快速分析技术在煤质检测中的应用
郭 凯
（正新煤焦有限责任公司，山西 长治 046500）
煤质测试的传统分析技术包括有基于热分析天平台的煤质测试技术等，对于精确性测试方面，虽然已经能够获得了较好的质量保障，然而测试时间比较长制约着这一技术的推广，使这种传统的分析方法已经无法满足目前行业对于煤炭快速检测的需求。不仅是从煤质检测速度还是煤质检测精准度上，快速分析检测技术发挥着重要的优势作用，一方面既能实现快速检测，另一方面又能保质保量。本文主要是对当前比较常见的煤质检测快速分析技术的原理及应用进行了阐述分析，并就目前煤质检测快速分析技术展开了一些思考并提出了相关的建议[1]。
目前，在煤质检测中常应用的煤质检测快速分析技术主要包括热重分析技术、核分析技术、微波技术及红外分技术等。
1.1 热重分析技术
热分析技术已被国际热分析和量热协会所界定为“在程控的温度之下，测量物质和温度之间关系的一种技术”，也就是在等热态的条件下对物体进行研究，并由此产生某些物理、化学等方面的变化[2]。热分析技术是广泛应用于各种热分析方法的技术，主要包括了差温分析法、差示扫描测量热法和热重分析方法等。
差温分析法与差示扫描测量热法都是在一定程控的温度范围，它们都是表示测定者所要检测物质与对照物体间的温度差、输入功率差和温度间关系。热重分析法，按技术手段分为两种，一种是等温，一种是程序升温，它是在程序控制的温度下，测定与所要检测物品的品质和温度之间的关联。在工业生产上经常使用热重技术对煤质，包括水分、挥发分及灰分进行分析。
基于热重分析法开发的快速分析仪器，其分析流程顺序是先对水分进行测量分析，其次是挥发分的测量分析，最后是灰分的测量。热重测量仪见图1。早期，基于热重分析法的仪器方面不占优势，成本相对比较高，此外使用过程中也存在很多缺点，包括样品检测方面，一次只能测量分析一个样品，从而导致其使用性能较差。然而随着技术的进步和革新，现在的热重测量仪在样品检测方面改进了很多，一次就能检测很多个样品，从而大大提高了使用性能，使得测量分析周期变快，分析时间也得到了大大的缩减。对于煤质检测，采用热重分析仪器，可以保证高温环境，进而节省了降温恒重的环节，简化了操作步骤，使得测试时间大大缩减，避免了人为操作误差，使得检测效率有所提高。
图1 热重测量仪器图
1.2 核探测技术
作为一种比较成熟的煤质检测快速分析技术，核探测目前已经广范地应用在各个方面。以γ 射线为主，在穿透能力方面，γ 射线相对较强，此外，在探测和解析方面，γ 射线相对较容易，因此γ 射线在很多分析技术里面都是作为一项优先选择的测量分析技术。对于工业探测方面，有些固体块状物体其自身就具备放射γ 射线的能力，然而对于所有的块状物体，都可以被中子轰击进而发射出γ 射线。因此，γ射线多数被用于块状物料的性质分析，也不会使得其自身的结构发生任何变化。目前，煤质在线分析绝大部分手段基本上都是基于γ 射线来完成的，主要包括双能γ 射线和中子活化。
1.2.1 双能γ 射线
双能γ 射线的灰分仪是利用射线源所发出的γ 射线对煤样进行辐射，但是γ 射线的能量会因来回的反射作用和散射作用产生衰减，其衰减多少跟被照射物质的组成成分有很大关系，其组成成分的原子平均序数不同，射线能量衰减不同，即衰减程度与平均原子序数成正比。因此，对于煤质中组成元素的平均原子序数是能够根据γ 射线被煤样衰减多少来进行分析估量的。对于煤的灰分，其含量不同，组成成分的原子平均序数不同，γ 射线穿过煤样后，其能量强度的变化量可以用来反算煤样中的灰分。基于双能γ 射线可以实现对输煤皮带上的散煤的在线分析测试，此方法广泛应用于灰分的测量，主要是因为对煤的粒度要求不是很严格，无需进行分流取样和破碎制样，对于安全性能保障这块也比较容易实现。但是，这种方法的精准度不高，由于在煤质中存在的元素有的原子序数比较高，会直接影响平均原子量的测定结果，产生波动误差。
1.2.2 中子活化
中子活化分析技术是利用中子照射分析物料，物料中各元素被热中子碰撞后，就会发生核化学反应，进而释放出不同的射线，形成射线能谱，该能谱能够反映被测物料的元素成分，进而进行能谱算法解读，根据能谱对各种元素成分进行分析测量。
煤质中子活化核分析仪里面的中子源目前存在两类，一类是同位素，一类是电子脉冲式中子管。对于同位素中子源，产生中子的方式分别为靶核被放射性同位素产生的α 粒子或γ 光子所轰击产生，以及重元素核自发裂变产生。脉冲式的中子源，产生中子的方式是氚核粒子流被加速器所加速，然后与氚核发生T（D，n）He 反应。报道出的一种使用14MeV（DT）脉冲式中子源的煤质成分在线测试系统，原理如图2。
图2 脉冲快热中子煤质检测系统
对于煤质检测，基于同位素中子源的煤质成分分析仪除了不能测量C 和O 元素以外，其他所有主要元素均可以测试分析，然后基于测量的元素成分来对灰分进行测算，在基于水分（通过水分计测定）对热值进行测试计算，此外，可以对S 和N 元素含量进行直接测量，但是该分析仪不能对挥发分进行测量。当所测试的煤种类不同时，不会使得对灰分和热值的测量发生任何变化，因此分析仪适用的场所包括各种使用煤炭的地方以及使用连续在线测量动态物料的地方。
对于煤质检测，基于脉冲式中子源的煤质成分分析仪可对全部主要元素进行测量分析，然后基于所有元素成分的测试结果对灰分以及挥发分进行测试计算，在基于水分（通过水分计测定）对热值进行测试计算，此外也可以对S 和N 元素含量进行直接测量。当所测量的煤种类不同时，不会使得对灰分、挥发分和热值的测量发生任何变化。该分析仪只有把电源接上才有放射功能，有利于检修。其不足之处在于中子管的使用时间只有4 000 h，使用周期比较短，适合的场所是不需要连续测量的行业。但是，随着技术的进步，中子管的使用寿命有所改进，从而使得基于脉冲式中子源的煤质成分分析仪的可用之处越来越多。
1.3 近红外光谱技术
在20 世纪90 年代，近红外光谱技术就已经被发展成为测试效率高、分析速度快的检测技术。波长范围在780 nm～2 526 nm 的电磁波为近红外（见图3），在近红外光谱的波长范围内，原子对光谱的吸收符合Lambert-Bee 定律，因此所测的物质中的原子含量可以根据所对应吸光度来进行计算。
图3 近红外光谱谱区示意图
在煤质分析方面，近红外光谱技术的工业应用发展空间十分广阔，其具有测试样品的速度快，可以进行在线检测、无需化学试剂、不会产生任何污染等特点。在我国，近红外光谱在煤质测试方面的应用虽然比较晚，但是发展速度比较迅猛。目前可以用于水分检测、全硫分检测、氢含量监测、工业分析检测及发热量检测等。对于硫的测量，近红外光谱技术选择性能很好，获得的检测结果的重现性和准确性比较好。近红外光谱法检测一个氢样品仅需200 s～300 s，而且被测样品用量少，操作简单，分析成本低。在煤质分析中，发热量的预测进一步证明了近红外光谱法的准确性、快速性以及应用广泛性。
在我国，煤质检测分析技术发展十分迅速，同时相对应地研制出了很多煤质快速分析仪器，然而跟现在的工业发展需求还是存在着一些差距。对于今后的快速分析煤质检测技术，一方面需要考虑工业应用快速准确的需求，另一方面需要考虑结合自动采样制样手段，从而在采集、制作和分析上实现一体化，避免人为操作误差，同时缩短检测时间。此外从检测成本方面考虑，通过技术融合，使用较低成本能够实现煤质多项指标检测。
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