X射线在煤质分析中的应用现状与发展

钟新龙 王宇英 杨小平

中国矿业大学(北京)化环学院 北京 100083

传统煤质分析技术有分析周期长的特点，这样对煤炭企业的效率提升造成了很大的阻碍，快速煤质分析技术的概念由此诞生，X射线煤质分析技术就是其中的一种。积极推进X射线煤质分析技术的研究，提高X射线煤质分析技术的精度和检测范围，对煤炭行业发展有着重要意义。

1 X射线技术现状

德国科学家伦琴于1895年研究阴极射线时首次发现了X射线，X射线本质是一种频率极高、波长极短的高能电磁波。宇宙许多星体会发射X射线，空间探测中常见X射线的应用；对于不同物质，X射线在穿透或反射时被吸收的程度不同，经过显像处理即可得到不同的影像，因此X射线可用于探测物质结构。

如今对X射线的形成机理已有很清晰的认识，X射线在工业和社会中的应用也很广泛，现阶段X射线的应用有空间探测、医学诊断、金属探伤和选矿应用等，并且常见X射线技术与计算机技术相互结合。具体实例有：Ishikawa开发了一种机器学习的概念，对太阳耀斑X射线(HXR)发射进行分类；管庆吉以胸部X射线图像为对象，设计了一种疾病图像学习方法；四川川化鑫和检测技术有限公司采用单壁透照方式制作了一种低成本对接环焊缝X射线检测工装；何晓明利用X射线透射选煤法，实现了煤和矸石的分选。

2 煤质分析技术现状

2.1 煤质分析的定义

煤质分析的本质是提前了解一种煤炭的性质和组成方法以及内部结构，准确把握相关特性后，通过专业的物理或化学方法进行煤炭指标的测试和研究，最后采取样品煤，完整的流程被称为煤质分析。

2.2 煤质分析技术现状

煤质分析的要素有水分、灰分、挥发分、热值、氮和硫元素含量等，这些基本要素决定了煤的洗选方法和基本用途。

传统煤质分析方法不能直接在现场得出煤的性质，需将样品转运到配备有专业设备的煤质分析化学实验室进行相关检测，这种方式工作量大且分析周期长，分析结果时效性不高，不能很好地反映具体时间、地点煤的品质。

由于传统煤质分析方法周期长，在当前激烈的竞争条件下，已经不能很好地适应煤炭企业的需求，快速简便的煤质分析方法就成为各个煤炭企业关注的焦点。快速煤质检测设备应运而生，常见快速煤质分析技术有：X射线荧光法、多能X射线吸收法、近红外光谱分析法、激光诱导击穿法和天然γ放射性测量法。利用这些技术手段得到煤样的内部信息后再通过计算机进行整合，就能得到常用的煤质分析数据。通过这种方式得到数据的时间短，能减少化验次数，可以很好地反映检测时煤的基本特性。

3 X射线在煤炭行业中的应用

X射线在煤炭行业中的应用主要有两种：基于X射线技术的干法选煤和利用X射线技术的快速煤质分析检测。

3.1 X射线干法选煤

煤炭是我国能源安全的基石，近年来煤炭的开采量不断攀升，随着机械化采煤的推广，原煤中矸石含量也在不断增加，运用选煤方法提升煤炭质量就显得尤为重要。我国煤的主产区主要集中在黄土高原和西北地区等缺水地带，技术成熟的湿法选煤受到水资源的短缺影响相对成本高昂，需要一种环境友好，尽量少使用或者不使用水的干法选煤方法。X射线选煤不用水、不用介质，满足了这些需求，而且X射线可由电器设备产生，断电后放射性即可消失，相比传统的γ射线选煤方法，没有处理废弃放射源的苦恼，更加安全环保，何晓明设计的X射线选煤装置基本原理应用数字化图像分析法，根据所采集的像素值和阈值比较，实现煤和矸石的分选，这种分选方式高效且节水，适合干旱地区进行选煤。

3.2 X射线煤质分析

传统煤质分析方法周期长，已不能很好满足煤炭企业生产需求。各类快速煤质分析方法都备受关注，X射线煤质分析技术就是其中的一种，如今，常见用于煤质分析的X射线技术有：X射线计算机断层扫描(XCT)、X射线荧光光谱(XRF)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)四种。国内已经有了X射线荧光煤质分析仪在工业化应用成功的案例，这种仪器检测结果虽然可信度较高，但也存在一些问题需要解决。

4 X射线用于煤质分析的研究

4.1 现状

便携式快速煤质分析设备的概念前人早已提出，20世纪70年代后期至80年末，澳大利亚学者成功找到利用γ射线测量高速运动煤流灰分的方法，由于产生γ射线需要利用到相关的放射性核素，在运用的过程中很有可能对人体造成危害。X射线具有与γ射线类似的性质，却可通过电子设备产生，断电后放射性即可消失，更加安全可靠，因此很多学者把目光投到了X射线用于煤质分析的研究上来。现阶段，在选煤厂中已经有了相关X射线技术的应用，X射线技术正在与其他煤质分析技术相互融合，呈现出技术互补的良好发展势头。

4.2 应用方法与关键技术

前文已经提到，常见的X射线煤质分析技术有四种，这四种技术的应用方法和关键技术略有不同，下面对这四种技术做简短的介绍。

4.2.1 X射线计算机断层扫描

X射线扫描技术作为一种以不破坏物体为前提条件的能够提供不透明材料内部结构的技术，同样也适用于煤质分析，可用以知晓煤块内部的密度分布情况。XCT技术基于物质的密度差进行成像，由于高密度的物质对X射线有强烈的吸收作用，因此在图像上呈现白色(如矸石)，而较为柔软的物质(如煤)呈现灰白色，充满空气的地方能让X射线顺利通过，则呈现出黑色。通过颜色深浅的比对，就能通过XCT技术了解到煤内部密度的分布情况。

4.2.2 X射线荧光光谱

XRF适用于对样本煤中原子序数较大的元素(如砷、钡、钴等)进行测量，其技术原理是：原子在吸收特定大小的外部能量后，原子中内层的电子会向外部的轨道发生跃迁，在内层形成空穴，这时原子处在一个能量较高的不稳定状态，外层电子会向内部发生跃迁使原子回到稳定状态，外层电子向内层跃迁的同时，会将原子多余的能量以电磁波的形式释放出来，这个电磁波即X荧光射线，由于各类元素的发射的X射线荧光不同，将发射出的X荧光射线进行捕捉分析就能对煤中原子序数大于11的元素进行定量分析，从而得出煤的灰分含量。但XRF无法测定煤的发热量，好在通过技术的结合，这一问题已得到了很好的解决，李晓林开发了一种XRF与激光诱导击穿光谱(LIBS)结合的煤质分析技术，这种技术能够准确测量煤的发热量和灰分含量。

4.2.3 X射线衍射

XRD常见用于煤分子结构的研究，基本原理是：煤内部呈现出片状由芳香环组成的大分子结构，这些大分子相互堆叠，形成与X射线波长相同数量级的“衍射光栅”，当X射线通过煤样时，在某些方向上会出现加强，在其他方向上发生减弱，从而能够得到衍射纹样。测量纹样尺寸，再利用布拉格方程进行转换，即可得到煤大分子结构的堆砌厚度、芳香层片直径等信息。下图为XRD基本原理示意图。

XRD技术基本原理示意图

4.2.4 X射线光电子能谱

XPS主要针对煤薄外层(2～5nm)进行煤质分析，基本原理是：X射线照射煤样时，煤样中的原子或分子的价电子或内层电子会受激发射出来，测量受激电子的能量，就能对煤样表面的元素成分进行定性、定量或半定量及价态分析。XPS所使用的煤样不用特殊处理，煤质分析过程相对简单。若需要对某些特定元素进行针对性分析，可在检测前进行预处理以排除其他元素和官能团的影响，使得特定元素的分析结果更加准确。

4.3 存在问题及展望

应用X射线技术可以简化煤质分析流程，缩短煤质分析周期，但X射线煤质分析技术仍然存在一些问题需要解决。以下列举了部分X射线技术应用到煤质分析中需要解决的问题或可改进提高的方向。

4.3.1 问题

使用XRF进行煤质分析需要预先制样，配套制样设备价格昂贵、体积庞大且维护工作量大，而且XRF测量精度和灵敏度不高，单独使用XRF无法检测原子序数小于11的轻元素。而煤的主要元素为碳、氢、氧和氮，其中碳和氢是燃烧时产热的主要元素，这就意味着仅使用XRF技术无法测量煤的发热量。煤中含有的铝和硅等元素被激发出的X射线能量较低，容易受到空气影响，这导致使用XRF测量的煤层厚度不能太厚，以免测量误差过大。

XPS虽然不需要特别制样，耗时少，检测速度快，适用于对煤中碳、氧、氮和硫的分析，但只能检测煤样薄外层的一些元素和官能团，无法了解煤内部的元素组成，具有一定局限性。如果能在此基础上加以改进，与其他先进的煤质分析技术相结合，将煤样的内部化学组成也一并探明，分析效果将得到很大提高。

X射线相对γ射线能量较低，但仍不能忽视其危险性。X射线能够轻而易举地穿透人体，长期暴露于X射线辐射下，会对人体造成巨大伤害。X射线作为一种高能射线，用电子器件即可产生，相比需要使用放射性核素作为源的γ射线煤质分析技术更安全，也没有废弃使用后需要处理放射源的苦恼，但在闻“核”色变的当下仍很难打破人们使用时的心理障碍，这给X射线煤质分析技术的推广造成了一定困难，如何让X射线煤质分析技术的使用更安全，仍是需要研究的一大课题。

4.3.2 展望

从XRF与LIBS结合进行煤质分析的例子不难看出，煤质分析技术的发展是一个相互促进融合的过程。可以预见，把X射线技术与其他煤质分析技术整合起来，让各类先进煤质分析技术与X射线煤质分析技术相互融合，实现技术互补，将是未来煤质分析技术发展的一大趋势。也可以将X射线煤质分析技术与其他学科相融合。对化验员而言，需要用计算机将X射线得到的信息转化为常用的煤质分析数据，因此需要对煤进行建模，所建立的模型合理准确，则仪器测出的相关数据更优质。建立模型需要大量的数据作为基础支撑，如何更加广泛准确地收集煤质分析数据，并合理运用，得出一个准确模型，需要继续研究。利用“互联网+”，或可将X射线煤质分析技术与机器学习、大数据分析等概念结合起来，建立一个煤质分析的云数据库，对使用的模型进行不断完善，得出能够对不同煤种进行针对性分析的模型。

结语

X射线煤质分析技术很大程度上缩短了煤质分析时间，能够满足煤炭企业对于效率方面的需求。X射线煤质分析技术相比使用放射性核素作为源的检测方式更加安全环保，各类X射线煤质分析技术各有其针对方向，单独使用X射线煤质分析技术在目前还无法准确且完全地得到煤的所有性质。X射线煤质分析技术发展过程中仍有许多问题需要解决，但该项技术正在不断完善，正朝着X射线煤质分析技术与各类煤质分析技术融合的趋势发展。未来的X射线煤质分析技术不论是发展还是应用，前景都十分广阔，是煤质分析技术未来发展的方向。