我国煤炭检测技术现状分析与发展思考

蔡志丹，张永刚，王利斌，涂 华，赵 奇

(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;3.煤炭工业节能监测中心，北京 100013)

0 引 言

“十三五”时期是煤炭工业发展史上具有划时代意义的5年，煤炭资源开发布局持续优化，科技创新能力显著增强，煤炭清洁生产水平明显提升，煤炭清洁高效利用步伐加快，煤炭市场化改革取得实质性进展[1]。我国已形成以煤炭加工技术、煤炭洁净燃烧技术、煤炭转化与合成技术、污染物控制技术、废弃物处理技术、碳减排技术为主体的煤炭清洁利用技术体系。预计到2025年煤炭在我国一次能源结构中占比约为55%[2],21世纪中叶煤炭能源在新型能源体系中的消费占比约为40%左右[3]，依然为能源结构的主体。

根据煤质特征清洁高效利用煤炭资源，符合双碳政策下我国“十四五”时期的能源利用方向。煤炭检测是构成煤炭绿色开采、洗选加工、分质转化、洁净燃烧、末端治理等过程的关键环节，是市场经济体制下贸易结算的重要依据。煤炭作为原料煤和燃料煤时，准确高效获得煤质指标对其加工利用十分重要。笔者从采制样、检测方法、检测设备、标准物质、检测数据采集等方面阐述了我国煤炭检测技术现状，提出了对煤炭检测技术的几点思考，以期为煤炭检测技术的发展提供参考。

1 煤炭检测技术现状

1.1 煤炭采制样技术现状

煤炭是1种组成较为复杂的混合物，品质具有不均匀性。在煤炭质量检测中,采样引起的误差占整个采制化总方差的80%、制样占16%、化验占4%[4]。煤炭样品的采取和制备已经形成国家标准[5-6]，标准化采制样是规范获取具有代表性的样品、准确分析某1批次煤样性质的前提，是煤炭质量验收过程中的重要环节[7]。

目前，我国煤炭采制样有人工采制样和机械化采制样2种方式，人工采制样具有现场应变性强、系统误差低的特点，机械化采制样具有精密度高、人工成本低的特点[8-10]。机械化采制样在煤矿、电厂、港口和钢铁厂中已得到广泛应用，但由于煤炭采制样机体型较大、操作复杂、故障率高，仍需不断完善，以保证采制样的代表性和准确性[11]。典型的采制样系统工作界面如图1所示。

图1 典型的采制样系统工作界面Fig.1 Typical working interface of sampling system

随着煤炭工业的高质量发展，机械化采制样装备及系统是未来的趋势，大型工业智能机器人技术、燃料智能化管控技术的大量应用也会不断的提升采制样装备及系统的自动化和智能化[12-14]。

1.2 煤炭检测方法现状

自1949年以来，我国对煤炭分类方案的研究以及对国家标准的制订十分重视[15]。煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院和检测分院(原煤炭科学研究总院北京煤化学研究所)自1956年建院以来，一直从事煤炭试验方法研制、煤质研究、煤炭质量检测与评价工作。发布了煤炭成分分析和物理特性分析、工艺性能参数检测、常量和微量成分分析等方面的标准80余项，实施了煤炭质量分级等多项评价标准，提出了各种工业用煤技术条件10余项[16]，对规范我国煤炭贸易市场、指导企业合理用煤发挥了重要的作用。

煤炭组成、工艺性质及物理性质的分析一般采用经典标准方法，选择经过确认的标准方法可以确保检验检测结果的有效性。随着我国煤炭检验检测领域的发展，许多传统的测试方法已经实现自动化或半自动化测试，如采用自动工业分析仪、自动红外测硫仪、自动元素分析仪、自动氟氯测定仪等测定工分、元分及微量元素[17]。

我国煤炭检测及其标准化工作从20世纪50年代开始，1963年制定了包含煤炭采制化等方面的18项煤炭试验方法国家标准；70年代中期至80年代末共制修订43项国家标准和行业标准，形成了从釆样、制样到化验的完整标准体系；80年代末以后全面向国际标准化靠拢，与国际标准等同、等效，紧密相联，达到当前国际水平；90年代至今我国自主研制的煤炭检测方法和标准转化为国际标准，制定《褐煤和泥炭—腐殖酸产率测定方法》(ISO 5073：1999)等国际标准[18]。经过70年长久持续发展，我国已建立1套科学、合理、完善、先进的煤炭检测方法标准体系，煤炭检测技术标准化工作对合理利用煤炭资源发挥了积极作用。

我国在炼焦用煤、动力用煤以及现代煤化工领域具有较为完善的煤质评价标准体系，涉及煤质管理、煤质评价等50多项国标及行标[19-21]。煤质管理标准包括《商品煤质量抽查和验收方法》(GB/T 18666—2012)等管理标准等产品标准；煤质评价标准目前主要包括煤炭产品品种、全水分、灰分、挥发分、固定碳、硫分、发热量、磷、氯、砷、氟、汞、煤的热稳定性、黏结指数等煤炭质量分级标准[22]。煤炭资源与质量评价系列标准的实施为煤炭生产、加工以及贸易提供了技术支持，促进了现代煤化工项目的工业示范及运营[23]。

随着我国加入世界贸易组织，为促进煤炭工业的技术进步、产业升级和结构调整，煤炭科学技术研究院有限公司从2000年初期即编制并颁布了一系列用煤标准，主要涉及炼焦、现代煤化工、电力、水泥、钢铁等行业的用煤技术条件，标准对指导煤炭相关企业选用适宜的加工转化技术发挥了重要的作用[24-25]。具体颁布的用煤标准见表1。

表1 煤炭相关行业用煤标准情况Table 1 Standard situation of coal used in coal-related industries

1.3 煤炭检测设备现状

煤炭科学技术研究院有限公司自20世纪60年代以来进行了自动和半自动煤质分析设备的开发，90年代初研制出全自动测硫仪、碳氢测定仪、氟氯测定仪、甲苯萃取仪等检测设备[26]；近10年来，成功开发出了研发出具有自主知识产权的煤岩图像分析系统、吉氏流动度测定仪、焦炭反应性及反应后强度测定仪、炼焦试验焦炉及高温煤灰黏度测定仪等高端专用煤焦分析评价设备，经市场化运行，设备性能优越，整体上达到国际领先水平。

煤炭检测设备经过60年的技术创新与进步发展，经典检测设备基本实现了自动化及系统化，缩短了检测周期，提高了检测效率，如自动工业分析仪、自动元素分析仪、自动库仑测硫仪、红外测硫仪、自动氟氯测定仪、自动量热计、自动煤灰熔融性测定仪等[27]。同时以红外光谱技术、X 射线荧光法、多能X射线吸收法等现代通用分析设备也逐步引入到煤炭检测领域，基于无源的测量技术已成为煤质在线检测技术的发展方向[28]。我国煤炭检测设备向着自动化、高效化、智能化和高端化的方向飞速发展。

1.4 煤炭检测标准物质现状

煤炭检验检测机构在设备标定和校准、设备性能评价、方法验证及确认、检测质量控制过程中通常使用标准物质[17]。我国煤炭类标准物质研制始于1982年，首先开展了煤的灰分、挥发分、全硫、碳、氢、氮、发热量等常规指标的标准物质研制，由国家煤炭质量检验检测中心(原国家煤炭质量监督检验中心)研制和生产了第1批煤的物理和化学成分分析标准物质；21世纪以来，随着现代煤化工技术的示范升级和环境保护要求的提高，推动了氯、氟、砷、磷、灰成分和灰熔融性等指标的标准物质研制；近十余年，成功研制了黏结指数、胶质层指数、自燃倾向性、哈氏可磨性指数等煤炭工艺性质类标准物质，标志着中国煤炭标准物质研制技术与国际领先水平接轨[29-31]。

目前煤及煤制品检测领域通过国家定级鉴定的标准物质有30类约170种，其中一级标准物质约80种，二级标准物质约90种[32]。中国地质科学院、山东冶金科学研究院、秦皇岛出入境检验检疫局等机构也开展了煤炭有证标准物质的生产。构建完善的煤炭标准物质体系，研制高准确度计量的标准物质，推动了煤炭行业检测技术的发展[18，33]。

1.5 煤炭检测数据采集系统现状

目前,国内煤炭检验检测机构的检测数据大都以传统的纸质方式处理,虽然原始性和应变性较强，但存在结果传输慢、数据审核难、阶段性统计繁的问题。从20世纪60年代末期开始的初步研究阶段，到70年代时期的大量数据分析、处理、储存问题的进一步发展阶段，再到80年代中期的深度发展阶段，煤炭检测数据采集系统已被应用至更多领域且逐渐迈向商品化[34]。近年来,随着煤炭检测设备自动化程度的提升以及信息技术的日渐成熟，对实验室管理信息系统的开发应用也提出了更高的要求，煤炭检测数据采集系统的深度开发符合现代煤炭检测实验室科学管理的必然趋势[35]。

煤炭检测数据采集系统的核心为检测数据的采集、分析和结果报送，整体设计开发完全可以满足检验检测机构资质认定、实验室认可以及煤炭相关检测标准的要求。煤炭科学技术研究院有限公司检测中心自主开发并应用了实验室信息管理系统，该系统以检测业务流程管理为主线，综合协调实验室的人员、设备等资源[36]。实现煤样的委托登记、样品接收、任务安排、数据录入、结果审核、阶段统计、信息查找，并能生成检测管理报表，快速实现业务在不同部门间的流转，并予以全流程追踪监控[37-38]。典型的检测数据采集系统工作界面如图2所示。

图2 典型的检测数据采集系统工作界面[36]Fig.2 Typical working interface of detection data acquisition system[36]

2 煤炭检测技术发展的思考

2.1 国家及行业相关政策的支持

2021年3月5日，国务院总理李克强在《政府工作报告》中强调“坚持创新驱动发展，加快发展现代产业体系”，该报告为“十四五”时期我国煤炭检测技术的发展指明了方向。国家市场监督管理总局于2021年9月10日发布《市场监管总局关于进一步深化改革促进检验检测行业做优做强的指导意见》，指出“着力深化改革，推动检验检测机构市场化发展；坚持创新引领，强化技术支撑能力；激发市场活力，提升质量竞争力；加强规范管理，提高行业公信力”，该文为煤炭检验检测机构在技术层面的深化改革提出了要求。中国煤炭工业协会对“十四五”煤炭工业高质量发展做了初步思考，在《2020煤炭行业发展年度报告》中提出“加强商品煤质量管理，严格执行商品煤质量标准，推进煤炭清洁高效利用；发挥5G、大数据、信息化和智能化技术优势，推动现代化煤炭市场交易体系建设；推动智能化成套装备与关键零部件、工业软件研发”，该报告为煤炭检测技术的具体实施提供了思路。

2.2 现代煤化工产业的驱动

煤炭气化技术是煤炭转化利用的重要技术路径之一，也是现代煤化工的龙头技术，对促进国民经济可持续科学发展、保障国家能源安全发挥了重要作用[39]。截至2020年底，我国煤制油、煤制烯烃、煤制气、煤制乙二醇产能分别达到931万t/a、1 582万t/a、51.05亿m3/a、489万t/a[1]。结合煤质评价相关研究可知[40-41]，现代煤化工项目密切关注项目用原料煤的确定、煤的性质对气化技术选择的影响、煤的组成对项目产生废弃物中氟、氯等有害物质的影响等煤质问题[42]，应科学模拟气化炉内环境，建立相应的煤质评价体系及分析测试装置[43]。因此，研制适合现代煤化工项目运行的煤炭检测指标、检测方法以及在线分析设备，能够促进新时代煤炭转化利用技术的革新。

2.3 实验室质量管理体系的提升

煤炭检测实验室是煤炭检测方法研制、检测设备的运行、数据采集系统的使用的主体机构。实验室一般都根据相关要求建立了质量管理体系，在进行检验检测活动时，通过质量控制和质量改进对检测技术的运作提供根本保证。质量控制的方法主要有加强人员管理和培训、监控和保持检测环境、配备满足要求的设备设施、建立和保持标准物质的管理、选用规范的检测方法、控制和记录样品的处置、参加机构之间比对或机构内部比对[17]。通过实验室质量管理体系的水平提升，保障了煤炭检验检测工作的科学性和有效性，验证了新型煤炭检测方法和设备实施的可行性，促进了煤炭检测技术的创新驱动。

3 结 论

通过分析煤炭检测技术对煤炭加工利用行业发展的重要性，阐述了我国煤炭检测技术现状，主要是：人工采样和机械化采样并存，机械化采制样装备及系统是未来的趋势；煤炭检测相关标准对规范我国煤炭贸易市场、指导企业合理用煤发挥了重要的作用；我国煤炭检测设备向着自动化、高效化、智能化和高端化的方向飞速发展；标准物质的应用推动了煤炭检测技术的进步；煤炭检测数据采集系统的开发符合煤炭检测实验室科学管理的必然趋势。 通过对煤炭检测技术发展的思考，提出国家及行业相关政策的支持、现代煤化工产业的驱动、实验室质量管理体系的提升能够促进煤炭检测技术向着标准化、智能化、快捷化的方向发展。