X射線在煤質分析中的應用現狀與發展

鐘新龍 王宇英 楊小平

中國礦業大學(北京)化環學院 北京 100083

傳統煤質分析技術有分析周期長的特點，這樣對煤炭企業的效率提升造成了很大的阻礙，快速煤質分析技術的概念由此誕生，X射線煤質分析技術就是其中的一種。積極推進X射線煤質分析技術的研究，提高X射線煤質分析技術的精度和檢測范圍，對煤炭行業發展有著重要意義。

1 X射線技術現狀

德國科學家倫琴于1895年研究陰極射線時首次發現了X射線，X射線本質是一種頻率極高、波長極短的高能電磁波。宇宙許多星體會發射X射線，空間探測中常見X射線的應用；對于不同物質，X射線在穿透或反射時被吸收的程度不同，經過顯像處理即可得到不同的影像，因此X射線可用于探測物質結構。

如今對X射線的形成機理已有很清晰的認識，X射線在工業和社會中的應用也很廣泛，現階段X射線的應用有空間探測、醫學診斷、金屬探傷和選礦應用等，并且常見X射線技術與計算機技術相互結合。具體實例有：Ishikawa開發了一種機器學習的概念，對太陽耀斑X射線(HXR)發射進行分類；管慶吉以胸部X射線圖像為對象，設計了一種疾病圖像學習方法；四川川化鑫和檢測技術有限公司采用單壁透照方式制作了一種低成本對接環焊縫X射線檢測工裝；何曉明利用X射線透射選煤法，實現了煤和矸石的分選。

2 煤質分析技術現狀

2.1 煤質分析的定義

煤質分析的本質是提前了解一種煤炭的性質和組成方法以及內部結構，準確把握相關特性后，通過專業的物理或化學方法進行煤炭指標的測試和研究，最后采取樣品煤，完整的流程被稱為煤質分析。

2.2 煤質分析技術現狀

煤質分析的要素有水分、灰分、揮發分、熱值、氮和硫元素含量等，這些基本要素決定了煤的洗選方法和基本用途。

傳統煤質分析方法不能直接在現場得出煤的性質，需將樣品轉運到配備有專業設備的煤質分析化學實驗室進行相關檢測，這種方式工作量大且分析周期長，分析結果時效性不高，不能很好地反映具體時間、地點煤的品質。

由于傳統煤質分析方法周期長，在當前激烈的競爭條件下，已經不能很好地適應煤炭企業的需求，快速簡便的煤質分析方法就成為各個煤炭企業關注的焦點。快速煤質檢測設備應運而生，常見快速煤質分析技術有：X射線熒光法、多能X射線吸收法、近紅外光譜分析法、激光誘導擊穿法和天然γ放射性測量法。利用這些技術手段得到煤樣的內部信息后再通過計算機進行整合，就能得到常用的煤質分析數據。通過這種方式得到數據的時間短，能減少化驗次數，可以很好地反映檢測時煤的基本特性。

3 X射線在煤炭行業中的應用

X射線在煤炭行業中的應用主要有兩種：基于X射線技術的干法選煤和利用X射線技術的快速煤質分析檢測。

3.1 X射線干法選煤

煤炭是我國能源安全的基石，近年來煤炭的開采量不斷攀升，隨著機械化采煤的推廣，原煤中矸石含量也在不斷增加，運用選煤方法提升煤炭質量就顯得尤為重要。我國煤的主產區主要集中在黃土高原和西北地區等缺水地帶，技術成熟的濕法選煤受到水資源的短缺影響相對成本高昂，需要一種環境友好，盡量少使用或者不使用水的干法選煤方法。X射線選煤不用水、不用介質，滿足了這些需求，而且X射線可由電器設備產生，斷電后放射性即可消失，相比傳統的γ射線選煤方法，沒有處理廢棄放射源的苦惱，更加安全環保，何曉明設計的X射線選煤裝置基本原理應用數字化圖像分析法，根據所采集的像素值和閾值比較，實現煤和矸石的分選，這種分選方式高效且節水，適合干旱地區進行選煤。

3.2 X射線煤質分析

傳統煤質分析方法周期長，已不能很好滿足煤炭企業生產需求。各類快速煤質分析方法都備受關注，X射線煤質分析技術就是其中的一種，如今，常見用于煤質分析的X射線技術有：X射線計算機斷層掃描(XCT)、X射線熒光光譜(XRF)、X射線衍射(XRD)和X射線光電子能譜(XPS)四種。國內已經有了X射線熒光煤質分析儀在工業化應用成功的案例，這種儀器檢測結果雖然可信度較高，但也存在一些問題需要解決。

4 X射線用于煤質分析的研究

4.1 現狀

便攜式快速煤質分析設備的概念前人早已提出，20世紀70年代后期至80年末，澳大利亞學者成功找到利用γ射線測量高速運動煤流灰分的方法，由于產生γ射線需要利用到相關的放射性核素，在運用的過程中很有可能對人體造成危害。X射線具有與γ射線類似的性質，卻可通過電子設備產生，斷電后放射性即可消失，更加安全可靠，因此很多學者把目光投到了X射線用于煤質分析的研究上來。現階段，在選煤廠中已經有了相關X射線技術的應用，X射線技術正在與其他煤質分析技術相互融合，呈現出技術互補的良好發展勢頭。

4.2 應用方法與關鍵技術

前文已經提到，常見的X射線煤質分析技術有四種，這四種技術的應用方法和關鍵技術略有不同，下面對這四種技術做簡短的介紹。

4.2.1 X射線計算機斷層掃描

X射線掃描技術作為一種以不破壞物體為前提條件的能夠提供不透明材料內部結構的技術，同樣也適用于煤質分析，可用以知曉煤塊內部的密度分布情況。XCT技術基于物質的密度差進行成像，由于高密度的物質對X射線有強烈的吸收作用，因此在圖像上呈現白色(如矸石)，而較為柔軟的物質(如煤)呈現灰白色，充滿空氣的地方能讓X射線順利通過，則呈現出黑色。通過顏色深淺的比對，就能通過XCT技術了解到煤內部密度的分布情況。

4.2.2 X射線熒光光譜

XRF適用于對樣本煤中原子序數較大的元素(如砷、鋇、鈷等)進行測量，其技術原理是：原子在吸收特定大小的外部能量后，原子中內層的電子會向外部的軌道發生躍遷，在內層形成空穴，這時原子處在一個能量較高的不穩定狀態，外層電子會向內部發生躍遷使原子回到穩定狀態，外層電子向內層躍遷的同時，會將原子多余的能量以電磁波的形式釋放出來，這個電磁波即X熒光射線，由于各類元素的發射的X射線熒光不同，將發射出的X熒光射線進行捕捉分析就能對煤中原子序數大于11的元素進行定量分析，從而得出煤的灰分含量。但XRF無法測定煤的發熱量，好在通過技術的結合，這一問題已得到了很好的解決，李曉林開發了一種XRF與激光誘導擊穿光譜(LIBS)結合的煤質分析技術，這種技術能夠準確測量煤的發熱量和灰分含量。

4.2.3 X射線衍射

XRD常見用于煤分子結構的研究，基本原理是：煤內部呈現出片狀由芳香環組成的大分子結構，這些大分子相互堆疊，形成與X射線波長相同數量級的“衍射光柵”，當X射線通過煤樣時，在某些方向上會出現加強，在其他方向上發生減弱，從而能夠得到衍射紋樣。測量紋樣尺寸，再利用布拉格方程進行轉換，即可得到煤大分子結構的堆砌厚度、芳香層片直徑等信息。下圖為XRD基本原理示意圖。

XRD技術基本原理示意圖

4.2.4 X射線光電子能譜

XPS主要針對煤薄外層(2～5nm)進行煤質分析，基本原理是：X射線照射煤樣時，煤樣中的原子或分子的價電子或內層電子會受激發射出來，測量受激電子的能量，就能對煤樣表面的元素成分進行定性、定量或半定量及價態分析。XPS所使用的煤樣不用特殊處理，煤質分析過程相對簡單。若需要對某些特定元素進行針對性分析，可在檢測前進行預處理以排除其他元素和官能團的影響，使得特定元素的分析結果更加準確。

4.3 存在問題及展望

應用X射線技術可以簡化煤質分析流程，縮短煤質分析周期，但X射線煤質分析技術仍然存在一些問題需要解決。以下列舉了部分X射線技術應用到煤質分析中需要解決的問題或可改進提高的方向。

4.3.1 問題

使用XRF進行煤質分析需要預先制樣，配套制樣設備價格昂貴、體積龐大且維護工作量大，而且XRF測量精度和靈敏度不高，單獨使用XRF無法檢測原子序數小于11的輕元素。而煤的主要元素為碳、氫、氧和氮，其中碳和氫是燃燒時產熱的主要元素，這就意味著僅使用XRF技術無法測量煤的發熱量。煤中含有的鋁和硅等元素被激發出的X射線能量較低，容易受到空氣影響，這導致使用XRF測量的煤層厚度不能太厚，以免測量誤差過大。

XPS雖然不需要特別制樣，耗時少，檢測速度快，適用于對煤中碳、氧、氮和硫的分析，但只能檢測煤樣薄外層的一些元素和官能團，無法了解煤內部的元素組成，具有一定局限性。如果能在此基礎上加以改進，與其他先進的煤質分析技術相結合，將煤樣的內部化學組成也一并探明，分析效果將得到很大提高。

X射線相對γ射線能量較低，但仍不能忽視其危險性。X射線能夠輕而易舉地穿透人體，長期暴露于X射線輻射下，會對人體造成巨大傷害。X射線作為一種高能射線，用電子器件即可產生，相比需要使用放射性核素作為源的γ射線煤質分析技術更安全，也沒有廢棄使用后需要處理放射源的苦惱，但在聞“核”色變的當下仍很難打破人們使用時的心理障礙，這給X射線煤質分析技術的推廣造成了一定困難，如何讓X射線煤質分析技術的使用更安全，仍是需要研究的一大課題。

4.3.2 展望

從XRF與LIBS結合進行煤質分析的例子不難看出，煤質分析技術的發展是一個相互促進融合的過程。可以預見，把X射線技術與其他煤質分析技術整合起來，讓各類先進煤質分析技術與X射線煤質分析技術相互融合，實現技術互補，將是未來煤質分析技術發展的一大趨勢。也可以將X射線煤質分析技術與其他學科相融合。對化驗員而言，需要用計算機將X射線得到的信息轉化為常用的煤質分析數據，因此需要對煤進行建模，所建立的模型合理準確，則儀器測出的相關數據更優質。建立模型需要大量的數據作為基礎支撐，如何更加廣泛準確地收集煤質分析數據，并合理運用，得出一個準確模型，需要繼續研究。利用“互聯網+”，或可將X射線煤質分析技術與機器學習、大數據分析等概念結合起來，建立一個煤質分析的云數據庫，對使用的模型進行不斷完善，得出能夠對不同煤種進行針對性分析的模型。

結語

X射線煤質分析技術很大程度上縮短了煤質分析時間，能夠滿足煤炭企業對于效率方面的需求。X射線煤質分析技術相比使用放射性核素作為源的檢測方式更加安全環保，各類X射線煤質分析技術各有其針對方向，單獨使用X射線煤質分析技術在目前還無法準確且完全地得到煤的所有性質。X射線煤質分析技術發展過程中仍有許多問題需要解決，但該項技術正在不斷完善，正朝著X射線煤質分析技術與各類煤質分析技術融合的趨勢發展。未來的X射線煤質分析技術不論是發展還是應用，前景都十分廣闊，是煤質分析技術未來發展的方向。