无源灰水仪在煤质在线检测中的应用
灰分、水分、发热量是评价煤炭质量的重要指标，能够在线准确地获得输送带上煤流的煤质信息，对煤炭生产、加工与利用具有重要的意义。由于人工采制样劳动强度大，化验结果存在时间滞后且受人为因素的影响，因此采用自动化的在线检验仪器十分必要。在煤炭生产过程中，灰分和水分可以由在线灰水仪测量得到，发热量则可依据煤质经验公式计算得到。
目前，在线灰分检测的方法主要有两类: 使用两个放射源的双能光子源法和不使用放射源的天然射线 ( 无源) 法。因具有环保与测量性能的优势，天然射线 ( 无源) 法逐渐成为在线灰分检测仪器的发展趋势。在线水分检测方法主要有中子源法、近红外法、微波法等。由于中子源屏蔽防护难度大，近红外光受环境粉尘多以及光照强度变化的影响，因此中子源法和近红外法难以适应恶劣的工业环境，在煤炭行业的应用较少。而微波法则具有非接触、快速、连续的特点。在线灰水仪采用天然射线 ( 无源) 法和微波法实现灰分、水分等煤质参数的在线检测，可规避了其他测量方法的缺点与不足，更适合在煤炭行业使用。
1 检测原理
1. 1 天然射线 ( 无源) 灰分检测法
天然放射性元素在自然界中普遍存在，煤炭中也存在微量的天然放射性元素，如 40K、232U、238Th 等。上述放射性元素主要存在于煤的灰分之中，经大量的煤样测试，煤的灰分越高，其天然放射性元素的含量越多，煤中释放的天然 γ 射线的强度也越高。由此可见，煤中的天然放射性水平与灰分含量具有正相关的关系，如图 1 所示，灰分与天然射线强度的线性度达到 0. 97，相关度非常高。 因此通过探测单位质量的煤中天然放射性水平即可计算煤中灰分的含量。
1. 2 微波水分检测法
微波一般是指波长从 1 m 到 1 mm ( 即频率从300 MHz 到300 GHz) 范围内的电磁波。微波透射物质时会产生功率的衰减和相位的改变，这些参数的变化主要由所穿透物质的介电常数、介质损耗角正切值决定。介质的复合介电常数可表示为: ε = ε'r －jε″r，式中: ε'r 表示储能特性，改变微波的相位; ε″r 表示耗能特性，即微波的功率损耗。而水分子是一种极性很强的偶极子，在外电场的作用下，水分子的极化程度远大于其他物质。在一定微波频率范围内，煤炭等含水物料中水的介电常数远远大于所含其他物质的介电常数。例如，在 f = 10 GHz 的微波频率条件下，ε'r( 水) = 63. 04，ε″r(水) = 29. 32，而在相同条件下， ε'r( 干煤) = 3. 8，ε″r(干煤) = 0. 003。水的介电常数远远大于煤的介电常数，因此含水煤的等效介电常数与含水率极其相关。因此通过测量含水煤流在微波场中的介电常数，便能间接测得煤中含水量的多少。
2 结构与功能特点
2. 1 结构
无源灰水仪 ( 图 2) 由安装在胶带输送机机架上 的 NGAM － 2008 天然射线灰分检测单元、 MWKF － 2010 微波水分检测单元以及布置在远端监控室的主机组成，主机与现场部分之间由光缆联通。
NGAM － 2008 天然射线灰分检测单元由用于捕获煤中的天然 γ 射线探测器、用于射线谱线分析的能谱分析仪、用于计量累计产量的负荷称重装置及用于屏蔽宇宙环境干扰的环境辐射屏蔽体等构成; MWKF － 2010 微波水分检测单元由 X 波段微波发射和接收天线、微波信号单元、物料厚度传感器等构成。灰分检测单元与水分检测单元之间以CAN 总线方式实现数据高速交互，从而实现多参数同步检测的目的。
2. 2 功能特点
无源灰水仪用于对煤质的在线实时测量，具有如下功能及特点:
(1) 不使用放射源，以天然射线和微波透射的原理实现煤质检测，绿色环保，对人体无辐射危害，无需办理许可证件。
( 2) 可以给出瞬时、1 min、10 min、小时以及班、日、月等时间段的累计灰分、水分、发热量及累计产量的检测结果。
(3) 根据测量原理，无源灰水仪实现了全横断面检测，能测出输送煤流从内到外的全灰分和全水分值，测量结果更具有代表性。
(4) 天然射线和微波的传播速度很快，可在短时间内实现快速测量，而且对环境条件和物料颜色不敏感，工业环境中的光照、灰尘和水蒸气及物料颜色的变化不影响测量结果。
(5) 采用负荷称重装置与料厚传感器的组合补偿计算，有效地弥补了输送带上煤流流量、厚度、形状及堆积密度的变化对灰分和水分测量的影响。
( 6) 无源灰水仪的灰分和水分检测单元接口匹配，信号兼容，数据联通，实现了多种参数的在线同步测量，构成了统一的检测系统。
( 7) 当待测灰分 ＜ 15% 时，灰分测量精度 ± 0. 5% ; 待测灰分为 15% ～ 30%，灰分测量精度 ± 1. 5% ; 待测灰分 ＞ 30%，灰分测量精度 ± 2. 5%。 水分测量精度为 ± 0. 5% ( 与粒度相关) 。发热量可依据用户给出的煤质经验公式计算。累计产量精度为 0. 5%。
3 应用效果
3. 1 在精煤煤质检测中的应用
淮北矿业集团涡北选煤厂是一座设计能力为1. 2 Mt /a 的大型炼焦煤选煤厂，其精煤产品由重介精煤、粗精煤泥和浮选精煤三部分组成。为了能够提高检测效率、及时指导生产，涡北选煤厂选用无源灰水仪实时动态检测精煤胶带输送机上混精煤( 重介质旋流器分选出的精煤与浮选精煤的混合) 的灰分、水分数据。无源灰水仪的现场安装情况见图 3。
为了检验无源灰水仪的测量效果，涡北选煤厂进行了比对试验。表 1 所示为无源灰水仪的测量值与胶带输送机机械采样的化验值对比结果。
经统计计算，灰分测量精度为 0. 13% ，水分测量精度为 0. 31% ，完全达到了使用要求。该无源灰水仪自安装以来运行稳定，涡北选煤厂在生产中参照无源灰水仪检测出的动态数据，及时调节选煤生 产 参 数，不仅提高了混精 煤合格率，从67. 82% 提高到 78. 89% ，而且提高了精煤产率，从 57. 03% 提高到 57. 35% 。按照年入选原煤 330万 t、精煤价格 800 元/t 计算，可以多盈利 844. 8 万元，为选煤厂创造了巨大的效益。
3. 2 在原煤煤质检测中的应用
川煤集团攀枝花煤业公司 ( 以下简称攀煤集团) 下属大宝顶、小宝鼎、太平、花山等四对矿井，各矿井以开采的原煤质量为依据与精煤公司进行内部经济结算。由于南方矿煤层薄，地质变化大，赋存条件差，原煤煤质不稳定，为了保证煤质检测的公开、公平、公正，确保供需双方的经济利益及创造良好的内部市场环境，攀煤集团安排人员监管采制样与化验的各工序，导致攀煤集团的管理
成本居高不下。为了降本增效，自 2015 年以来攀煤集团陆续在四对矿井的原煤输送带上安装无源灰水仪，实现了对各矿原煤煤质的自动化在线检测。图 4 为在小宝鼎煤矿安装的无源灰水仪。
2017 年 5 月，攀煤集团对小宝鼎煤矿安装的无源灰水仪进行了验收比对试验，对比数据见表2。由表 2 可知，该无源灰水仪所检测的是高灰分、大粒度、低 含 水 量 的 原 煤，其灰分测量精度为1. 46% ，水分测量精度为 0. 44% ，远优于原煤灰分精度 2. 5% ，水分精度 0. 5% 的指标要求。攀煤集团以无源灰水仪的检测结果作为内部考核结算依据，减少了大量协商仲裁的管理支出，而且每班可
少安排采样、制样、化验、监管人员 5 人，按每天两班作业组织生产，每人每年工资 4. 5 万元计算，年可节省工资支出 45 万元］，达到了降本提质、减员增效的管理目的，效果显著。
4 结语
无源灰水仪不使用专门放射源，安全、环保，可以对灰分、水分、发热量及累计产量等多种参数进行同步在线测量。淮北矿业涡北选煤厂和攀煤集团的应用实践表明，无源灰水仪的检测精度高、自动化水平高，适用于检测精煤及原煤等，达到了指导生产、质量考核结算的使用目的，降低了企业的管理成本，创造了良好的社会效益与经济效益。
