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我国煤质管理及其先进技术发展研究

郑剑平1,孙翠芝1,程子曌1,许红娜1,仝 莉2

(1.中国煤炭加工利用协会,北京市朝阳区,100013;2.中国煤炭工业协会咨询中心,北京市朝阳区,100013)

摘 要 加强煤质管理、提升商品煤质量是我国煤炭行业质量提升的重要内容。从煤质管理体系建设、煤质信息管理系统建设、先进的在线监测技术及采制化技术应用等方面,系统地介绍了煤质管理的发展现状及取得的成果;分析了煤质管理现存的主要问题;从加强煤质管理体系建设、继续完善煤质管理制度、进一步开发煤质管理信息系统、加大高精度国产化煤质在线检测技术及其设备研发力度、推广应用智能化采制样技术实现采制化系统智能化等方面,阐述了煤质管理领域的创新发展方向。

关键词 煤质管理;信息系统;在线检测;采制样;智能化

煤炭是我国重要的一次能源,经初步核算,2021年我国全年能源消费总量52.4亿t标准煤,比2020年增长5.2%。煤炭消费量增长4.6%,原油消费量增长4.1%,天然气消费量增长12.5%,电力消费量增长10.3%。煤炭消费量占能源消费总量的56.0%,比2020年下降0.9个百分点;天然气、水电、核电、风电、太阳能发电等清洁能源消费量占能源消费总量的25.5%,比2020上升1.2个百分点[1-2]。煤炭在实现“双碳”目标过程及能源安全方面发挥着兜底保障的作用,立足能源结构以煤为主的基本国情、大力推动煤炭清洁高效利用[3-5]、提升商品煤质量成为解决我国能源问题的重要路径。

近年来,煤炭企业认真贯彻落实习近平总书记关于保障能源安全的重要指示精神,进一步加强煤质管理体系建设,不断推进煤质管理信息系统建设,大力推广先进的煤质在线检测技术及设备,智能化采制样技术也进入生产实际应用阶段,既保障了商品煤质量的提升,又促进了煤炭清洁高效利用[6]

1 我国煤质管理及先进技术应用

1.1 煤炭企业煤质管理体系建设

1.1.1 煤质管理体系

目前,我国大型煤炭企业已建立了较为完善的煤质管理体系,形成了集团公司-矿业公司-各矿(厂)的三级煤质管理机构,成立了公司煤质管理领导小组、煤炭经销中心、煤质科等煤质管理部门[7]。集团公司层面主要以宏观管理为主,大部分企业以集团营销公司为主体,建立集团公司煤质管理体系,主要负责对煤炭产品的质量进行改进、协调解决质量管理过程中出现的问题、对煤质管理工作进行指导和监督、审核确定年度煤质指标计划;矿业公司层面是公司的煤质管理部门,主要负责集团公司煤炭产品的日常管理工作和有关奖罚考核,结合市场和矿(厂)的生产实际,确定产品品种、质量等级,编制产品质量计划;各矿(厂)层面的煤质科是煤质管理工作的主体,负责井下原煤、出矿商品煤的采、制、化及选煤过程的煤样化验工作,对本矿的煤质全面负责。

选煤厂主要负责选煤生产过程中煤样的采取及化验,用于指导选煤生产。

1.1.2 煤质管理制度

目前,我国煤质管理制度已经较为完善。行业层面主要有《商品煤质量管理暂行办法》 《煤矿安全生产标准化管理体系考核定级办法(试行)》 《煤矿安全生产标准化管理体系基本要求及评分方法(试行)》等制度规范;各集团层面主要有《集团煤质管理办法》《商品煤生产质量考核办法》等煤质管理制度;矿业公司和各矿(厂)层面主要有《公司煤质管理实施细则》 《煤质管理及考核办法》 《商品煤质量、计量纠纷处理办法》 《掘进工作面灰分/水分管理规范》 《煤炭产品质量内部市场化管理考核办法》 《月度煤质专题分析会》等具体煤质管理办法。

企业煤质管理制度的建立,进一步细化和完善了原煤、选煤产品、商品煤、外采统销煤的相关考核指标和规定,加大了商品煤和外采统销煤质量的管理考核力度,对煤炭生产和储装运销发挥了良好的监督约束和激励作用,有效保证了煤质检测和煤质管理工作的正常开展。

1.1.3 煤质管理流程

煤炭企业从长期实践中总结出来的“事前预测有措施、事中控制有手段、事后处置有方法”的煤质管控流程,即采煤工作面回采前先按照国标对煤层采样进行化验,根据化验数据、工作面地质水文情况编制预测报告,并按照市场和用户需求制定出有针对性的煤质管控措施;在选煤生产过程中,对灰分进行快速检测,根据检测结果和用户要求,实时调整生产工艺参数;在商品煤销售过程中,及时检验并出具化验报告,当出现不合格批次产品时,能够及时与销售部门沟通,采取调整流向、降档销售、港口配煤等事后处置措施,确保用户获得满意的产品。

1.2 煤质管理信息系统建设

1.2.1 建设概况

煤质管理信息系统是指以煤矿、集团公司中心化验室日常业务为基础,利用先进的网络和数据库技术,通过局域网或互联网进行日常煤质化验数据传输的系统,该系统将实验室各项业务划分为若干个模块,综合处理整合实验室业务[8-9]

目前,国内大多数矿(厂)煤质管理机构都划归到企业自身的煤炭运销公司管理。因此煤质管理信息系统主要依托煤炭企业开发的煤炭运销管理系统,并结合各自特点进行有针对性地开发应用,实现煤炭质量日常检测数据录入、上传、结算和查询等功能;该系统也可以与集团公司煤炭营销系统进行有效对接,便于商品煤、原煤信息调度和商品煤销售统一管理。系统设计研发单位主体一般为各大型煤炭企业信息控制管理中心(分公司),结合企业煤质管理的实际需求进行自主开发。

1.2.2 主要功能模块

煤质管理信息系统主要包含大数据监控子系统和业务管理子系统两大部分,系统设计方案的原则都是基于实验室CNAS认可准则的要求,通过数据采集,利用现代化的信息技术对原始数据进行加工处理,运用数学计算模型和工具进行科学地统计分析,为企业煤质管理和决策提供支持。

(1)大数据监控子系统主要通过抽取业务层数据(原煤、商品煤煤质信息),对其进行深入挖掘分析,通过监控大屏,以图文形式将各业务环节及煤炭生产全过程管理中的关键指标数据的分析板块进行展示,包含监控首页、煤层监控、原煤监控、选煤生产监控、商品煤监控、检装监控、市场监控等模块,实现对煤炭品种、数量、质量、生产工艺不同维度的数据汇总统计、异常预警、趋势分析、决策分析等功能。

(2)业务管理子系统主要覆盖煤炭地质勘探、煤层、原煤、选煤、商品煤管理(商品煤的装车数据和化验数据可从检测站管理系统上传)等各环节,实现业务流程线上编制、审核、审批、上报等功能,达到煤质管理全过程信息化。通过关键岗位视频监控方式,不仅可以实时监测煤场装卸车点、化验室等重点操作位置的情况,对煤质进行监督管理,还可以实时分析煤炭产品的结构变化,为领导经营决策提供数据支持。

1.2.3 应用效果

一是实现了煤层煤样、生产煤样、商品煤样的“采、制、化、装车”数据的自动采集,数据采集去人工化,避免人为录入数据和随意修改结果,减少人员填写记录和计算的时间,使得化验数据上报更加快速、准确,实现与检测设备数据库的对接;二是实现了各类煤质报表查询、煤质数据分析,能够生成折线图与柱状图直观地展示煤质的变化趋势,可以对商品煤港口数据与矿区数据进行比较,并能够实时地将煤质分析、煤质指标、煤质考核等电子资料上传下载;三是实现了对产品数量质量的动态监控与管理,及时了解生产数据,快速掌握煤质动态,指导实际生产组织工作;四是实现了对煤质管理部门的检测业务、安全管理、行政管理等各项业务的实时管理,为煤质数据的有效性提供依据,保证所有与煤质相关的数据在系统中可查、可依。

1.3 煤质在线检测技术的应用发展

近年来,煤质在线检测装置已开发利用主动探测和被动探测γ射线技术,发展了有源和无源技术。在线检测系统主要有在线灰分仪、在线水分仪,通过灰分和水分数据计算出煤的发热量,从而构建完整的煤炭灰分、水分和发热量在线测量系统。其中重点在于灰分在线测量技术的研究,主要分为双能量γ射线透射技术、X射线在线灰分仪、天然射线灰分仪、中子活化分析技术、激光诱导击穿光谱分析技术。目前各类技术都有成功的应用案例[10-11]。如丹东东方测控技术公司采用双能量γ射线透射技术,开发出了γ射线在线灰分仪[12-13];开封市测控技术公司开发出天然γ射线无源灰分仪[14-15];清华大学基于激光诱导击穿光谱技术,提出了主导因素模型,并应用于煤中的碳(C)、氢(H)、氮(N)、硫(S)等主要元素的检测,效果优于常规的检测方法[16-17]

煤质在线检测技术可实时获取煤质分析指标,显著提升了煤质检测效率。随着煤质在线及旁线检测技术的成熟,选煤厂也开始对生产过程进行实时监控。

1.4 煤炭采制样技术机械化、智能化、标准化技术的发展

1.4.1 机械化采制样技术的发展

随着煤炭行业不断加强技术创新和装备创新力度,并着力研究开发机械化采制样技术和装备,2000年后,煤炭机械化采样机开始对电力、钢铁行业的入厂煤和入炉煤进行检测,并且在煤矿、港口也得到迅速推广及应用,如在煤矿坑口处设置机械化采样和在线、旁线检测设备,对生产过程中的煤炭进行实时管理。2009年,又陆续研发了电脑控制联动制样系统,对简单功能实现监督报警,提高了煤炭实时制样的效率。2013年开始研发无人值守煤样自动制样系统,推广燃料智能化管理系统。2017年,在煤炭传统制样与生产线自动制样系统的基础上,结合先进的机器人技术与自动化技术,将智能机器人应用于煤炭制样领域研发生产机器人智能制样系统[18]。目前,机械化采制样已应用于输煤带式输送机、火车车皮、汽车、煤堆等场所,与人工采样相比,机械化采制样不受人为因素影响,大大提高了采样效率,并保证了采制样的精度和煤样代表性[19]

1.4.2 智能化采制样技术的发展

随着科技的发展,煤炭质量检测技术智能化已成为必然。如何将新型智能机器人技术、自动化技术与商品煤的采制样相结合,成为煤炭检验实现智能化、信息化、标准化转型升级的关键。

目前,我国已初步开发研制了智能化采样技术与装备,智能化机械臂采样系统全过程无胶带一体化的设计,有效地解决了采样环节中样品堵塞、残留及偏倚精密度差等问题,提高了系统的智能化水平,采制样效率更高,并可连续作业,系统设置有各类安全预警,安全稳定性更好。

智能机器人制样系统[20-21]以先进的机器人技术、智能控制技术和信息化技术作为执行载体,可以完成煤样的识别感知、制备、转运、称量、封装、写码、存储等流程,输出满足国家标准要求的多批次各级样品,能够实现自感知、自判断、自适应、自执行。通过两级破碎、三级缩分,最终可制备出1份6 mm全水样、1份3 mm存查样、1份0.2 mm分析样、1份0.2 mm存查样的样品,该系统具有性能可靠、代表性好,功能可靠、稳定性好,制样高效、快捷性好,模块设计、维护性好等特点,可有效与智能采样系统相结合,实现采制过程的智能化。

1.4.3 采制样标准化建设情况

目前我国煤炭采制样方法标准主要有人工采制样标准《商品煤样人工采取方法》(GB 475-2008)、《煤样的制备方法》(GB 474-2008);机械化采制样标准有《煤炭机械化采样 第1部分:采样方法》(GB/T 19494.1-2004)、《煤炭机械化采样 第2部分:煤样的制备》(GB/T 19494.2-2004)、《煤炭机械化采样 第3部分:精密度测定和偏倚试验》(GB/T 19494.3-2004)等。

煤炭采制样方面的标准制定历史较早,其中GB 475和GB 474于1964年制定,经过1975年、1983年、1996年和2008年的4次修订后,成为当前标准文本GB 475-2008。该标准详细规定了煤炭人工采样的术语和定义,主要包括采样的一般原则和采样精密度、采样方案的建立、各采样程序的确定、采样方法、人工采样工具、煤样的包装和标识、采样报告以及采样精密度核验和偏倚试验等。GB 474-2008详细还规定了煤样制备的术语和定义,主要包括试验的构成、破碎、混合、缩分和空气干燥,各种煤样的制备及存查样等要求。

为适应煤炭生产、加工利用和贸易发展的需要,我国于2004年制定了《煤炭机械化采样》(GB/T 19494-2004)系列标准,代替了GB 474和GB 475中关于煤炭机械采样和制样部分,更好地对应了ISO标准。该系列标准对煤炭机械化采制样做了详细说明和规范,规定了煤炭机械化采样的术语和定义(包括采样的一般原则和精密度、采样方案的建立、移动煤流采样方法、静止煤采样方法、煤样的包装和标识以及采样报告等)、煤炭机械化采样精密度测定和偏倚试验的术语和定义(包括采样、制样和化验精密度测定方法以及偏倚试验等)。

目前已发布实施的5项国家标准对我国煤炭采制环节做出了明确的规定,煤质检验检测人员都要严格按照国标的要求执行,当前主流的智能化采制样系统均可满足相关国标的规定。

2 煤炭行业煤质管理现状及其存在的问题

2.1 重视程度不够,相关责任主体不明确

通过加强煤质管理促进了煤炭行业的健康发展,但行业整体对煤质管理的重视程度还不够[22]。部分煤炭企业在生产过程中,由于追求短期的经济效益而忽视了煤炭绿色清洁高效利用,导致商品煤质量指标偏低,致使劣质煤炭产品进入市场流通,降低了煤炭资源利用率,增大了运输成本,限制了煤炭资源的高质利用。另外,尽管相关规章制度都已经制定,但在实际生产过程中并未按章执行,使得煤炭产品出现质量问题时,存在各方责任不明确、相互推诿等问题,导致煤炭企业的市场信用度下降,不利于煤炭产品的品牌建设。

2.2 信息化水平发展不平衡,思想认识不到位

尽管我国煤质管理制度已经较为完善,然而煤质信息管理系统技术还处于初步开发应用阶段,行业的煤质管理信息化水平发展不平衡,煤炭企业间信息化管理水平也参差不齐。部分煤炭企业的煤质管理信息系统已经可以实现煤质的综合分析,并能很好地服务于日常煤质管理;但还有些煤炭企业信息化水平较低,只是进行简单的数据填报,相关的检测数据也没法追溯。另外,还有部分煤质管理技术人员思想认识还不到位,阻碍了信息化工作的有效开展。还有些煤质管理信息化系统软硬件系统不太匹配,兼容性不好,易出现系统卡顿、宕机现象,导致数据失真和丢失。

2.3 煤质在线检测设备高精度产品开发不足

煤灰分检测技术在实际应用过程中,一般测量精度都在0.3%~0.5%以内,但对于炼焦煤来说,每级精煤灰分相差0.5%,因此亟需灰分在线检测设备的测量精度达到±0.25%,甚至需要达到±0.2%;在线测灰仪对于煤质适应性不好的情况下,当煤质发生较大变化时,测试结果往往误差较大,导致无法准确检测煤炭质量,难以精准指导生产。

2.4 采制样系统推广应用程度不够

我国采制化设备的机械化、智能化建设虽已取得了较大突破,但仍存在着推广应用程度不够的问题。采样方面,大部分煤炭企业已采用自动化、机械化方式来代替人工方式,但系统可靠性、采样代表性仍有待进一步提高;在制样和化验环节,基本以人工方式为主,整体机械化、智能化水平较低。机械化采样设备在实际生产应用过程中,还存在故障率较高的现象,尤其运行时间过长后,设备老化更易发生故障。同时,智能化采制化系统在行业推广应用程度不够,相关实用案例较少,煤样的代表性、检测结果准确性仍需生产实际数据来验证,相关技术尚需研究。

3 煤质管理创新发展方向

3.1 加强煤质管理体系建设,继续完善煤质管理制度

在煤质管理体系建设方面,要进一步加强煤质管理体系建设,落实企业质量管理主体责任。完善煤质管理制度建设,包括监管机制、考核机制、激励机制等,建立以质计价的内部市场收购机制,形成煤炭产品生产、运输、销售环节的良性循环。从矿井生产准备、采区接替、煤炭开采到选煤生产,严格各项工序的质量管理,使每个生产环节都处于可控状态。进一步提高煤炭入选率,实现产品结构多元化,增强产品市场竞争力。

3.2 进一步开发和完善煤质管理信息系统,实时监控煤质信息

在煤质信息化管理方面,要进一步开发和完善煤质管理信息系统,提高煤质管理的决策指挥能力。运用现代计算机网络技术、数据库技术,根据企业的具体管理体系,构建集团煤质管理信息系统,实现煤质管理信息业务操作流程、数据统计、煤质数据查询和预测的自动化处理,实现集团公司对煤质信息的全面掌握与实时监控,保证及时快速获取各种煤质数据,以便为公司整体决策提供科学依据。

3.3 加大高精度国产化煤质在线检测技术及其设备的研发力度

在煤炭质量在线监测方面,要进一步推广应用在线监测技术与装备,提高生产过程中的煤质监测与管理水平。研究单位要加大高精度国产化的煤质在线检测设备的研发力度,灰分在线检测设备的测量精度尽量能够达到±0.25%以内,以满足不同用户对产品质量的监测要求。

3.4 推广应用智能化采制样技术

在机械化智能化采制样方面,要进一步推广应用机械化采样、智能化采样装备与技术,提高采样精度和采样代表性,降低采样过程中的劳动强度。科研单位和设备厂家要进一步加强智能化采制化技术与装备的研发力度,通过智能化采样系统、智能机器人制样系统、智能化煤样封装转运系统、全自动煤质测试分析系统等智能化装备的无缝对接,实现煤炭的“采、制、转、存、化”一体化布局,实现采制化系统智能化,不断提高煤质管理水平。

4 结语

梳理了我国煤质管理及其技术发展现状,系统分析了煤质管理体系、信息化系统、在线检测、智能化采制样等方面存在的问题。在煤质管理及煤质技术未来发展方面,认为需加强煤质管理体系建设、完善煤质管理信息系统、加大高精度国产煤质在线检测设备研发力度、大力推广应用智能化采制化系统,以实现煤质管理的高效化、智能化。源头提升商品煤质量是在开采过程中进行有效的煤炭识别,为煤炭行业的高质量发展做出贡献。

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Study on the development of coal quality management and its advanced technology in China

ZHENG Jianping1, SUN Cuizhi1, CHENG Zizhao1, XU Hongna1, TONG Li2

(1. China Coal Processing & Utilization Association, Chaoyang, Beijing 100013, China;2. Consulting Center of China National Coal Association, Chaoyang, Beijing 100013, China)

Abstract Strengthening the coal quality management and improving the quality of commercial coal are the important contents of quality improvement of China's coal industry. From the aspects of coal quality management system construction, coal quality information management system construction, advanced on-line monitoring technology and the application of sampling and preparation technology, this paper systematically introduces the development status and achievements of coal quality management, analyzes the main existing problems of coal quality management, expounds the innovation development direction in the field of coal quality management from the aspects including strengthening the construction of coal quality management system, continuing to improve coal quality management system, further developing coal quality management information system, increasing the research and development of high-precision domestic coal quality on-line detection technology and equipment, popularizing and applying intelligent sampling and preparation technology to realize the intellectualization of sampling and preparation system.

Key words coal quality management; information system; on-line monitoring; sampling and preparation; intellectualization

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引用格式:郑剑平,孙翠芝,程子曌,等. 我国煤质管理及其先进技术发展研究[J].中国煤炭,2022,48(6):56-61.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2022.06.009

ZHENG Jianping, SUN Cuizhi, CHENG Zizhao,et al. Study on the development of coal quality management and its advanced technology in China[J]. China Coal, 2022,48(6):56-61.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2022.06.009

作者简介:郑剑平(1991-),男,安徽桐城人,硕士,工程师,主要从事洁净煤技术、煤质管理等研究工作。E-mail:ccpuazjp@126.com

中图分类号 TD-91

文献标志码 A

(责任编辑 王雅琴)