快速分析技術在煤質檢測中的應用

郭 凱

（正新煤焦有限責任公司，山西 長治 046500）

引言

煤質測試的傳統分析技術包括有基于熱分析天平臺的煤質測試技術等，對于精確性測試方面，雖然已經能夠獲得了較好的質量保障，然而測試時間比較長制約著這一技術的推廣，使這種傳統的分析方法已經無法滿足目前行業對于煤炭快速檢測的需求。不僅是從煤質檢測速度還是煤質檢測精準度上，快速分析檢測技術發揮著重要的優勢作用，一方面既能實現快速檢測，另一方面又能保質保量。本文主要是對當前比較常見的煤質檢測快速分析技術的原理及應用進行了闡述分析，并就目前煤質檢測快速分析技術展開了一些思考并提出了相關的建議[1]。

1 快速分析技術及在煤質檢測中的應用

目前，在煤質檢測中常應用的煤質檢測快速分析技術主要包括熱重分析技術、核分析技術、微波技術及紅外分技術等。

1.1 熱重分析技術

熱分析技術已被國際熱分析和量熱協會所界定為“在程控的溫度之下，測量物質和溫度之間關系的一種技術”，也就是在等熱態的條件下對物體進行研究，并由此產生某些物理、化學等方面的變化[2]。熱分析技術是廣泛應用于各種熱分析方法的技術，主要包括了差溫分析法、差示掃描測量熱法和熱重分析方法等。

差溫分析法與差示掃描測量熱法都是在一定程控的溫度范圍，它們都是表示測定者所要檢測物質與對照物體間的溫度差、輸入功率差和溫度間關系。熱重分析法，按技術手段分為兩種，一種是等溫，一種是程序升溫，它是在程序控制的溫度下，測定與所要檢測物品的品質和溫度之間的關聯。在工業生產上經常使用熱重技術對煤質，包括水分、揮發分及灰分進行分析。

基于熱重分析法開發的快速分析儀器，其分析流程順序是先對水分進行測量分析，其次是揮發分的測量分析，最后是灰分的測量。熱重測量儀見圖1。早期，基于熱重分析法的儀器方面不占優勢，成本相對比較高，此外使用過程中也存在很多缺點，包括樣品檢測方面，一次只能測量分析一個樣品，從而導致其使用性能較差。然而隨著技術的進步和革新，現在的熱重測量儀在樣品檢測方面改進了很多，一次就能檢測很多個樣品，從而大大提高了使用性能，使得測量分析周期變快，分析時間也得到了大大的縮減。對于煤質檢測，采用熱重分析儀器，可以保證高溫環境，進而節省了降溫恒重的環節，簡化了操作步驟，使得測試時間大大縮減，避免了人為操作誤差，使得檢測效率有所提高。

圖1 熱重測量儀器圖

1.2 核探測技術

作為一種比較成熟的煤質檢測快速分析技術，核探測目前已經廣范地應用在各個方面。以γ 射線為主，在穿透能力方面，γ 射線相對較強，此外，在探測和解析方面，γ 射線相對較容易，因此γ 射線在很多分析技術里面都是作為一項優先選擇的測量分析技術。對于工業探測方面，有些固體塊狀物體其自身就具備放射γ 射線的能力，然而對于所有的塊狀物體，都可以被中子轟擊進而發射出γ 射線。因此，γ射線多數被用于塊狀物料的性質分析，也不會使得其自身的結構發生任何變化。目前，煤質在線分析絕大部分手段基本上都是基于γ 射線來完成的，主要包括雙能γ 射線和中子活化。

1.2.1 雙能γ 射線

雙能γ 射線的灰分儀是利用射線源所發出的γ 射線對煤樣進行輻射，但是γ 射線的能量會因來回的反射作用和散射作用產生衰減，其衰減多少跟被照射物質的組成成分有很大關系，其組成成分的原子平均序數不同，射線能量衰減不同，即衰減程度與平均原子序數成正比。因此，對于煤質中組成元素的平均原子序數是能夠根據γ 射線被煤樣衰減多少來進行分析估量的。對于煤的灰分，其含量不同，組成成分的原子平均序數不同，γ 射線穿過煤樣后，其能量強度的變化量可以用來反算煤樣中的灰分。基于雙能γ 射線可以實現對輸煤皮帶上的散煤的在線分析測試，此方法廣泛應用于灰分的測量，主要是因為對煤的粒度要求不是很嚴格，無需進行分流取樣和破碎制樣，對于安全性能保障這塊也比較容易實現。但是，這種方法的精準度不高，由于在煤質中存在的元素有的原子序數比較高，會直接影響平均原子量的測定結果，產生波動誤差。

1.2.2 中子活化

中子活化分析技術是利用中子照射分析物料，物料中各元素被熱中子碰撞后，就會發生核化學反應，進而釋放出不同的射線，形成射線能譜，該能譜能夠反映被測物料的元素成分，進而進行能譜算法解讀，根據能譜對各種元素成分進行分析測量。

煤質中子活化核分析儀里面的中子源目前存在兩類，一類是同位素，一類是電子脈沖式中子管。對于同位素中子源，產生中子的方式分別為靶核被放射性同位素產生的α 粒子或γ 光子所轟擊產生，以及重元素核自發裂變產生。脈沖式的中子源，產生中子的方式是氚核粒子流被加速器所加速，然后與氚核發生T（D，n）He 反應。報道出的一種使用14MeV（DT）脈沖式中子源的煤質成分在線測試系統，原理如圖2。

圖2 脈沖快熱中子煤質檢測系統

對于煤質檢測，基于同位素中子源的煤質成分分析儀除了不能測量C 和O 元素以外，其他所有主要元素均可以測試分析，然后基于測量的元素成分來對灰分進行測算，在基于水分（通過水分計測定）對熱值進行測試計算，此外，可以對S 和N 元素含量進行直接測量，但是該分析儀不能對揮發分進行測量。當所測試的煤種類不同時，不會使得對灰分和熱值的測量發生任何變化，因此分析儀適用的場所包括各種使用煤炭的地方以及使用連續在線測量動態物料的地方。

對于煤質檢測，基于脈沖式中子源的煤質成分分析儀可對全部主要元素進行測量分析，然后基于所有元素成分的測試結果對灰分以及揮發分進行測試計算，在基于水分（通過水分計測定）對熱值進行測試計算，此外也可以對S 和N 元素含量進行直接測量。當所測量的煤種類不同時，不會使得對灰分、揮發分和熱值的測量發生任何變化。該分析儀只有把電源接上才有放射功能，有利于檢修。其不足之處在于中子管的使用時間只有4 000 h，使用周期比較短，適合的場所是不需要連續測量的行業。但是，隨著技術的進步，中子管的使用壽命有所改進，從而使得基于脈沖式中子源的煤質成分分析儀的可用之處越來越多。

1.3 近紅外光譜技術

在20 世紀90 年代，近紅外光譜技術就已經被發展成為測試效率高、分析速度快的檢測技術。波長范圍在780 nm～2 526 nm 的電磁波為近紅外（見圖3），在近紅外光譜的波長范圍內，原子對光譜的吸收符合Lambert-Bee 定律，因此所測的物質中的原子含量可以根據所對應吸光度來進行計算。

圖3 近紅外光譜譜區示意圖

在煤質分析方面，近紅外光譜技術的工業應用發展空間十分廣闊，其具有測試樣品的速度快，可以進行在線檢測、無需化學試劑、不會產生任何污染等特點。在我國，近紅外光譜在煤質測試方面的應用雖然比較晚，但是發展速度比較迅猛。目前可以用于水分檢測、全硫分檢測、氫含量監測、工業分析檢測及發熱量檢測等。對于硫的測量，近紅外光譜技術選擇性能很好，獲得的檢測結果的重現性和準確性比較好。近紅外光譜法檢測一個氫樣品僅需200 s～300 s，而且被測樣品用量少，操作簡單，分析成本低。在煤質分析中，發熱量的預測進一步證明了近紅外光譜法的準確性、快速性以及應用廣泛性。

2 結語

在我國，煤質檢測分析技術發展十分迅速，同時相對應地研制出了很多煤質快速分析儀器，然而跟現在的工業發展需求還是存在著一些差距。對于今后的快速分析煤質檢測技術，一方面需要考慮工業應用快速準確的需求，另一方面需要考慮結合自動采樣制樣手段，從而在采集、制作和分析上實現一體化，避免人為操作誤差，同時縮短檢測時間。此外從檢測成本方面考慮，通過技術融合，使用較低成本能夠實現煤質多項指標檢測。