煤质在线分析技术应用现状及研究 - 能动131常鹏飞

煤质在线分析技术研究及应用现状

摘要

在简要介绍煤质分析内容基础上, 阐述了煤质在线分析技术在采制样和在线检测分析等方面的研究和应用现状。介绍了近红外线检测技术应用于煤质在线分析的测量原理, 给出了被测煤样二次微分的光谱图, 并分析了在火电厂应用近红外线检技术的可行性。

关键词: 煤质分析在线监测近红外线光谱

火电厂发电成本中燃煤费用约占 70%, 入厂煤与入炉煤的煤质监督管理工作直接关系到电厂的安全经济运行。全国煤炭市场放开以后, 电厂燃煤中国家统配煤的比例逐渐下降, 小窑煤的比例增加, 煤质多变的现象在全国各电厂普遍存在。

传统的煤质分析均采用人工采样制样, 利用实验室仪器对其进行分析, 这样分析速度慢, 一批煤样的分析周期为 6～8 h, 大多数电厂当天的煤样第二天才能出检测报告, 远远不能满足锅炉燃烧调整和事故分析的需要。由于检测手段的限制, 使得实际需要与检测数据报出时间滞后的矛盾越来越突出, 因此很有必要研究、实现煤质的快速在线检测。本文在对近年来国内外在本领域的研究进展进行概括总结基础上, 对应用近红外线技术实现煤质在线检测的可行性进行了研究探讨。

1.煤质分析的内容

煤质分析包括工业分析和元素分析。工业分析包括水分、灰分、挥发分和固定碳的分析; 元素分析包括碳、氢、氧、氮、硫等元素的分析。根据工业分析指标, 可以基本掌握各种煤的性质和特点, 并确定其在工业上的实用价值。在火电厂中煤的工业分析是指每天对入厂煤和入炉煤必测的常规检测项目。工业分析和元素分析的测量方法都依据国家煤质分析的有关标准。

2.煤质在线分析技术

2.1采制样方面

1.需采制样的煤质在线分析系统

日本关西电力公司研制了一套需要采制样的煤质在线分析系统, 该系统完成了从采样、传送、预处理、煤质分析全过程的全自动煤质在线分析。该系统由 3 个部分组成:

a. 将试样运往分析装置的传送部分;

b. 进行试样分析及其辅助作业的分析装置部分;

c. 监视各分析装置动作情况, 并管理分析结果的总体监控部分。该装置对煤样的元素分析基本上采用燃烧吸收红外线方式, 工业分析采用热天平方式和炉内氛围气体控制方式。一次分析时间为 1 h 左右。

2.不需采制样的煤质在线分析系统

实验室煤质分析均需要采制样, 火电厂入厂煤一般采取的总样质量多达数百公斤, 用逐级破碎缩分的手工方法缩制, 2 名熟练的制样工至少需要2 h才能完成, 就是

采用破碎缩分联合制样的机械也需1 h 左右。对于水分含量高的煤或是阴雨天, 采制样机械的故障率很高, 同时采制样过程由于人为因素等影响, 很难保证样品的代表性, 因此要实现煤质在线分析, 应努力研发不需采制样、不受煤质变化影响的在线灰分、水分、挥发分等的分析仪表。经过多年努力, 美国、德国等国家已经研究成功不用采制样而直接测定煤中灰分、水分的在线检测系统, 并已投入实际应用。

2.2检测分析方面

1.放射性测定煤中灰分[ 1]

在煤的灰分监测仪中, 国内外普遍采用了核技术, 应用核技术检测煤中灰分的方法归纳起来有下列 4 种: 双能γ射线穿透法、 60 keV 的γ射线散射法、电子对法和中子活化分析法。应用较多的是双能Y射线穿透法和中子活化分析法。

煤是由可燃和不可燃部分组成, 其中挥发分和固定碳为可燃部分, 它们均是由原子序数较小的氢、氧、碳原子组成; 灰分是不可燃组分, 它主要是由硅、铝、镁、钙等原子序数较大的原子组成。当低能γ射线穿过煤层时, 可燃组分中的各元素原子序数小, 吸收效应较弱, γ射线衰减系数小; 反之不可燃组分灰分中各元素原子序数较大, 吸收效应较强, γ射线衰减系数也大。穿射煤层后的射线强弱, 直接反映了灰分含量的大小, 利用高低能量的射线建立数学模型,测算出灰分值。

2.微波法测定煤中水分

水分在线测量的方法有红外线—电导法、电容法和微波法, 其中微波法较为常用。其原理是当微波穿过物料时, 使自由水分子旋转, 这一效应降低了微波的强度和速度, 通过强度和速度降低的幅度测算出水分值。

常规的微波测水仪只能在一种频率下测量, 而德国生产的 LB354 型测水仪可在很宽的频带内使用, 因而可抑制由于多次反射而引起的谐振干扰。

当微波方向与煤粉的流动方向呈 90度角时, 在某一特定的频率段煤中混合碳含量与微波的相角变化呈一定的比例关系。根据这种关系, 用计算机对大量煤质数据进行分析, 并建立其数学方程式, 将微波区段的参数代入方程式, 同时引入微波区段的微波吸收相角变化系数, 并利用煤中灰分、水分、混合碳间的数量关系以及含碳量与挥发分间建立的数学回归方程式, 进行多元回归分析。

在外电场的作用下, 水分子的极化程度远大于其它物质 ,表现为水的介电常数远大于其它物质,而物质的介电常数越大 ,对微波能的吸收越多：

式中: Q 为物质单位体积每秒吸收的能量, W/cm3; f为微波频率 , Hz; E 电场强度 , V/m ; ε′为物质介电常数 ,F/m ; tanδ为物质的正切损耗角。

图 1 为水的介电特性与频率的关系。在某频率下,水的介电常数εγ = 75 F/m, 煤介电常数εγ = 5 F/m ,水的正切损耗角 tanδ水为 0 . 15 ～ 1. 2, 煤的正切损耗角 tanδ煤为 0. 001 ～ 0. 05, 水对电磁波的衰减为 31dB/mm( 煤) ,干煤对电磁波的衰减小于 0. 01 dB/mm( 煤) 。因此 ,通过测量微波穿过介质的衰减, 便能够间接测得该物质中的含水量。应用这一技术的典型产品有德国Berthold公司研制的 LB354 测量仪, 这种仪已应用在上海石洞口第一发电厂和陡河电厂。

3.PGNAA[ 2]

中子活化分析技术是基于14MeV 快中子轰击原子核的反应过程。用中子束照射待测物质时, 一个热中子或快中子打到一个原子核上,中子将被核吸收, 使核处于激发状态,并很快放出一个γ光子,使核恢复到稳定的基态。中子与核素的反应有多种方式, 能够产生瞬发γ射线的反应主要为热中子俘获反应和非弹性散射反应。其中, 热中子俘获反应主要发生在热中子区,反应生成的核处于高激发态,激发核素在退激过程中, 可发出多条γ射线,可选择产额较高,不受其它γ射线干扰的谱线作为特征γ射线。非弹性散射反应仅发生于快中子能量范围, 其生成核大多处于第一激发态, 往往发射单一能量的特征γ射线。对于每一种确定的核素,都以一定的几率发出具有某特征能量的γ射线, 使用γ射线监测器测量特征γ射线的能量和强度,不同能量的γ射线对应着各自的元素种类, γ射线的强度对应于元素的含量[ 3]。利用热中子俘获反应分析煤中的氢、氮、硫、铝、硅、铁、钙、钛、钠和钾等10种元素,利用快中子非弹性散射反应分析煤中的碳和氧元素,从而实现煤的全元素分析。应用这一技术的典型产品有美国Gamma Metrics 公司研制的Model3612C 测量仪, 澳大利亚Scantech 公司研制的COALSCAN 9000 测量仪和国内中电科技公司研制的MJA 测量仪, 这些仪器实际应用在潍坊电厂、黄台电厂、洛阳龙羽发电厂。典型产品有美国Gamma Metrics 公司研制的Model 3612C 测量仪, 澳大利亚Scantech 公司研制的COALSCAN 9000 测量仪和国内中电科技公司研制的MJA 测量仪, 这些仪器实际应用在潍坊电厂、黄台电

厂、洛阳龙羽发电厂。

4.利用近红外线测量技术实现煤质在线分析的可行性

4.1近红外线测量技术原理[4]

近红外线是指波长在 780～2 526 nm 范围内的光线。当近红外线照射到要分析的物体上时, 由于组成物体的化学键不同, 会产生某些特征波长的吸收,吸光度的多少与成分含量的大小有密切关系。由于固体对近红外线波长的吸收较弱, 因此适用于漫反射技术。根据其漫反射光谱就可以分析物体成分。利用近红外线技术进行的煤质分析具有以下特点:

a. 可在非破坏( 以原煤为对象) 和非接触的条件下进行分析;

b. 可对空气干燥基水分、挥发分、灰分和发热量等参数同时进行分析;

c. 分析响应迅速;

d. 安全性能好;

e. 抗干扰能力强;

f. 因为煤的漫反射信号很弱, 所以对探测器要求较高。

多年来, 国内许多光谱实验室对近红外光谱仪器的开发应用做了大量的工作, 成功地将近红外线分析技术应用到了医学、农产品分析以及石油化工等领域。煤质的近红外线检测就是从煤质的漫反射光谱上, 得到煤质的特征波长, 通过对煤质特征波长的吸光度分析可以得到煤质分析结果。

4.2近红外线测量技术在火电厂应用的可行性[ 5]

实现电站燃煤锅炉煤质的在线分析是一项紧迫的任务, 综上所述国内外对此问题的研究尚不十分成熟, 作者配合吉林省电力科学研究院的科研项目,对国内外煤质在