煤灰分在线检测方法及设备

煤灰分在线检测方法及设备

张泽琳;杨建国

【摘要】在现代煤炭加工和利用企业中,灰分是煤炭质量的重要指标之一.灼烧称重法以及快灰快浮等人工测灰法不仅耗时耗力,而且经常出现信息反馈滞后、产品灰

分超标等现象,效率低且无法达到实时检测煤炭质量的目的,使其已经不能适应现代

煤炭行业的需求.文章详细阐述了目前快速检测煤灰分的几种方法(包括辐射测量法、天然放射性方法、称重法、光电式测灰法和图像处理测灰法)及其检测设备,并分析了各方法的优缺点,以为煤炭加工企业和利用企业提供有益参考.

【期刊名称】《选煤技术》

【年(卷),期】2012(000)002

【总页数】6页(P59-63,72)

【关键词】煤灰分;检测方法;快速测灰;在线检测;检测设备

【作者】张泽琳;杨建国

【作者单位】中国矿业大学化工学院,江苏徐州221008;中国矿业大学化工学院,

江苏徐州221008

【正文语种】中文

【中图分类】TD94

中国是以煤炭为主要能源的国家，在全部一次能源消费构成中煤炭占了70%，中

国与煤炭有关的行业数量是世界上主要产煤国中最多、最全的。中国以煤炭为主的

能源结构在相当长时期内不会改变，在近30年内，煤炭在一次能源的生产和消耗中仍将占主导地位。但是，在煤炭的利用上存在着能源利用效率低和污染环境等问题。解决这一矛盾的唯一出路就是发展洁净煤技术。煤炭洗选加工是国际上公认的实现煤炭高效、洁净利用的首选方案，是发展洁净煤技术的主要内容之一。

灰分是煤炭质量的重要指标之一，迄今为止，煤炭灰分的标准测定方法仍是灼烧称重法 (根据燃烧前、后的重量比得出杂质百分含量)，现场也多采用快灰快浮，而人工采样、制样、化验到报出

E－mail:*************************:136****4601结果需90 min［1］，

效率低且无法达到实时检测煤炭质量的目的，已不能适应现代煤炭加工与利用企业为实现高效生产对煤炭快速测灰、在线检测的需求。自从20世纪20年代末荷兰

首先研制成“森得莱克斯”X射线测灰仪以来［2］，世界上已相继研制出了不同

用途的多种测灰仪。目前，在线测灰的主流技术仍是辐射测量法，还有天然放射性方法、称重法、光电式测灰法和图像处理测灰法。与传统的化验方法比较，在线测灰法的最大优点是实时性好，解决了传统方法的采、制、化工序复杂，得出结果时间长所带来的一系列问题，能够大大减轻工人劳动强度，并且测量结果的客观性好，受人为因素影响小。

文章将主要介绍以上几种测量方法的原理和优缺点以及已经工业应用的在线测灰设备。

1 辐射测量法

1.1 低能γ射线反散射法

γ射线与物质作用仅与物质中元素的种类和各自的含量有关，而与元素组成的化合物分子种类无关。煤可粗略地分为可燃部分和不可燃部分，可燃部分主要是碳、氢、氧、硫等元素，其中碳元素占80%以上，其等效原子序数Z eq≈6;不可燃部分即

灰分，包括硅、钙、铝、镁、铁等元素的氧化物，其中80% 以上为硅、铝的氧化

物，其等效原子序数Z eq≈14。在低能γ射线的照射下，硅、铝原子的光电效应

截面比碳的相应截面要大得多，而前者的散射截面却比后者小［2］。随着煤的灰分增高，反射的γ射线强度近似按线性规律减少，所以可以通过测量低能γ射线

的反散射强度来确定煤的灰分［3］。

我国对这类仪器的研制始于20世纪60年代，并在1976年首次鉴定了我国第一

台低能γ射线测灰仪，由于其测量技术和模型简单，曾作为一种可行的方法被深

入研究过，但并没有得到广泛的应用，主要原因是它对测量条件要求很严格，测量时要求:①被测煤的粒度细;②煤流表面平整;③煤流的密实度保持稳定;④煤层与探测器表面之间的距离应保持不变;⑤煤层厚度应保持大于饱和厚度等。该法难以实现

真正的在线测量，而且测量结果受煤中高原子序数元素的含量影响较大［3］。目前，这类设备在市场上使用不多，有G－3型在线测灰仪［4］、ZTHY型在线测

灰仪［5］和COALSCAN 1500型在线测灰仪［6］。

1.2 高能γ湮没辐射法

能量＞1.022MeV的高能γ射线与煤中物质的原子核作用，会有一定几率产生正、负电子对，产生的正电子会立即与一个负电子发生湮没反应，产生一对能量为

511keV的γ射线。高能γ射线与物质发生电子对效应的几率与物质的原子序数平方成正比，煤中的灰分越高，其平均原子序数越高，可以利用这个原理，通过测量511keV的γ射线强度来确定煤的灰分［3］。

高能γ湮没辐射法的优点是受高原子序数元素含量变化的影响小;缺点为:①同低能γ射线反散射法一样，测量条件复杂，不确定因素很多;②为了保证测量的统计精度，探测器测量到511keV的γ射线的计数率必须高，因此要采用活度高的高能γ放射源，但是其穿透能力强，屏蔽困难，辐射安全性差。

1.3 双能量γ射线透射法

在实际应用中，通常采用低能γ放射源241 Am(60keV)和中能γ放射源137

Cs(662keV)两种放射源。低能γ放射源的吸收量随被辐射物原子序数的加大而提高。因灰分中元素的原子序数比煤高，所以吸收量大，可通过吸收量直接测量灰分。射线吸收量大小还取决于辐射的质量厚度，即取决于胶带运输机上煤的散密度和荷重，而中能γ放射源透射煤层后其强度的衰减仅与一个因素有关，即煤层的质量

厚度。

因此，用中、低能γ射线透射同一煤层，并测量二者强度的衰减，可以直接测量

输送煤带上煤的灰分，不需要分流、采样、破碎、制样等附加设备，具有很强的适应性和实用性。其缺点是受煤中高原子序数元素组成的影响。使用此方法的在线测灰仪在市场上应用广泛，有LB420型测灰仪［5］、COALSCAN(2100型［1］、2500型和3500型)在线测灰仪、ZZ －89A 型［7］和 ZZ－89B 型［8］。

1.4 中子瞬发γ分析法

通过分析测量中子与煤中各种元素的非弹性散射和俘获辐射产生的瞬发γ射线，

可以对煤作多元素分析。通过多元素分析，原则上不仅能确定煤的灰分，还能得到其他有用的参数，如硫分、水分和发热量等。但是，基于这种方法的分析设备复杂，价格昂贵，另外，目前已有的此类设备中，使用的放射源为252Cf，其半衰期只

有2.5年，频繁更换放射源不但费用巨大而且很麻烦。因此该法并未在国内得到广泛采用［3］。

2 天然放射性方法

国内外在研究利用天然放射性实现煤质快速检测方面均已作出了有益地尝试。研究结果认为，射线在自然界普遍存在，岩石和土壤中都有一定量的天然放射性元素(如铀、钍和钾等)，燃煤也不例外，并且燃煤中的矿物质 (灰分)比有机质含有较多的天然放射性元素。这些天然放射性元素可以看做是一些小的射源，当它们发射的天然γ射线与周围物质(如煤中的矿物质和有机质)相互作用时，天然γ射线的能量就向低能方向聚集，从而形成“低能峰”。这种“低能峰”的形状和计数，与煤的

成分有关，亦即与煤中具有不同原子序数的元素有关。利用这一信息，就可对燃煤灰分进行快速检测［9］。

对于表面式天然γ射线测灰仪，在实验室和现场试验表明，在煤层表面使用这种

测灰仪时，天然放射性的记数率对各煤矿而言并不通用，为了取得最精确的灰分测量结果，对各个煤种应分别进行标定。此外，沉积沙岩对这种方法影响很大，这是由于沙岩中天然放射性元素的含量极少，可能把沙岩误认为是优质煤。

对于插入式天然γ射线测灰仪，英国Bretby Gammatech公司生产了一种测量堆积煤灰分的便携式快速测灰仪，由手持式探头 (d 55 mm×600 mm，质量为3 kg)、显示装置(340 mm×300 mm×160 mm)组成，使用方便，不用放射源，对人体无害。只需将探头插入待测的煤堆中，几秒钟后，就可在显示装置上得出灰分的测量结果。可连续测量多达18个点的灰分值;此设备主要用在用煤企业中，在煤炭加工企业中也可稍加改进用于车间灰分测量。曾用这种快速测灰仪对不同煤种进行了广泛的测定，结果表明，测量精确度接近1个标准差。

对于连续式天然γ射线测灰仪，俄罗斯列弗琴斯基国营地区发电厂借助天然放射

性对车载入厂煤实现了连续灰分监测。当载煤车箱以1 m/s的低速穿过称重站时，对燃煤的天然放射性进行监测，每节车箱的监测时间约需10 s。其探测器的布置

方案如图1所示，燃煤的天然放射性透过低速运动的车厢侧壁由探测器予以记录，进而连续测量燃煤灰度值。根据列弗琴斯克发电厂对不同时间入厂煤大量煤样所做的化学分析资料，制定出灰分的分布曲线，将天然放射性的测量结果与该曲线比较，得出的平均灰分值接近于真实的灰分值。因此，有学者指出若将天然放射性测量与称重法结合使用，可提高燃煤灰分检测的可靠性。

图1 连续式测灰仪探测器的布置Fig.1 Layout of continuous ash meters

总的来说，天然放射性方法的优点在于不需要放射源，安全环保。其缺点在于:①

煤中天然放射性的含量只有百万分之几，易受环境本底辐射影响，准确测量较困难，

需要精度很高的探头，成本大;②这种方法只有在铀、钍和钾等天然γ射线的含量与燃煤中矿物质的含量有很好相关性的条件下才能使用，也就是说天然放射性方法的好坏与煤质相关［3］。

3 称重法［9］

研究发现，煤的密度与煤的灰分间存在着密切关系。煤的密度分为表观密度和堆积密度，表观密度是含固有孔隙度和裂隙率的未破碎煤的单位体积重量。在俄罗斯，曾对顿涅茨矿区的煤进行了研究，煤中矿物质的表观密度约为有机质的2倍。煤中矿物质和有机质在表观密度上的这种差别，是密度法测定煤灰分的必要条件，其正确性只能通过实验予以评估。

在顿涅茨矿区，研究发现煤的表观密度ρK与其灰分A间的线性关系如下:

式中:a为煤中有机质表观密度的常数;b为煤中灰分变化时表观密度增量的斜率。商品煤的堆积密度决定于许多因素，其中主要有灰分、粒度、成分和水分。在数量上，堆积密度ρ等于表观密度乘以填充系数c，即ρ=cρK。

乌拉尔的地球物理工作者，曾与某地区发电厂合作，对埃吉巴斯图斯煤的堆积密度与其灰分间的关系进行了研究。对第i节车箱内商品煤的堆积密度ρi在该发电厂的称重站作了测量，使用的公式为::

式中:ρi为第i节车箱内商品煤的堆积密度;Pi为第i节车箱与煤的总重;P o i为第i 节车箱的皮重;V为煤在车箱内的实际体积。

穿过称重站的每节车箱，其总重使用高精度的称重装置在车箱运动(速度约1 m/s)中予以测量，而皮重则采用其标称值。在将车箱的容积和重量(皮重)实现标准化之后，通过对2 000节载煤车箱的称重试验，得出每节车箱煤的灰分Ai与煤重Pi间的计算关系式，如下:

根据式 (3)，按每节车箱内煤重的平均值，对每批入厂煤 (如运煤列车)的平均灰分作了定量评估。将称重法和化验分析得出的两个平均灰分值进行比较得出，这种借助称重装置快速测定灰分的方法是相当可靠的。

我国路迈西教授于1996年也做过原煤灰分和原煤浮沉组成关系的研究，经过对不同矿区、不同煤种、不同可选性的6个炼焦煤选煤厂的75份原煤灰分与原煤浮沉组成相关关系的分析，发现原煤灰分与原煤中＞1.8、＜1.6、＜1.5 kg/L密度级含量有良好的线性关系，而与原煤中＜1.4、＜1.3kg/L密度级含量的关系不显著［10］。

可见，称重法与煤质有很大关系，当煤中矿物质和有机质在表观密度上存在既定关系时，就可以应用称重法，所以此法不具有适应性和推广性。

4 光电式测灰法［11］

这种方法在国内外一直用于浮选尾矿的灰分检测中。对于某一种煤炭，煤和矸石对可见光的反射系数均有它的特定值，而在浮选尾矿中，除含有煤和矸石外，还含有较多的泥沙，呈黄色。实践证明，尾矿灰分越高，泥沙的含量越大，其对可见光的反射率就越高。

使用一个具有连续光谱的白色光对浮选尾矿煤样进行照射，照射光强为I(λ)(这里λ为波长)，用光电二极管作为检测器件，对光源进行测量。检测器件的光谱特性为S(λ)，其输出为:

同时，使用具有相同光谱特性的检测器件测量煤样反射光强，设煤样的反射率

ρ(λ)，检测输出为:

则该煤样的平均反射率为ρ=W2/W1。

早在1972年，苏联专家就曾对浮选尾矿进行过光谱测试，其结论为:在可见光谱

范围内，煤和矸石的反射系数ρ(λ)不随光的波长λ而变化，即ρ(λ)=C(C为常数)，反射系数ρ仅取决于煤和矸石本身的特性，即:

式(6)表明，反射率的测量结果与使用的光源和接收器件特性无关，仅取决于煤样

中的煤或矸石。将浮选尾矿灰分A d和它的反射系数ρ之间的关系表述为一个ρ

的泰勒级数:

式(6)和式(7)构成了我国MFA－01型光电式浮选尾矿在线测灰仪设计方案的理论

基础。

澳大利亚矿物研究实验室的煤浆分析系统为实现浮选工艺的产品质量在线控制提供了比较完善的检测手段，但其价格昂贵，国内绝大部分选煤厂难于接受，是目前条件下推广使用的主要障碍。

波兰的MPOF光学浮选尾矿测灰仪测量比较简洁实用，但目前MPOF测量的灰分范围是50%～100%，而我国大约有一半以上的选煤厂尾矿灰分都低于50%，所

以MPOF在我国不具有推广性。

1999年，我国煤科总院唐山分院研制出了MFA－01型光电式浮选尾矿在线测灰仪，该仪表的研制成功，填补了国内空白。工业性试验结果表明，该仪表对于下峪口煤矿浮选尾矿灰分的测量下限低于20%，测量准确度达到1.8%(均方根误差)，对尾矿的检测条件为:浓度≥15k g/m3，粒度≤0.7 mm。笔者认为增加光谱特性的检测器件灵敏度和减小环境因素影响可提高其测量准确度。

5 图像处理测灰法

5.1 X射线图像处理测灰法

图像处理的技术和方法作为机器视觉检测的核心，直接影响系统决策的性能。将图

像内不同内容划分为不同部分是视觉检测的一个重要环节，可以通过图像处理方法实现。在煤炭的X射线图像中，煤炭杂质表现为一些深色像素的聚集，而周围煤炭则颜色较浅，煤炭杂质一般比较微小或灰度差别很大，因此可通过X射线图像进行煤炭杂质检测。

文献［12］根据最小类内距离和最大类间距离原则设计了粒子群方法中的适应度函数，将其与模糊聚类方法相结合，基于此聚类方法利用X射线进行煤炭杂质检测，并通过仿真试验验证了此方法的有效性。

5.2 视觉图像处理测灰法

视觉图像处理测灰法目前主要用在原煤在线测灰和浮选泡沫在线测灰两个方面，基本理论路线相差不多，均为通过图像采集工具采集需要的图像，利用图像处理法求取能区分灰分和精煤的特征参数，然后建立模型或使用人工神经网络进行预测来实现在线测灰的目的。

文献［13］利用图像处理方法实现了煤炭灰分的在线检测。该方法首先通过摄像头摄取煤炭原始灰度图像，然后将原始图像通过线性加权均值滤波器降低噪声，再通过线性灰度变换去除光照影响，最后从概率统计角度以概率及方差为特征，对预处理后的灰度值矩阵提取特征，通过分组特征匹配算法，得到所洗煤炭是否合格的判定值，根据判定结果输出一组控制信号达到对洗煤机器的实时控制。

中国矿业大学北京校区路迈西教授和中南大学杨英杰教授在浮选指标 (包括灰分)在线检测方面都做了大量的研究［14～21］，基本上都是从浮选泡沫图像中提取基于空间灰度相关矩阵的特征参数和基于领域灰度相关矩阵的特征参数，实验筛选后进行建模或神经网络模拟预测浮选指标。此法简单、快速、耗材少，但受环境因素影响，并且不同煤质浮选泡沫视觉之间存在差别，使得此法没有得到广泛推广。

6 结论

在现代煤炭加工和利用企业中，灰分是煤炭质量的重要指标之一。为了防止经常出

现信息反馈滞后、产品灰分超标现象的发生，诞生了在线测灰的方法和设备。综上分析，可以得出如下结论:

(1)在辐射测量法、天然放射性方法、称重法、光电式测灰法和图像处理测灰法中，辐射测量法中的双能量γ射线透射法及其设备使用最为广泛，效果也最好，从原

理上来讲，其检测确实很稳定，约束条件少，价格适中，易于推广。

(2)天然放射性方法不需要放射源，安全环保，但设备成本高，对煤质有一定要求。

(3)称重法虽然简单易行，但完全决定于煤质。

(4)光电式测灰法主要用于浮选尾煤，测量灰分下限低，工业性试验结果较好，需

要开拓市场。

(5)图像处理测灰法简单、快速、耗材少，但受环境因素影响，并且不同煤质浮选

泡沫视觉之间存在差别，使得此方法没有得到广泛推广。

笔者认为，以上各种方法都有其优缺点，因此未来的研究重点在于设计者能融合各法优点，大胆创新，设计出更符合现场需要的在线测灰仪，以供现代煤炭加工和利用企业选用。

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