煤岩自动测试系统在煤焦异常判断中的应用

王 越，白向飞，张宇宏，王 岩

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

0 引 言

传统煤岩组分采用人眼识别和手工测试相结合的测试方法，存在测试效率低、煤岩组分识别的主观性强、测试过程不可追溯、操作人员易疲劳、测试人员的鉴定水平提高慢、测试结果难以走向实际应用等问题[1,2]。

煤岩工作者追求的目标主要包括减少煤岩组分识别的主观性、实现煤岩组分快速并准确测定、降低操作者的劳动强度等，故全自动煤岩系统应运而生[3-6]。以光度计为基础的自动测试仅能获取镜质体反射率参数，因而也仅能利用反射率进行组分识别，忽略了样品的均匀程度、各向异性、光照条件及焦距等对测试所造成的较大影响[3,4]。此外，该方法对测试过程中随机误差(光源、成像质量的瞬时波动)缺乏实时响应，不能及时发现随机误差并将之排除，因而反射率测试的精度较低；不同显微组分的反射率存在重叠现象，仅依靠反射率单一参数不能实现煤岩组分自动识别的目标[7-11]。

图像处理技术不仅能获取煤岩显微组分的反射率信息，还能得到测点位置、组分形态学或几何学参数，具有测试效率高、测试结果准确度高、全自动化、结果可追溯等显著优势，是今后煤岩自动测试技术的发展方向[12]。现以煤炭科学技术研究院有限公司(以下简称煤科院)开发的BRICC-M型全自动煤岩分析系统为例加以说明，该系统基于数字图像处理技术(DIP技术)，测试图像可存储、测试结果可追溯，属于真正的图像分析法。

1 BRICC-M型煤岩自动测试系统简介

1.1 测试系统功能

BRICC-M型煤岩自动测试系统具有以下6个功能:① 图像自动扫描采集:采集过程实时跟踪自动调焦；② 镜质体反射率自动测试:测试结果与人工测试结果可比性强，且过程可追溯；③ 混煤判别:多种判别模式供用户选择，判别结果准确度高；④ 煤岩显微组分和焦炭光学组织定量统计，且过程可追溯；⑤ 同一套系统可同时服务于检测、配煤、运销、管理等多个环节和部门，使煤岩测试结果真正走向生产应用；⑥ 配煤镜质体反射率模拟与工艺参数预测。

1.2 测试系统技术特点

BRICC-M型煤岩自动测试系统具有以下技术特点:

(1)测值准确:对各种可能影响自动测试精度的因素(如扫描速度、样品平整度、测点位置、显微组分结合关系等)采取应对的技术措施，保证测值准确。

(2)测试过程可追溯:测试结果和混煤判别结果可直接加载到图像上，用户可调出图像来分析测试结果准确性及影响因素，尤其可调出争议煤种专门进行审核、交流。

(3)测点分布和图像质量符合测试要求:XYZ三轴电动平台精密度高，复位精度高，测点布置均匀，采用实时跟踪自动调焦技术结合过滤虚焦技术，确保采集的图像质量满足测试要求。

(4)测试流程灵活合理:既可将图像采集与处理过程集成，也可在图像采集后进行离线(脱离显微镜)图像处理，在计算机上完成煤岩测试过程，提高了测试效率和精度。

(5)硬件质量:自动扫描平台与图像采集设备运行稳定，确保稳定工作时间与传统光度计相当。

(6)结果应用:用户可通过共用1个显微镜和图像系统，在不同部门分别进行各自需要的工作，如结果审核、配煤指导、混煤争议解决等，提高煤岩分析结果的应用性能。

1.3 与其他测试系统对比

BRICC-M型煤岩自动测试系统的自动化程度和应用便利性将得到极大提高，能够在保证测试精度的前提下实现快速测试，并用于合理指导配煤，与其他测试系统的对比见表1。

2 系统在煤焦异常判断中的应用

BRICC-M型煤岩自动测试系统严格遵循煤岩学的测试原理，不仅能够快速、准确定量，且测试过程可追溯、测试结果可审核，对实验结果的准确判定和应用提供强大的技术支撑。近年来，BRICC-M型煤岩自动测试系统的客户在生产实践中遇到较多的异常样品，均可通过图像系统得到圆满的解决。现选取典型的案例进行说明，所选案例均为企业的真实案例。

2.1 焦炭异常判别

某企业在焦炉的不同部位均发现块焦中出现不同粒度的“黑炭”(如图1所示)，焦炭的机械强度略有下降，但焦炭热反应性增高，反应后强度降低，反应后残焦中“黑炭”减少。

在耐驰STA 499 F3热重分析仪上分别对正常块焦和“黑炭”进行反应特性研究，从室温以20 ℃/min的升温速率升高到1 000 ℃，热重曲线反应特性参数见表2。

在BRICC-M型煤岩自动分析系统中，对“黑炭”进行分析，如图2所示。

在10倍干物镜下对“黑炭”的气孔率进行测试，如图3所示及详见表3。由图3可知，“黑炭”的气孔率与大多数焦炭处于同一水平，但“黑炭”在镜下光学组织为各向同性；除了独立分布的各向同性组分，还可见较多细粒状、被各向异性组织包裹的各向同性组织。因而除了肉眼可见的、单独分布的“黑炭”以外，还有很多以细粒状分布于焦炭中的“黑炭”，此种组分及其显微组织对焦炭反应性能的影响更多为负面。该批入炉煤的细度为80%，基本满足要求，但其中存在部分大颗粒；大颗粒的“黑炭”应该主要来自粗颗粒，而非熔融黏结形成。

表1 煤岩测试系统对比
Table 1 Comparison of coal petrography testing systems

项目BRICC-M型其他系统样品移动自动物台自动移动人工移动调焦技术自动调焦、自动采集人工准焦反射率测试无需人工干预,自动识别镜质体并测试其反射率,自动形成反射率测试报告人工选点、手动出结果过程监控图像保存,随时监控很难实现结果审核随时调取图像,对“争议”数据和煤种进行审核靠重复测试实现混煤剥离与判别高斯拟合、后台数据库辅助判别直方图切割配煤拟合专用模块计算人工计算工作曲线建立实时工作曲线固定工作曲线或者选定工作曲线测试速度图像自动扫描(20～30)min,图像处理(2～3)min、合计(25～35)min/样品显微组分(40～60)min,混煤反射率(60～90)min,合计(100～150)min测试点数(3～10)万点250点或500点指导配煤提供各煤种及其显微组成原始图像、计算各煤种含量并与显微图像链接审核、自动计算相关配煤技术参数仅提供测试数据及初步的煤种判别扩展功能焦炭显微组成及气孔率自动测试较少

表2 正常块焦和“黑炭”的反应特性参数
Table 2 Characteristic parameters of lump coke and “black carbon”

项目工业分析/%MadAdVdafFCd反应特性参数初始反应温度/℃最大反应速率/%最大反应温度/℃反应终止温度/℃块焦0.0612.131.1286.8963810.54710790“黑炭”0.6114.782.0183.515909.82640766

图2 “黑炭”的光学组织特征Fig.2 Optical texture of “black carbon”

图3 “黑炭”的气孔率测试界面Fig.3 The porosity determination of “black carbon”

表3 焦炭气孔结构参数统计结果
Table 3 The results of pore structure parameters of coke

气孔结构参数数值平均气孔直径/μm41.72平均气孔壁厚/μm69.46气孔率/%37.52

表4 入炉煤的煤质特征
Table 4 The qualities of the coal used

项目工业分析Mad/%Ad/%Vdaf/%CRCRoran/%入炉煤1.2510.0324.5761.216 mm～13 mm1.4311.2326.9960.97

图4 入炉煤的粒度组成Fig.4 Size composition of the coal used

在BRICC-M型煤岩自动测试系统中，定位并筛选相应的煤种，如图6所示。由图6可知，该低阶炼焦煤的显微组成特殊，含较多的树脂体(壳质组的组分之一)；变质程度低，镜质组和壳质组含量高，韧性强，可磨性低，导致该煤种不易破碎，易在大颗粒中富集，在总体细度基本合格的情况下，比其他入炉煤的粒径大。干馏过程不发生熔融，与其他煤粒的结合界面过于分明，导致大粒径“黑炭”多见，“黑炭”的反应性明显高于周边正常焦炭。粒径大以及本身反应活性高，导致焦炭强度和反应性较差。

2.2 混入焦炭(半焦)的情况

某焦化企业入厂煤的指标检测见表5，采用40 kg焦炉进行成焦实验后的焦炭质量指标见表6。由表5可知， 该煤的灰分、全硫及挥发分产率均处于较合适的区间， 黏结指数、胶质层指数和奥亚膨胀度较优良，是1种优质的焦煤煤种。但在40 kg焦炉中成焦特性极差， M40极低、M10极高,无法进行焦炭热反应性(CRI)和反应后强度(CSR)测试。

图5 入炉煤及(6～13)mm粒级的镜质体反射率对比Fig.5 The vitrinite reflectance of the coal used and samples of (6～13)mm

图6 BRICC-M型煤岩自动测试系统筛选产生“黑炭”的煤种Fig.6 The coal type of “black carbon” selected by BRICC-M coal automated determination system

表5 某焦化企业入厂煤的质量指标Table 5 The qualities of coal used by a coking company

表6 焦煤样品的成焦质量特征
Table 6 The qualities of coking coal

灰分(Ad)/%挥发分(Vdaf)/%全硫(St,d)/%M40/%M10/%CRI/%CSR/%11.561.281.232059.2未成焦未成焦

表7 焦煤样品的镜质体反射率特征
Table 7 The vitrinite reflectance of coking coal

Roran/%标准差变异系数最小值/%最大值/%总测点数1.2280.0950.0780.951.58120 068

图7 焦煤样品的镜质体反射率分布图Fig.7 The distribution of vitrinite reflectance of the coking coal used

焦煤样品中混入大量高反射率的焦炭(半焦)颗粒，则易导致焦炭机械强度和热强度降低。煤岩自动测试系统筛选时典型异常图像如图8所示。

图8 煤岩自动测试系统筛选时典型异常图像Fig.8 The typical abnormal pictures by coal automated determination system

2.3 化产油气收率高

某捣固炼焦企业新购入一批气煤样品，使用之后焦炉煤气及焦油产率分别增加3%和2%。采用BRICC-M型煤岩自动测试系统对该典型气煤进行煤岩分析，结果如图9所示及详见表8,筛选后的典型图像如图10所示。

图9 典型气煤样品的镜质体反射率分布图Fig.9 The distribution of vitrinite reflectance of the gas coal used

表8 某焦化企业气煤样品的镜质体反射率特征Table 8 The vitrinite reflectance of gas coal used by a coking company

图10 筛选后的典型图像Fig.10 The selected typical pictures

3 结论与建议

化验结果是焦化厂技术管理人员的“眼睛”，所以化验结果的准确性对于煤质管理及炼焦配煤方案制定至关重要。镜质体反射率在入厂煤监测和配煤中具有不可替代的作用，从取样、制样、化验、结果表述、指标理解等不同层面规范操作流程，确保化验结果准确性，并能够用于指导生产。

根据当前各种配煤技术的发展趋势以及相关指标的应用潜力，新型炼焦配煤技术体系的构建应满足焦炭品质预测准确性高、煤源变动适应性强、成本-安全-环保因素协同考虑及实用性强等特点。从煤的成因因素出发，基于煤岩与吉式流动度的新型配煤体系是未来的发展趋势:该体系以常规煤岩学指标对原料煤的组成和变质程度进行科学表征，以吉式流动度指标对炼焦煤热解过程胶质体的质量进行全面解析，同时关联成煤时代、产地等因素对煤沉积环境进行论述，结合黏结指数、胶质层指数等其他常规炼焦工艺指标和炼焦精煤灰成分等因素，实现焦炭性能与原料煤特性的科学、深入联结，形成可追根溯源以表征原料煤性质、准确预测焦炭质量、解释特殊炼焦煤成因并提出应对措施的煤岩配煤综合体系。