王 越，白向飛，張宇宏，王 巖

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

傳統(tǒng)煤巖組分采用人眼識別和手工測試相結合的測試方法，存在測試效率低、煤巖組分識別的主觀性強、測試過程不可追溯、操作人員易疲勞、測試人員的鑒定水平提高慢、測試結果難以走向實際應用等問題[1,2]。

煤巖工作者追求的目標主要包括減少煤巖組分識別的主觀性、實現(xiàn)煤巖組分快速并準確測定、降低操作者的勞動強度等，故全自動煤巖系統(tǒng)應運而生[3-6]。以光度計為基礎的自動測試僅能獲取鏡質體反射率參數(shù)，因而也僅能利用反射率進行組分識別，忽略了樣品的均勻程度、各向異性、光照條件及焦距等對測試所造成的較大影響[3,4]。此外，該方法對測試過程中隨機誤差(光源、成像質量的瞬時波動)缺乏實時響應，不能及時發(fā)現(xiàn)隨機誤差并將之排除，因而反射率測試的精度較低；不同顯微組分的反射率存在重疊現(xiàn)象，僅依靠反射率單一參數(shù)不能實現(xiàn)煤巖組分自動識別的目標[7-11]。

圖像處理技術不僅能獲取煤巖顯微組分的反射率信息，還能得到測點位置、組分形態(tài)學或幾何學參數(shù)，具有測試效率高、測試結果準確度高、全自動化、結果可追溯等顯著優(yōu)勢，是今后煤巖自動測試技術的發(fā)展方向[12]?，F(xiàn)以煤炭科學技術研究院有限公司(以下簡稱煤科院)開發(fā)的BRICC-M型全自動煤巖分析系統(tǒng)為例加以說明，該系統(tǒng)基于數(shù)字圖像處理技術(DIP技術)，測試圖像可存儲、測試結果可追溯，屬于真正的圖像分析法。

1 BRICC-M型煤巖自動測試系統(tǒng)簡介

1.1 測試系統(tǒng)功能

BRICC-M型煤巖自動測試系統(tǒng)具有以下6個功能:① 圖像自動掃描采集:采集過程實時跟蹤自動調(diào)焦；② 鏡質體反射率自動測試:測試結果與人工測試結果可比性強，且過程可追溯；③ 混煤判別:多種判別模式供用戶選擇，判別結果準確度高；④ 煤巖顯微組分和焦炭光學組織定量統(tǒng)計，且過程可追溯；⑤ 同一套系統(tǒng)可同時服務于檢測、配煤、運銷、管理等多個環(huán)節(jié)和部門，使煤巖測試結果真正走向生產(chǎn)應用；⑥ 配煤鏡質體反射率模擬與工藝參數(shù)預測。

1.2 測試系統(tǒng)技術特點

BRICC-M型煤巖自動測試系統(tǒng)具有以下技術特點:

(1)測值準確:對各種可能影響自動測試精度的因素(如掃描速度、樣品平整度、測點位置、顯微組分結合關系等)采取應對的技術措施，保證測值準確。

(2)測試過程可追溯:測試結果和混煤判別結果可直接加載到圖像上，用戶可調(diào)出圖像來分析測試結果準確性及影響因素，尤其可調(diào)出爭議煤種專門進行審核、交流。

(3)測點分布和圖像質量符合測試要求:XYZ三軸電動平臺精密度高，復位精度高，測點布置均勻，采用實時跟蹤自動調(diào)焦技術結合過濾虛焦技術，確保采集的圖像質量滿足測試要求。

(4)測試流程靈活合理:既可將圖像采集與處理過程集成，也可在圖像采集后進行離線(脫離顯微鏡)圖像處理，在計算機上完成煤巖測試過程，提高了測試效率和精度。

(5)硬件質量:自動掃描平臺與圖像采集設備運行穩(wěn)定，確保穩(wěn)定工作時間與傳統(tǒng)光度計相當。

(6)結果應用:用戶可通過共用1個顯微鏡和圖像系統(tǒng)，在不同部門分別進行各自需要的工作，如結果審核、配煤指導、混煤爭議解決等，提高煤巖分析結果的應用性能。

1.3 與其他測試系統(tǒng)對比

BRICC-M型煤巖自動測試系統(tǒng)的自動化程度和應用便利性將得到極大提高，能夠在保證測試精度的前提下實現(xiàn)快速測試，并用于合理指導配煤，與其他測試系統(tǒng)的對比見表1。

2 系統(tǒng)在煤焦異常判斷中的應用

BRICC-M型煤巖自動測試系統(tǒng)嚴格遵循煤巖學的測試原理，不僅能夠快速、準確定量，且測試過程可追溯、測試結果可審核，對實驗結果的準確判定和應用提供強大的技術支撐。近年來，BRICC-M型煤巖自動測試系統(tǒng)的客戶在生產(chǎn)實踐中遇到較多的異常樣品，均可通過圖像系統(tǒng)得到圓滿的解決。現(xiàn)選取典型的案例進行說明，所選案例均為企業(yè)的真實案例。

2.1 焦炭異常判別

某企業(yè)在焦爐的不同部位均發(fā)現(xiàn)塊焦中出現(xiàn)不同粒度的“黑炭”(如圖1所示)，焦炭的機械強度略有下降，但焦炭熱反應性增高，反應后強度降低，反應后殘焦中“黑炭”減少。

在耐馳STA 499 F3熱重分析儀上分別對正常塊焦和“黑炭”進行反應特性研究，從室溫以20 ℃/min的升溫速率升高到1 000 ℃，熱重曲線反應特性參數(shù)見表2。

在BRICC-M型煤巖自動分析系統(tǒng)中，對“黑炭”進行分析，如圖2所示。

在10倍干物鏡下對“黑炭”的氣孔率進行測試，如圖3所示及詳見表3。由圖3可知，“黑炭”的氣孔率與大多數(shù)焦炭處于同一水平，但“黑炭”在鏡下光學組織為各向同性；除了獨立分布的各向同性組分，還可見較多細粒狀、被各向異性組織包裹的各向同性組織。因而除了肉眼可見的、單獨分布的“黑炭”以外，還有很多以細粒狀分布于焦炭中的“黑炭”，此種組分及其顯微組織對焦炭反應性能的影響更多為負面。該批入爐煤的細度為80%，基本滿足要求，但其中存在部分大顆粒；大顆粒的“黑炭”應該主要來自粗顆粒，而非熔融黏結形成。

表1 煤巖測試系統(tǒng)對比
Table 1 Comparison of coal petrography testing systems

項目BRICC-M型其他系統(tǒng)樣品移動自動物臺自動移動人工移動調(diào)焦技術自動調(diào)焦、自動采集人工準焦反射率測試無需人工干預,自動識別鏡質體并測試其反射率,自動形成反射率測試報告人工選點、手動出結果過程監(jiān)控圖像保存,隨時監(jiān)控很難實現(xiàn)結果審核隨時調(diào)取圖像,對“爭議”數(shù)據(jù)和煤種進行審核靠重復測試實現(xiàn)混煤剝離與判別高斯擬合、后臺數(shù)據(jù)庫輔助判別直方圖切割配煤擬合專用模塊計算人工計算工作曲線建立實時工作曲線固定工作曲線或者選定工作曲線測試速度圖像自動掃描(20～30)min,圖像處理(2～3)min、合計(25～35)min/樣品顯微組分(40～60)min,混煤反射率(60～90)min,合計(100～150)min測試點數(shù)(3～10)萬點250點或500點指導配煤提供各煤種及其顯微組成原始圖像、計算各煤種含量并與顯微圖像鏈接審核、自動計算相關配煤技術參數(shù)僅提供測試數(shù)據(jù)及初步的煤種判別擴展功能焦炭顯微組成及氣孔率自動測試較少

表2 正常塊焦和“黑炭”的反應特性參數(shù)
Table 2 Characteristic parameters of lump coke and “black carbon”

項目工業(yè)分析/%MadAdVdafFCd反應特性參數(shù)初始反應溫度/℃最大反應速率/%最大反應溫度/℃反應終止溫度/℃塊焦0.0612.131.1286.8963810.54710790“黑炭”0.6114.782.0183.515909.82640766

圖2 “黑炭”的光學組織特征Fig.2 Optical texture of “black carbon”

圖3 “黑炭”的氣孔率測試界面Fig.3 The porosity determination of “black carbon”

表3 焦炭氣孔結構參數(shù)統(tǒng)計結果
Table 3 The results of pore structure parameters of coke

氣孔結構參數(shù)數(shù)值平均氣孔直徑/μm41.72平均氣孔壁厚/μm69.46氣孔率/%37.52

表4 入爐煤的煤質特征
Table 4 The qualities of the coal used

項目工業(yè)分析Mad/%Ad/%Vdaf/%CRCRoran/%入爐煤1.2510.0324.5761.216 mm～13 mm1.4311.2326.9960.97

圖4 入爐煤的粒度組成Fig.4 Size composition of the coal used

在BRICC-M型煤巖自動測試系統(tǒng)中，定位并篩選相應的煤種，如圖6所示。由圖6可知，該低階煉焦煤的顯微組成特殊，含較多的樹脂體(殼質組的組分之一)；變質程度低，鏡質組和殼質組含量高，韌性強，可磨性低，導致該煤種不易破碎，易在大顆粒中富集，在總體細度基本合格的情況下，比其他入爐煤的粒徑大。干餾過程不發(fā)生熔融，與其他煤粒的結合界面過于分明，導致大粒徑“黑炭”多見，“黑炭”的反應性明顯高于周邊正常焦炭。粒徑大以及本身反應活性高，導致焦炭強度和反應性較差。

2.2 混入焦炭(半焦)的情況

某焦化企業(yè)入廠煤的指標檢測見表5，采用40 kg焦爐進行成焦實驗后的焦炭質量指標見表6。由表5可知， 該煤的灰分、全硫及揮發(fā)分產(chǎn)率均處于較合適的區(qū)間， 黏結指數(shù)、膠質層指數(shù)和奧亞膨脹度較優(yōu)良，是1種優(yōu)質的焦煤煤種。但在40 kg焦爐中成焦特性極差， M40極低、M10極高,無法進行焦炭熱反應性(CRI)和反應后強度(CSR)測試。

圖5 入爐煤及(6～13)mm粒級的鏡質體反射率對比Fig.5 The vitrinite reflectance of the coal used and samples of (6～13)mm

圖6 BRICC-M型煤巖自動測試系統(tǒng)篩選產(chǎn)生“黑炭”的煤種Fig.6 The coal type of “black carbon” selected by BRICC-M coal automated determination system

表5 某焦化企業(yè)入廠煤的質量指標Table 5 The qualities of coal used by a coking company

表6 焦煤樣品的成焦質量特征
Table 6 The qualities of coking coal

灰分(Ad)/%揮發(fā)分(Vdaf)/%全硫(St,d)/%M40/%M10/%CRI/%CSR/%11.561.281.232059.2未成焦未成焦

表7 焦煤樣品的鏡質體反射率特征
Table 7 The vitrinite reflectance of coking coal

Roran/%標準差變異系數(shù)最小值/%最大值/%總測點數(shù)1.2280.0950.0780.951.58120 068

圖7 焦煤樣品的鏡質體反射率分布圖Fig.7 The distribution of vitrinite reflectance of the coking coal used

焦煤樣品中混入大量高反射率的焦炭(半焦)顆粒，則易導致焦炭機械強度和熱強度降低。煤巖自動測試系統(tǒng)篩選時典型異常圖像如圖8所示。

圖8 煤巖自動測試系統(tǒng)篩選時典型異常圖像Fig.8 The typical abnormal pictures by coal automated determination system

2.3 化產(chǎn)油氣收率高

某搗固煉焦企業(yè)新購入一批氣煤樣品，使用之后焦爐煤氣及焦油產(chǎn)率分別增加3%和2%。采用BRICC-M型煤巖自動測試系統(tǒng)對該典型氣煤進行煤巖分析，結果如圖9所示及詳見表8,篩選后的典型圖像如圖10所示。

圖9 典型氣煤樣品的鏡質體反射率分布圖Fig.9 The distribution of vitrinite reflectance of the gas coal used

表8 某焦化企業(yè)氣煤樣品的鏡質體反射率特征Table 8 The vitrinite reflectance of gas coal used by a coking company

圖10 篩選后的典型圖像Fig.10 The selected typical pictures

3 結論與建議

化驗結果是焦化廠技術管理人員的“眼睛”，所以化驗結果的準確性對于煤質管理及煉焦配煤方案制定至關重要。鏡質體反射率在入廠煤監(jiān)測和配煤中具有不可替代的作用，從取樣、制樣、化驗、結果表述、指標理解等不同層面規(guī)范操作流程，確?；灲Y果準確性，并能夠用于指導生產(chǎn)。

根據(jù)當前各種配煤技術的發(fā)展趨勢以及相關指標的應用潛力，新型煉焦配煤技術體系的構建應滿足焦炭品質預測準確性高、煤源變動適應性強、成本-安全-環(huán)保因素協(xié)同考慮及實用性強等特點。從煤的成因因素出發(fā)，基于煤巖與吉式流動度的新型配煤體系是未來的發(fā)展趨勢:該體系以常規(guī)煤巖學指標對原料煤的組成和變質程度進行科學表征，以吉式流動度指標對煉焦煤熱解過程膠質體的質量進行全面解析，同時關聯(lián)成煤時代、產(chǎn)地等因素對煤沉積環(huán)境進行論述，結合黏結指數(shù)、膠質層指數(shù)等其他常規(guī)煉焦工藝指標和煉焦精煤灰成分等因素，實現(xiàn)焦炭性能與原料煤特性的科學、深入聯(lián)結，形成可追根溯源以表征原料煤性質、準確預測焦炭質量、解釋特殊煉焦煤成因并提出應對措施的煤巖配煤綜合體系。