分析时，会产生较大误差，灵敏度下降，进行图谱解析时需要人工解析，靠经验进行分析确定结果，影响了准确度，推广应用有一定的局限性[5-8]。
考虑测量精度、技术经济性、技术成熟度及环境因素，现普遍采用的双能量γ射线透射法灰分仪基本能够满足要求。但该灰分仪因为有源放射，管理难度较大，管理成本较高，存在安全隐患。特别是在硫、铁含量较高的煤质中，为减少误差，需增加射线能量，由此加大了屏蔽工作的难度，加大了安全管理成本与难度[9-11]。
针对目前煤质在线检测中所存在问题，提出采用一种新型安全型煤质在线无源检测技术。其特点在于采用无源人工射线吸收法及非接触式测量，可实现对原煤灰分、硫分以及发热量的实时检测。
(1)新型安全型煤质在线无源检测灰分仪采用多能X射线吸收法，通过背电场加速的电子轰击金属靶产生人工射线，利用探测器检测通过煤后衰减的射线能谱，得出煤灰分、硫分与发热量，且能够增加能量区间，从而达到缩小误差的目的。采用射线装置发射X射线，不使用放射源，断电后不会输出射线[12]。
(2)双能量γ射线透射法灰分仪采用γ射线，具有非常强的穿透力，γ射线源每时每刻都在辐射，对设备的可靠性和防护要求都比较高，且γ射线不可调节，无法根据检测材料的厚度来采用适当的γ能量大小[5]。
由上述性能比对，虽与传统方法相比都需要发射射线，但新型安全型煤质在线无源检测灰分仪所采用的X射线为无源射线，X射线能量与γ射线相比要低得多，布置3～4 mm的钢板即可屏蔽射线[1]，较为安全可靠，管理维护方便，系统数据更加稳定。
神东上湾快速装车自动采样系统采用了新型安全型煤质在线无源检测技术——人工射线吸收法煤质在线灰分仪。如图1所示，将煤质在线灰分仪安装在胶带中部采样机的次级给料机与三级采样器之间。由胶带上取得的样品经过初级采样器将煤落在初级给料机，再由二级采样器到破碎机进行破碎，落至次级给料机，由灰分仪检测后三级采样器将煤样给到样品桶，斗提机收集弃料并运回主胶带[13-14]。
图1 安全型煤质在线灰分仪安装位置示意
新型安全型煤质在线灰分仪于2020年8月安装，2021年1月完成初步调试，具备检测条件，开始进行数据比对。在此过程中由于煤矿工作面接续和矿井原煤煤质变化较大，导致装车煤质灰分变化异常，超出调试标定的参数范围。后经1个月的比对和校准，将高灰分煤质数据添加到数据库中，积累了大量的煤质数据，根据运行实际情况及时修正了煤质特性曲线图，完善了煤质数据库，于3月中旬正式调试完成，经1个月的数据监控，测试结果达到预期。4月中旬正式将监控软件安装到质检计量中心由专人进行数据统计，累计200多组数据。
煤质监测数据对比如表1所示。由于篇幅所限，表1中所列23组数据为在实测200多组数据中选取的具有代表性的参数。
表1 神东上湾煤质数据对比
前期误差产生的原因为：
(1)煤样的检测时间较短。胶带上输煤量并不大，所以采样量偏小，其经过检测设备的时间大约只有10 s。
(2)采样次数受限，导致结果出现偏差。
(3)剩余煤样与采样煤样存在差距。
新型安全型煤质在线无源检测灰分仪经过前期大量的数据收集、标定，测量结果已趋于稳定[15]。
3.1 应用结果
本次应用是在煤炭粒度小于13 mm，煤流厚度30～35 mm，给料机胶带宽度约100 mm，煤流稳定且连续的特定条件下，在上湾一区自动采制样系统中进行，试验近3个月。
根据GB/T 18666—2014《商品煤质量抽查和验收方法》规定，商品煤灰分、热值指标标准如表2所示。
表2 商品煤灰分、热值指标标准(GB/T18666—2014)
神东上湾煤质数据中，平均灰分误差为：
平均发热量(Qgr.d)误差为：
符合上述商品煤灰分、热值允许差的规定。
3.2 存在问题
本次应用在线灰分仪未安装在线水分测定仪，默认全水分为17%，因人工检测全水分与仪器默认值不同，对该仪器的热值测定造成一定影响。如能与在线水分仪配合使用，可提高发热量检测的准确性。
3.3 建议
(1)通过射线检测时有其适宜厚度，需保持上煤厚度不超过限度，否则影响结果；
(2)在线检测煤质时需要借助发射源及检测器，分别布置于胶带上下两侧，但是胶带运行速度较快，煤量大，且会发生震动，所以仪器在安装时需注意其牢固性，减少胶带的震动，提高结果的准确度；
(3)仪器的测量点需应有代表性，尽量布置于胶带上煤量均匀的地方，在支撑托辊时减少胶带的下垂度，使物料在胶带上分布均匀，提高测量精度。
(1)新型安全型煤质在线无源检测灰分仪采用X射线吸收法，由射线发生装置产生无源X射线，断电后不会输出射线，有效减少了传统方法需要对周围环境中射线发射剂量的监控力度，减少了管理成本及难度，规避了有源射线的安全隐患；
(2)能够实现在线实时检测，避免了由于检测结果滞后导致的误差，且安装便利，运行可靠性更高；
(3)灰分测量数据满足行业标准中的均方根误差范围，设备间接测定收到基低位发热量基本满足生产过程在线煤质监测的要求；
(4)在线安装方便，不使用放射源。
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