石圪臺選煤廠煤質(zhì)檢測技術(shù)的研究與應(yīng)用

白 龍，谷 林，李文利，周瑞通

(國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司洗選中心，陜西 神木 719315)

0 引言

煤炭作為一種化石能源，是由古生物的遺體深埋地下經(jīng)過長期的地殼作用以及相關(guān)物理化學(xué)作用，最終形成的一種混合物。由于特殊的形成過程和賦存條件，煤層大多被巖石或泥土覆蓋，甚至煤層內(nèi)部也會出現(xiàn)巖石(以下稱為矸石)層。所以大多數(shù)情況下礦井開采的原煤混有矸石，且原煤含矸率不穩(wěn)定，導(dǎo)致煤炭質(zhì)量下降，不能滿足用戶需求，造成運(yùn)輸過程中無效費(fèi)用的增加，煤矸石中硫分富集，燃燒過程中還會造成環(huán)境污染，所以國家要求各大型礦井配套選煤廠，從而提高煤炭質(zhì)量，穩(wěn)定煤質(zhì)。

對選煤廠而言，礦井原煤的矸石含量對選煤廠的提質(zhì)、穩(wěn)質(zhì)影響較大，矸石含量的多少直接體現(xiàn)為灰分的高低，而影響最終商品煤質(zhì)量的直接因素是灰分，灰分越高發(fā)熱量越低，煤質(zhì)越差；灰分越低發(fā)熱量越高，煤質(zhì)越好，所以對商品煤灰分的檢測是檢測選煤廠產(chǎn)品質(zhì)量最直接的手段。煤炭灰分的檢測目前主要采用完全燃燒和在線檢測2種方式，完全燃燒的方式需要機(jī)械或者人工采樣、制樣，檢測時間長、勞動工作量大、結(jié)果具有滯后性、指導(dǎo)生產(chǎn)作用較差，特別是人工采樣誤差大。在線檢測不僅可以采用直接檢測還可以增設(shè)自動采樣環(huán)節(jié)，具有能夠?qū)崟r顯示和傳輸檢測結(jié)果，檢測速度快的特點(diǎn)，能夠更好地用于指導(dǎo)生產(chǎn)[1-2]。

1 存在問題

石圪臺煤礦原煤采樣點(diǎn)主要在工作面進(jìn)行，受到樣品數(shù)量、原煤粒度組成、采樣人員責(zé)任心、采樣點(diǎn)的選取、各個工作面的開采比例等因素的影響，原煤原有采樣方式數(shù)據(jù)偏差較大，不能反映原煤的真實(shí)煤質(zhì)變化情況，加之其數(shù)據(jù)存在一定的滯后性，導(dǎo)致選煤廠無法根據(jù)原煤煤質(zhì)情況進(jìn)行生產(chǎn)工藝調(diào)整，嚴(yán)重影響最終的商品煤煤質(zhì)，而且操作過程中存在一定的安全隱患。因此考慮在選煤廠生產(chǎn)系統(tǒng)中加裝原煤采制樣系統(tǒng)，提升原煤煤樣的代表性，為選煤廠提供真實(shí)可靠的原煤煤質(zhì)數(shù)據(jù)[3]。

石圪臺選煤廠的產(chǎn)品主要有混煤和精煤2種，產(chǎn)品獨(dú)立運(yùn)輸至產(chǎn)品煤倉，可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立進(jìn)倉存儲，裝車過程中通過倉下給煤機(jī)進(jìn)行配煤，最終裝車系統(tǒng)外運(yùn)一種混煤。針對分煤種產(chǎn)品在設(shè)計(jì)初期配套了采樣機(jī)和在線測灰儀，但是因采樣鏟采樣存在撒煤嚴(yán)重、膠帶輸送機(jī)密封不嚴(yán)、破碎機(jī)堵塞等問題，造成系統(tǒng)不能正常使用。對裝車系統(tǒng)而言，配套了相應(yīng)的自動采樣機(jī)，保證了樣品的代表性，但是缺少在線測灰系統(tǒng)，目前主要采用機(jī)械制樣后人工進(jìn)行化驗(yàn)的方式檢測灰分，特別是快灰的檢測，由于每列車都要進(jìn)行采樣化驗(yàn)，人工勞動工作量大、效率低下，而且檢測結(jié)果滯后，一般得至少1 h，而選煤廠裝車系統(tǒng)一列車的裝車時間為1 h左右，等快灰結(jié)果出來的時候，裝車已經(jīng)完畢，不能起到及時指導(dǎo)配煤的作用[4]。

為了提高檢測結(jié)果的及時性用于指導(dǎo)生產(chǎn)，需要設(shè)置在線檢測系統(tǒng)，同時為了提高煤炭樣品的代表性，不影響礦井及選煤廠的正常生產(chǎn)，保證生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，還需要完善自動采樣系統(tǒng)。

2 原煤采樣系統(tǒng)

對原有煤炭采樣和檢測存在問題，石圪臺選煤廠先后研究應(yīng)用了針對原煤系統(tǒng)、分煤種上倉系統(tǒng)、裝車系統(tǒng)的在線采樣和檢測系統(tǒng)。

2.1 采樣點(diǎn)的選擇

根據(jù)選煤廠的生產(chǎn)工藝以及采樣代表性要求，選擇在選煤廠篩分車間的原煤配篩刮板機(jī)上進(jìn)行原煤取樣，尤其在設(shè)計(jì)有原煤檢查篩分工藝的選煤廠，原煤配篩刮板機(jī)中的物料粒度一般能夠控制在200 mm以下，因此對后續(xù)設(shè)備的選型及運(yùn)行影響相對較小，同時考慮到原煤樣品的代表性問題，在刮板機(jī)中采樣，可利用刮板機(jī)的連續(xù)輸料形式采取斷面。

2.2 工藝流程

原煤采樣系統(tǒng)采用的工藝流程為：在原煤配篩刮板機(jī)底板開設(shè)寬度1 m的放料口，配套電動液壓閘板控制放料口的開關(guān)，在放料口的下方設(shè)置了緩沖溜槽，緩沖溜槽下方配套分級破碎機(jī)，在緩沖溜槽和分級破碎機(jī)之間設(shè)置控制液壓閘板，用于控制分級破碎機(jī)的入料速度，分級破碎機(jī)的產(chǎn)品經(jīng)過縮分之后得到化驗(yàn)樣和棄樣。棄樣直接經(jīng)過溜槽落入下方的末煤刮板，化驗(yàn)樣一份送檢測公司檢測，一份作為備查樣保存[5]。

2.3 工作過程

2.3.1 啟動前準(zhǔn)備工作

啟動前應(yīng)檢查各設(shè)備的單體供電及運(yùn)行情況，確保設(shè)備運(yùn)行正常；檢查緩沖溜槽液壓插板及刮板機(jī)放料液壓插板是否處于關(guān)閉狀態(tài)；檢查各單體設(shè)備內(nèi)有無異物、堵料等現(xiàn)象以及樣品桶是否就位[6]。

2.3.2 運(yùn)行過程

運(yùn)行時要做到：①通知調(diào)度室開啟破碎機(jī)，通過觀察口檢查破碎機(jī)是否運(yùn)行正常。②詢問調(diào)度室原煤膠帶機(jī)的過煤量，通過調(diào)整配篩刮板機(jī)上的其他插板保證取樣刮板機(jī)的過煤量達(dá)到系統(tǒng)正常生產(chǎn)時的要求，并且保證煤量均勻。③迅速打開刮板機(jī)液壓插板，并立即關(guān)閉，此處可通過觀察緩沖溜槽內(nèi)的實(shí)際煤量進(jìn)行插板的開關(guān)操作。④在確認(rèn)刮板機(jī)液壓插板關(guān)閉后，緩慢打開緩沖溜槽液壓插板，使緩沖溜槽內(nèi)的原煤逐步進(jìn)入破碎機(jī)進(jìn)行破碎。⑤縮分過程中要注意通過觀察口檢查破碎機(jī)的破碎情況、縮分器的縮分效果及各部位溜槽是否存在堵塞現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題要及時關(guān)閉緩沖溜槽液壓插板進(jìn)行處理。⑥待全部煤樣破碎縮分完畢之后，停轉(zhuǎn)破碎機(jī)，并取出樣品桶，及時交由化驗(yàn)單位進(jìn)一步的進(jìn)行制樣化驗(yàn)工作。

該采樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選煤廠工藝系統(tǒng)流程類似，操作工序相對簡單，整套系統(tǒng)雖然跨越3層廠房，但是由于設(shè)計(jì)合理，無需雙崗作業(yè)。操作人員按照規(guī)定流程進(jìn)行操作，即可實(shí)現(xiàn)樣品的采集過程。同時設(shè)計(jì)有預(yù)先破碎工藝，因此除特殊情況外，設(shè)備不會出現(xiàn)堆煤問題，同時破碎機(jī)設(shè)有欠速保護(hù)，液壓插板設(shè)計(jì)有限位開關(guān)，設(shè)備運(yùn)行過程中調(diào)度室可有效進(jìn)行運(yùn)行檢測，出現(xiàn)問題可及時向操作工反饋。

3 分煤種在線檢測系統(tǒng)的應(yīng)用

石圪臺選煤廠上倉系統(tǒng)是1臺混煤膠帶機(jī)和1臺精煤膠帶機(jī)，混煤膠帶機(jī)主要運(yùn)輸粒度50 mm以下、水分20%左右、灰分20%以下的均勻物料；精煤膠帶機(jī)主要運(yùn)輸粒度50 mm以下、水分10%左右、灰分10%以下的均勻物料。2臺膠帶機(jī)平行并列運(yùn)輸，距離相隔1 m，各自配套采樣系統(tǒng)、共用一套制樣系統(tǒng)和一臺在線測灰儀，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化采制樣與在線檢測的結(jié)合。

3.1 結(jié)構(gòu)組成

分煤種上倉系統(tǒng)的在線檢測系統(tǒng)主要由各自膠帶機(jī)對應(yīng)的采樣鏟、收集皮帶、灰分儀、螺桿給料機(jī)、緩沖倉、破碎機(jī)、接樣盤、儲料箱、轉(zhuǎn)載皮帶、取樣器、返料皮帶及其他封閉溜槽和箱體組成[7]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分煤種上倉系統(tǒng)在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of online detection system of loading system

3.2 工作過程

在選煤廠正常生產(chǎn)過程中，混煤膠帶機(jī)與精煤膠帶機(jī)平行運(yùn)行，當(dāng)需要檢測煤質(zhì)的時候，逆煤流啟動采樣系統(tǒng)，1#采樣鏟或者2#采樣鏟將需要檢測的煤種取出經(jīng)過溜槽落入收集皮帶，運(yùn)輸至緩沖倉，經(jīng)過破碎機(jī)破碎后落入儲料箱，儲料箱下部為矩形排料溜槽，在矩形排料溜槽上安裝有在線灰分儀，檢測結(jié)果返回集控系統(tǒng)。在儲料箱的下方設(shè)置螺旋給料機(jī)。緩慢均勻的將儲料箱內(nèi)的物料轉(zhuǎn)排至轉(zhuǎn)載皮帶，在轉(zhuǎn)載皮帶中部設(shè)置取樣器，在運(yùn)行過程中需要對在線灰分儀進(jìn)行標(biāo)定，通過取樣器將煤樣取出進(jìn)入采樣鏟，落入接樣盤的容器中，送化驗(yàn)室。當(dāng)不需要對在線灰分儀進(jìn)行標(biāo)定時，轉(zhuǎn)載皮帶直接將棄樣運(yùn)輸至機(jī)頭溜槽落入返料皮帶，返料皮帶將棄樣提升至機(jī)頭通過溜槽落入混煤煤流中，實(shí)現(xiàn)棄樣的回收[8-9]。

在儲料箱內(nèi)設(shè)置料位計(jì)，當(dāng)儲料箱滿后，發(fā)出停止采樣的信號并報(bào)警，提示崗位工進(jìn)行現(xiàn)場查看。

混煤采樣鏟每75 s取一個初級子樣，連續(xù)取30個初級子樣后停止取樣。精煤采樣鏟每35 s取一個初級子樣，連續(xù)取30個初級子樣后停止取樣。當(dāng)雙系統(tǒng)運(yùn)行時，每個系統(tǒng)停止取樣20 min后再轉(zhuǎn)至另一套系統(tǒng)進(jìn)行采樣[10]。

3.3 控制原理

分煤種在線檢測系統(tǒng)的控制方式靈活，可分為遠(yuǎn)程自動、就地自動和就地手動控制3種，考慮到采樣系統(tǒng)的選擇又可以分為遠(yuǎn)程雙系統(tǒng)自動控制、遠(yuǎn)程單系統(tǒng)自動控制、就地雙系統(tǒng)自動控制、就地單系統(tǒng)自動控制和就地單設(shè)備手動控制。通過操作面板實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和就地的轉(zhuǎn)換。在操作面板上還設(shè)置了旋轉(zhuǎn)選擇器用于就地選擇系統(tǒng)，可以選擇雙系統(tǒng)、混煤系統(tǒng)和精煤系統(tǒng)。遠(yuǎn)程狀態(tài)時由調(diào)度室選擇采樣系統(tǒng)，啟動后自動運(yùn)行。就地狀態(tài)由操作工選擇采樣系統(tǒng)，并選擇自動運(yùn)行后啟動系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的自動采樣。同時，當(dāng)操作工選擇手動狀態(tài)時，可通過操作面板上的啟停按鈕單臺設(shè)備獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)[11]。

3.4 系統(tǒng)自動采樣操作

開啟控制電源。將“手動/自動”開關(guān)打到“自動”位置，“就地/遠(yuǎn)程”開關(guān)打到“遠(yuǎn)程”位置，在選煤廠調(diào)度室監(jiān)控界面選擇混煤系統(tǒng)、精煤系統(tǒng)或者雙系統(tǒng)，按下“703采樣機(jī)啟動”按鈕啟動制樣設(shè)備，系統(tǒng)開始運(yùn)行。制樣系統(tǒng)按照返料皮帶、轉(zhuǎn)載皮帶、螺桿給料機(jī)、破碎機(jī)、收集皮帶的順序啟動?；?qū)ⅰ笆謩?自動”開關(guān)打到“自動”位置，“就地/遠(yuǎn)程”開關(guān)打到“就地”位置，在操作面板旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)選擇，然后按下“系統(tǒng)啟動”按鈕啟動制樣設(shè)備，系統(tǒng)開始運(yùn)行。在遠(yuǎn)程或者就地狀態(tài)下“系統(tǒng)停止”控制系統(tǒng)停止運(yùn)行[12-13]。

以雙系統(tǒng)采樣為例，主皮帶機(jī)啟動后開始計(jì)時。計(jì)時完成后，混煤采樣鏟旋轉(zhuǎn)一圈，進(jìn)行一次采樣，采樣完成后定時器復(fù)位，進(jìn)入下一個循環(huán)周期，采樣周期為75 s，混煤采樣鏟動作30次后，系統(tǒng)切換間隔時間為20 min，20 min后精煤采樣鏟開始倒計(jì)時，倒計(jì)時完成后，精煤采樣鏟旋轉(zhuǎn)一周，進(jìn)行一次采樣，定時器復(fù)位，進(jìn)入下一個循環(huán)周期，采樣周期為30 s。精煤采樣鏟動作30次后，20 min后混煤采樣鏟開始倒計(jì)時，以此循環(huán)。

若點(diǎn)擊“采樣機(jī)停止”按鈕或者現(xiàn)場操作面板“系統(tǒng)停止”按鈕，制樣系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時間，在處理完最后一個子樣后按照采樣鏟、收集皮帶、破碎機(jī)、螺桿給料機(jī)、轉(zhuǎn)載皮帶、返料皮帶的順序停止，整個采樣過程結(jié)束。

若需留存樣品，需手動將“取樣器使能”旋鈕放在左側(cè)，“取樣器使能”指示燈亮，則取樣器動作在轉(zhuǎn)載皮帶截取煤樣。

石圪臺選煤廠裝車系統(tǒng)安裝了自動采樣機(jī)，工作原理與分煤種自動采樣機(jī)的單系統(tǒng)采樣相同，且沒有在線灰分儀，雖然極大地提高了采樣的代表性，但是灰分化驗(yàn)結(jié)果滯后，不能及時用于指導(dǎo)生產(chǎn)和合理配煤。

3.5 在線測灰儀

石圪臺選煤廠原設(shè)計(jì)在線灰分儀安裝在轉(zhuǎn)載膠帶機(jī)上螺桿給料機(jī)出口和取樣器之間，使用雙γ射線在線測灰儀。其中低能量镅-241輻射能量的減弱既取決于所穿透物質(zhì)的組成(密度、成分、結(jié)構(gòu)等)，也取決于所穿透物質(zhì)的厚度；而高能量銫-137輻射能量的減弱主要取決于所穿透物質(zhì)的厚度，與物質(zhì)構(gòu)成關(guān)系不大。利用煤的灰分含量越大低能γ射線穿過物質(zhì)的衰減程度就越大和高能γ射線的衰減量只與厚度有關(guān)的特性，通過計(jì)算可以獲得煤的灰分[14-15]。

實(shí)際生產(chǎn)過程中，低能量镅-241和高能量銫-137安裝位置存在一定的距離，導(dǎo)致二者測量的瞬時實(shí)物性質(zhì)不同，影響測量精度，特別是轉(zhuǎn)載膠帶機(jī)上物料不連續(xù)或者堆放不均勻的時候，影響更大，故對灰分儀進(jìn)行優(yōu)化，將灰分儀安裝在了儲料箱下部的矩形排料口，這樣穿過灰分儀的厚度完全一致，只需確認(rèn)低能γ射線低能量镅-241穿過煤層時能量的衰減量即可獲得煤炭的灰分，減小了測量誤差、提高了檢測精度[16-19]。

現(xiàn)場增加一體式計(jì)算機(jī)，并增加測量曲線二次校準(zhǔn)功能，對不同灰分含量的煤種用不同的測量曲線；具有數(shù)據(jù)采集、存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，更加便于管理人員就地讀取數(shù)據(jù)和標(biāo)定，測量最終灰分值每秒更新1次，可以很準(zhǔn)確地得到煤樣瞬時灰分值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采樣機(jī)取樣器所取煤樣送交化驗(yàn)室化驗(yàn)后兩值可比性強(qiáng)，提高了測量精度[20-21]。

這樣配合模式與直接安裝在主輸煤皮帶上的灰分儀相比，能為灰分儀提供更理想的測量條件，經(jīng)破碎后的煤樣粒度小，質(zhì)地更均勻，經(jīng)整形后的煤流更平整，灰分儀測量精度大大提高[20-21]。

根據(jù)在線測灰儀使用情況，統(tǒng)計(jì)10月9日至12月21日顯示數(shù)據(jù)，混煤測量誤差≤0.79%；精煤測量灰分誤差≤0.37%，詳見表1、表2。

表1 混煤灰分誤差統(tǒng)計(jì)Table 1 Error statistics of ash content of blended coal 單位：%

表2 精煤灰分誤差統(tǒng)計(jì)Table 2 Error statistics of ash content of cleaned coal 單位：%

4 結(jié)論

(1)煤質(zhì)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。不論是原煤采樣機(jī)還是分煤種采樣機(jī)都可以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)煤種的全粒度級斷面采樣，可有效保證樣品的代表性，從而使得煤質(zhì)的化驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，為選煤廠及時主動調(diào)整分選參數(shù)提供有力依據(jù)。

(2)減少采制樣人員編制。自動采樣系統(tǒng)的應(yīng)用，使得選煤廠在生產(chǎn)過程中即可完成原煤以及分煤種產(chǎn)品的初步采制樣過程，檢測中心無需派駐相關(guān)人員到系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行采制樣，只需將樣品進(jìn)行化驗(yàn)前的制備工作即可，可減少相關(guān)采制樣人員3名。

(3)減少棄樣浪費(fèi)。由于整套裝置安裝于選煤廠系統(tǒng)中，縮分過程中產(chǎn)生的棄樣直接回收至系統(tǒng)的煤流當(dāng)中，不會造成任何浪費(fèi)，因此大幅降低了棄樣的浪費(fèi)量。

(4)穩(wěn)定煤質(zhì)。在線測灰系統(tǒng)投入運(yùn)行后，可對入倉商品煤質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時檢測，如出現(xiàn)煤質(zhì)較大波動，可及時調(diào)整入洗率和分選參數(shù)，保證煤質(zhì)穩(wěn)定，同時也可有效降低商品煤質(zhì)量過剩。

(5)減少爭議。針對單獨(dú)核算的選煤廠而言，還能夠有效地避免因?yàn)椴蓸臃绞讲粶?zhǔn)確造成原煤和商品煤化驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，從而影響價格的爭議[22]。

煤質(zhì)在線檢測系統(tǒng)和機(jī)械化采制樣系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，實(shí)時掌握煤質(zhì)情況對保證煤質(zhì)穩(wěn)定，減少煤灰分偏差有重要作用，建議后期通過加裝微波水分儀，實(shí)現(xiàn)煤質(zhì)灰、水、熱值的同時測量，能夠更全面更準(zhǔn)確地反映煤炭的瞬時指標(biāo)。