快速測灰設(shè)備在山西焦煤集團(tuán)的應(yīng)用分析

李 霞，李婭楠，邢春芳，陳 飚，張治軍，鞏林盛，高建川

(1.山西焦煤集團(tuán) 霍州煤電呂臨能化選煤廠， 山西 呂梁 033200； 2.山西焦煤能源股份有限公司， 山西 太原 030024)

山西焦煤集團(tuán)是全國最大的煉焦煤生產(chǎn)加工企業(yè)、全國最大的煉焦煤市場供應(yīng)商，現(xiàn)有選煤廠50座，主要產(chǎn)品是煉焦用煤，包括焦煤、肥煤、1/3焦煤、瘦煤、氣肥煤、貧煤等多個(gè)煤種。其中強(qiáng)黏焦煤和肥煤均為世界稀缺資源，具有低灰、低硫、低磷、黏結(jié)性強(qiáng)、熱強(qiáng)度高、結(jié)焦性好等特性，所煉焦炭是大型鋼廠大高爐不可或缺的骨架爐料。隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，山西焦煤集團(tuán)積極響應(yīng)智能化建設(shè)要求，從2018年開始逐步開展了智能化選煤廠建設(shè)探索。在智能化建設(shè)過程中，各分選環(huán)節(jié)的灰分檢測如同人的“眼睛”，如何保證灰分檢測的快速、準(zhǔn)確，已成為企業(yè)智能化發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。

1 現(xiàn)狀及分析

灰分是煤炭加工利用的重要指標(biāo)之一，是指導(dǎo)煤炭生產(chǎn)、銷售的主要依據(jù)。根據(jù)GB/T 212《煤的工業(yè)分析方法》，灰分測定以緩慢灰分法為仲裁法，但該方法測定灰分值至少需要2.5 h，除緩慢灰分法外，國標(biāo)中還給出了快速灰化法，該方法從采樣、制樣、化驗(yàn)到結(jié)果報(bào)出約需50 min. 傳統(tǒng)灰分測定方法耗時(shí)長，無法及時(shí)指導(dǎo)煤炭生產(chǎn)，不能適應(yīng)現(xiàn)代煤炭加工利用需要。

為滿足高效生產(chǎn)對煤炭快速測灰、在線檢測的需求，20世紀(jì)20年代末荷蘭首先研制成“森得萊克斯”X射線測灰儀[1]. 此后，不同類型快速測灰設(shè)備相繼研發(fā)并投入使用，包括在線、離線、有源、無源、便攜式測灰儀等。各類快速測灰設(shè)備的研發(fā)投用，為實(shí)現(xiàn)灰分快速控制提供了可能，推動(dòng)了選煤廠智能化建設(shè)。

截至2021年8月底，山西焦煤集團(tuán)各選煤廠生產(chǎn)系統(tǒng)共安裝31臺(tái)各類快速測灰設(shè)備，包括中子活化煤質(zhì)分析儀、X光灰分儀、X熒光灰分儀、無源測灰儀等，大多安裝在精煤皮帶和中煤皮帶上，也有安裝在原煤皮帶、煤泥皮帶上，安裝方式多為跨帶安裝，個(gè)別為旁路安裝。目前各類快速測灰設(shè)備在使用過程中仍存在一些問題，主要表現(xiàn)在：

1) 原煤在線檢測精度達(dá)不到要求。山西焦煤集團(tuán)各選煤廠多為配煤入洗或多煤種入洗，原煤質(zhì)量波動(dòng)大，難以做到原煤均質(zhì)化。如果能夠在原煤入倉環(huán)節(jié)及時(shí)準(zhǔn)確進(jìn)行灰分檢測，指導(dǎo)原煤入倉，這對于后續(xù)工藝環(huán)節(jié)穩(wěn)定運(yùn)行、產(chǎn)品質(zhì)量控制至關(guān)重要。該集團(tuán)各選煤廠原煤灰分大多在15%～50%，目前各類快速測灰設(shè)備在此灰分范圍內(nèi)，檢測精度大多≤1.5%，甚至更低，且該檢測精度受煤質(zhì)變化的影響極大，實(shí)際使用效果并不理想。

2) 無法實(shí)現(xiàn)各工藝全流程在線檢測。分選環(huán)節(jié)是選煤廠質(zhì)量控制的核心，煉焦煤選煤廠多采用重介、浮選等加工工藝。目前來看，重介環(huán)節(jié)受限于快速測灰設(shè)備精準(zhǔn)度難以滿足生產(chǎn)實(shí)踐要求等原因，難以做到精準(zhǔn)的密度智能控制；浮選環(huán)節(jié)浮精及浮尾灰分檢測是浮選智能閉環(huán)控制的制約因素，基于礦漿圖像的智能在線檢測技術(shù)仍在試用階段，尚未大規(guī)模推廣應(yīng)用。

3) 精煤快速檢測設(shè)備檢測精度達(dá)不到要求。煉焦煤企業(yè)對產(chǎn)品指標(biāo)要求嚴(yán)格，根據(jù)煤炭產(chǎn)品品種和等級劃分標(biāo)準(zhǔn)[2]，精煤產(chǎn)品灰分以0.5%作為一個(gè)灰分等級差，而當(dāng)前常見快速測灰設(shè)備灰分≤15%時(shí)，檢測精度大多≤0.5%，不利于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

2 各類快速測灰設(shè)備測量原理

2.1 中子活化型煤質(zhì)分析儀

中子活化是80年代初發(fā)展起來的一種先進(jìn)煤質(zhì)元素分析技術(shù)[3]. 山西焦煤集團(tuán)目前僅沙曲選煤廠投用了2臺(tái)中子活化型煤質(zhì)分析儀，分別用于重介精煤、入廠原煤的灰分、硫分、水分等檢測，均采用旁路安裝方式。該分析儀采用中子活化瞬發(fā)γ分析技術(shù)，利用煤中灰分含量與煤中礦物質(zhì)元素之間的關(guān)系，通過熱中子激發(fā)被測煤樣中各元素的原子核, 使其處于不穩(wěn)定的高能激發(fā)態(tài)，測定這些激發(fā)態(tài)原子核躍遷到穩(wěn)定的基態(tài)或較穩(wěn)定的低能態(tài)時(shí)發(fā)出的γ射線能譜, 得到各元素的含量[4]，進(jìn)而分析煤質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)。

2.2 X光灰分儀

該集團(tuán)斜溝選煤廠安裝了2臺(tái)X射線灰分儀，均用于測定入倉精煤灰分，為跨帶安裝。該分析儀采用雙能射線透射技術(shù)，射線穿透物料后，高能與低能射線產(chǎn)生不同程度的衰減，衰減后的射線照射至皮帶下方的線陣探測器上，由探測器采集射線信號的強(qiáng)度差異信息，通過灰分計(jì)算數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為檢測物料的灰分值。

2.3 X熒光灰分儀

沙曲選煤廠在原煤入選皮帶和重介中煤篩下各安裝1臺(tái)X熒光灰分儀，均為旁路安裝。該分析儀將X射線熒光技術(shù)與X射線吸收相結(jié)合，利用X射線管作為激發(fā)源，測量煤層的透射、反射和熒光的強(qiáng)度，通過專用算法計(jì)算出灰分指標(biāo)。

2.4 無源測灰儀

在自然界中，巖石、土壤、煤炭等物質(zhì)中都存在一定量的天然放射性元素[5]. 無源測灰儀本身不含放射性物質(zhì)，也不發(fā)射放射性射線，而是通過檢測煤中天然放射性物質(zhì)所發(fā)射的射線進(jìn)行灰分檢測。目前該類型設(shè)備在該集團(tuán)太原選煤廠、西銘選煤廠、柳灣選煤廠、南關(guān)選煤廠、三交河選煤廠、辛置選煤廠、沙曲選煤廠、長春興選煤廠等15座選煤廠使用，均為跨帶安裝。

3 各類快速測灰設(shè)備使用效果

與傳統(tǒng)化驗(yàn)方法相比，快速測灰設(shè)備最大優(yōu)點(diǎn)是檢測快速、實(shí)時(shí)性好、測量結(jié)果相對客觀，受人為因素影響小，解決了傳統(tǒng)采、制、化工序復(fù)雜，得出結(jié)果時(shí)間長等問題，但是各類快速測灰設(shè)備受不同條件影響，通用性、準(zhǔn)確性各有差異。各選煤廠生產(chǎn)系統(tǒng)在用各類快速測灰設(shè)備使用效果如下：

3.1 中子活化型煤質(zhì)分析儀

沙曲選煤廠投用2臺(tái)該類型設(shè)備，分別安裝于重介精煤離心機(jī)出料口、原煤入倉皮帶處。

重介精煤用中子活化設(shè)備：2020年11月、12月的兩次檢驗(yàn)結(jié)果均表明：待測物灰分≤15%時(shí)，灰分檢測動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)誤差≤0.30%. 此外，選煤廠又選取兩個(gè)時(shí)間段采集的樣品進(jìn)行比對(2020年8月15日—2020年11月5日采集49組樣品，2021年7月27日—2021年8月14日采集13組樣品)，設(shè)備檢測值與人工化驗(yàn)值之間一致程度較高，表明該設(shè)備穩(wěn)定性較好[6].

原煤用中子活化設(shè)備：2021年4月經(jīng)檢測，驗(yàn)收取樣15組，待測物灰分15%～55%時(shí)，設(shè)備灰分檢測動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)誤差≤1.5%.

整體來看，中子活化型煤質(zhì)分析儀使用效果較好：1) 設(shè)備為全斷面檢測分析，且具有多元素、多指標(biāo)分析的特點(diǎn)，故能適應(yīng)現(xiàn)場復(fù)雜煤質(zhì)變化情況，無需因煤質(zhì)變化而頻繁標(biāo)定，具有較高適應(yīng)性。2) 該設(shè)備為旁路安裝，被測物料經(jīng)過采樣、破碎等操作后，粒度范圍較為穩(wěn)定，煤樣代表性好，有利于提高灰分檢測精度。但是該類型分析儀價(jià)格高，且為有源，投資及管理成本高。此外，若皮帶帶煤量過少，旁路安裝所采煤樣受限導(dǎo)致分析數(shù)據(jù)滯后時(shí)間長。

3.2 X光灰分儀

斜溝選煤廠在2條精煤入倉皮帶上各安裝了1臺(tái)X光灰分儀，其中1臺(tái)目前正在調(diào)試(暫不進(jìn)行效果分析)，另1臺(tái)分析儀于2020年12月投入運(yùn)行。根據(jù)2021年7月21日—2021年8月16日共計(jì)216組樣品比對結(jié)果，該分析儀在待測物灰分≤15%時(shí)，檢測值與人工化驗(yàn)值之差絕對值≤0.5%的占比76.4%，對生產(chǎn)具有一定指導(dǎo)意義，但也存在某些指標(biāo)檢測誤差較大的情況，目前仍在優(yōu)化中。此外，該設(shè)備受皮帶帶煤量、皮帶帶速的影響較大。

3.3 X熒光灰分儀

沙曲選煤廠使用2臺(tái)X熒光分析儀，均采用旁路安裝方式。經(jīng)2020年12月檢測(2臺(tái)設(shè)備各取樣15組)，在待測物灰分15%～50%時(shí)，分析儀動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)誤差均≤1.3%，使用效果較好。但該設(shè)備對于物料的粒度、厚度及煤塵等比較敏感，因此需要定期清理、標(biāo)定。

3.4 無源測灰儀

該分析儀不需要放射源，安全環(huán)保，但由于煤中天然放射性的含量只有百萬分之幾，易受環(huán)境本底輻射影響，準(zhǔn)確測量較困難，需要精度高的探頭，成本大，且煤中沉積沙巖中的天然放射性元素極少，因此該方法往往無法檢測煤中的沉積沙巖，導(dǎo)致其通用性受限[7]. 此方法只有在鈾、釷和鉀等天然射線的含量與燃煤中礦物質(zhì)的含量有很好相關(guān)性的條件下才能使用，也就是說天然放射性方法的好壞與煤質(zhì)相關(guān)[8].

山西焦煤集團(tuán)大多數(shù)選煤廠選用該類型分析儀，設(shè)備精度普遍為：待測物灰分<15%時(shí)，誤差值≤0.5%；待測物灰分15%～30%時(shí)，誤差值≤1.0%；待測物灰分>30%，誤差值≤1.5%. 但是該類型設(shè)備對煤質(zhì)變化、皮帶更換、托輥調(diào)整、皮帶帶煤量多少等較為敏感，若標(biāo)定不及時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大誤差，導(dǎo)致不能有效指導(dǎo)生產(chǎn)。

3.5 影響因素

整體來看，影響快速測灰設(shè)備使用效果的主要因素是：

1) 煉焦煤選煤廠多為配煤入洗或?yàn)槎嗝悍N入洗，入洗原煤煤質(zhì)變化較大，導(dǎo)致快速測灰設(shè)備需要頻繁標(biāo)定，工作量大。

2) 快速測灰設(shè)備對輸送帶的速度、角度，環(huán)境的溫度、濕度、灰塵，煤層厚度，煤流混合均勻度及磁鐵礦含量等外部因素的要求非常高[9]. 選煤廠使用環(huán)境復(fù)雜，物料粒度范圍較寬，皮帶帶煤量不穩(wěn)定，煤塵集聚等都會(huì)對檢查結(jié)果產(chǎn)生較大影響。在多種分選環(huán)節(jié)下，皮帶上各個(gè)環(huán)節(jié)的產(chǎn)品分布不均勻，尤其是間歇式排料等，都會(huì)極大程度影響使用效果。

4 意見建議

4.1 選擇旁路安裝方式

快速測灰設(shè)備與自動(dòng)采樣機(jī)聯(lián)合使用，在現(xiàn)場條件允許情況下選擇旁路安裝的方式，可以有效提高煤樣代表性，穩(wěn)定粒度范圍，從而提高快速測灰設(shè)備的使用效果。有研究表明[10-11]，影響快速測灰設(shè)備測量的主要外因是煤樣的粒度和水分，一般煤樣粒度≤3 mm、水分≤10%時(shí)測試結(jié)果較準(zhǔn)確。

4.2 定期標(biāo)定

快速測灰設(shè)備受煤質(zhì)變化的影響較大，因此，在煤質(zhì)發(fā)生變化(入洗煤種改變,井下過構(gòu)造、斷層、割頂、割底等)時(shí)必須及時(shí)進(jìn)行標(biāo)定。此外，各使用單位應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，定期進(jìn)行標(biāo)定，即定期將快速測灰設(shè)備與傳統(tǒng)化驗(yàn)進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)有偏差，立即予以調(diào)整，保證快速測灰設(shè)備測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.3 加強(qiáng)日常管理

各選煤廠應(yīng)指定專人管理，負(fù)責(zé)快速測灰設(shè)備的日常校準(zhǔn)、維護(hù)工作。各操作人員只負(fù)責(zé)日常的數(shù)據(jù)記錄和歷史數(shù)據(jù)查詢工作，不得隨意對任何參數(shù)進(jìn)行更改[12]. 應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行管理，安裝快速測灰設(shè)備的膠帶機(jī)要保持煤量穩(wěn)定，降低瞬時(shí)煤量不穩(wěn)定對設(shè)備的影響。有條件的選煤廠可引進(jìn)專業(yè)化服務(wù)，聘請專業(yè)化團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)處理快速測灰設(shè)備的日常維護(hù)、保養(yǎng)及標(biāo)定等工作。

4.4 重視培訓(xùn)工作

各選煤廠應(yīng)制定培訓(xùn)計(jì)劃，定期對從事快速測灰設(shè)備的職工開展培訓(xùn)工作，使其熟練掌握快速測灰設(shè)備的工作原理、效果影響因素、標(biāo)定方法及要求等，保障快速測灰設(shè)備長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4.5 推動(dòng)研發(fā)工作

設(shè)備研發(fā)廠家應(yīng)當(dāng)針對各分選環(huán)節(jié)在線檢測難、檢測精度低等技術(shù)難題，充分考慮選煤廠使用環(huán)境、現(xiàn)有設(shè)施等各種條件限制，不斷創(chuàng)新，改進(jìn)提升，在保證安全可靠和經(jīng)濟(jì)適用的前提下，研發(fā)出更適用于選煤生產(chǎn)實(shí)際的快速測灰設(shè)備。

5 結(jié) 語

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，相較于傳統(tǒng)測灰設(shè)備，快速測灰設(shè)備優(yōu)勢明顯，能夠提高檢測效率，降低人工強(qiáng)度，但也存在精度不夠、維護(hù)要求高等限制因素。一方面，選煤廠應(yīng)當(dāng)與廠家加強(qiáng)溝通，從安裝方式、定期標(biāo)定、日常管理、業(yè)務(wù)培訓(xùn)等方面入手，對快速測灰設(shè)備進(jìn)行規(guī)范化管理；另一方面，廠家應(yīng)加大研發(fā)力度，加快設(shè)備升級換代，只有這樣才能更好發(fā)揮快速測灰設(shè)備便捷優(yōu)勢，不斷推動(dòng)智能化選煤廠的建設(shè)。