基于TRIZ改進煤質分析儀預處理系統

張建 張偉 劉永睿

摘 ? 要：中國煤炭產能利用率平均只有78.8%。因此針對煤炭、電力等行業中煤炭的工業指標分析將變得尤為重要。基于激光元素分析技術研發的激光元素分析儀，能夠實現對煤炭中C、H、O、Si、Al、Fe、Ca、K、Na、Ti元素的成分分析，得到煤炭工業指標中灰分、水分、熱值、揮發份等指標，可代替傳統化學分析方法，對檢測物料進行快速分析。本文基于TRIZ方法對煤炭預處理系統的改進，能夠更好的提高儀表的穩定性和可靠性，提高測量精度，滿足現場生產需要，并對生產工藝進行有效的監督和控制，提高產品品質，提高經濟效益。

關鍵詞：成分分析、煤炭、TRIZ

一、研究背景

從技術系統進化趨勢來看，整個煤炭行業在技術發展過程中正處于兩化融合的階段。這一階段的技術基礎是數據采集，這個階段的核心就是煤質分析。而煤炭行業目前占主導的煤質分析技術是采用人工取樣和化學檢驗的方法，誤差大，滯后時間長。而企業面對成本、人力匱乏以及環保要求，就必須使用在線煤質分析技術[1]。

目前市場上大多數的檢測儀表都是帶有放射性的[2]，管理復雜，有安全隱患。因此客戶對此都不太友好。現階段最好的檢測技術就是激光分析技術，它的特點是無放射性，無污染物監測，非接觸式快速測量[3]，目前在工業應用領域里尚未有得到有效的實施和推廣 ，主要原因是解決不了現場工藝存在的工程化問題。而TRIZ方法則是解決工程化問題的最好載體。

二、工程問題描述

通過多年來現場工藝及工程問題的研究，激光分析在現場有如下3個最主要的工程問題：

1. 通過不同下料口下料進行配煤的工藝環節，由于不同灰分、水分的煤炭通過下料口混合配料，下料過程中無法控制，導致存在煤炭表面起伏大，影響激光測量焦距，一般激光探測器測量焦距范圍在3cm，超過這個范圍就會導致測量精度變差。

2. 在下料口煤種不一致和下料順序前后不一致的情況下，導致煤炭分層，由于激光測量原理是測量物料表面成分，因此會影響測量代表性。

3. 現場下料過程中會導致環境灰塵較大，影響激光發射和回光光路，這也會影響激光檢測結果。

根據以上工程問題，激光煤質分析系統設計了一套煤炭預處理系統，針對煤炭進行采樣、破碎、縮分、整形、測量等工序，保證煤炭測量狀態，提高測量精度并通過TRIZ方法對本系統進行改進。

三、基于TRIZ改進預處理系統

1. IFR最終理想解，見表1。

2. 九屏幕法

通過系統過去、現在、未來利用九屏幕法分析系統，如下圖1所示。

3. 系統模型組件

通過對現場分析和測量系統分析，建立組件模型分析圖，定義組件和超系統組件，如下圖2所示，從圖中可以看出煤炭為研究對象，煤炭在測量過程中的分層和起伏是對測量的有害作用，下料過程中增加了環境灰塵對測量是有害作用。

4. 因果分析

因果分析是TRIZ方法中尋找工程問題根本原因的主要工具。通過深入工程問題，層層分析，最終找到關鍵原因[4]。從組件功能模型分析建立因果鏈，造成激光分析測量的工程問題的主要原因如下：

1） 物料分層是由于下料口不一致及煤炭粒度不同，導致物料分層。

2） 傳輸皮帶缺乏整形能力，管道下料缺乏控制，導致物料起伏。

3） 下料管道產生大量灰塵，皮帶運輸產生灰塵，測量光路沒有防塵功能，都會影響測量。

5. 矛盾分析及預案

1） 煤炭分層問題分析及預案：

根據因果分析，物料分層是由于下料口不一致及煤炭粒度不同導致，因此得到方案提示1：在下料口前級增加破碎、縮分裝置，并在一個下料口下料。

方案提示2：增加旁線取樣裝置、破碎和縮分裝置。

2） 煤炭起伏問題分析及預案：

a） 根據因果分析中皮帶缺乏整形能力，定義物理矛盾TC1： 物料少，大于測量焦距; ?TC2： 物料多，小于測量焦距，可以得到方案提示3：在皮帶上增加一個刮料板。

b） 通過技術矛盾分析可以得到如下方案：

矛盾問題描述：增加刮料板，導致皮帶輸送過程產生大量灰塵。

模型化參數：改善：運動物體的體積;惡化：物體產生的有害因素。

根據矛盾矩陣列表查找發明原理得到：

創新原理30提示柔性殼體或薄膜方案提示4：在皮帶上增加一個防塵罩。

創新原理35提示物理或化學參數改變方案方案提示5用高水分的煤炭覆蓋低水分煤炭。

c） 通過物理矛盾分析可以得到如下方案：

TC1： 刮料板太寬，物料推料TC2： 刮料板太窄，物料回流，通過空間分析得到方案提示6：采用一維變多維原理，設計V字形的刮料板。

3） 灰塵較大問題分析及預案。

a） 通過物場分析可以得到如下方案：

根據2.1.1鏈式物場模型分析，引入一個物質，并建立鏈式物場模型：方案7：在防塵裝置出口處安裝一個柔性膠板，讓膠板緊貼物料，即不影響出料，也能夠阻擋粉塵。

根據2.1.2雙物場模型分析，引入一個物場，并建立雙物場模型：

方案8：引入靜電除塵裝置。

b） 引入超系統資源可以得到如下方案：

方案提示9：引入壓縮空氣，清潔激光探測器光路。

6. 方案評估

針對以上設計方案提示，基于節約成本，可靠性、可維護性、現場適應性、功能實現5個方面，進行方案評估與打分。最終分數最高的方案進行設計，采用集成多功能的皮帶裝置和基于皮帶輸送采樣處理集成系統的兩個整體方案。

四、現場數據及應用

目前本系統已經在內蒙古某選煤廠和山西某選煤廠應用。數據分析結果表明煤質灰分偏差和對應的變化趨勢滿足現場需要，見圖3。

五、結論

客戶需求的是能用又好用的儀表，企業需求是好用成本低的儀表，基于TRIZ創新方法改進了激光煤質檢測預處理系統。從創新設計來看，本項目解決了目前行業中激光分析技術無法走入現場的難題。同時設計簡單可靠，滿足了客戶的需求，降低成本，提高了產品的競爭力，這個改進設計減小了安裝體積，減少了工程施工量，大大增加了現場適應性，為不同的現場提供了可靠的服務。

參考文獻：

[1]邢濤，基于激光誘導擊穿光譜技術的電廠入爐煤煤質，發電與空調[J]，第38卷第5期，2017.05

[2]沈桂華，李華昌，史燁弘，激光誘導擊穿光譜發展現狀，冶金分析[J]，2016，35（5）201

[3]侯冠宇，王平，佟存柱等，激光誘導擊穿光譜技術應用動態[J]，中國光學，2013，6（4）：490-500

[4]吳志強張偉，利用TRIZ創新方法提高中子活化在線分析儀測量動態物料的準確性，創新創業理論研究與實踐[J]，2018 年 2 月第 3 期

責編/楊鑫