用微波法测量煤炭中水分

用微波法测量煤炭中水分含量

内容摘要: 微波技术可用于测量各种材料的水分。本文利用波长为3cm的微波测量了煤炭含水量。测量微波通过已知含水量的煤粉后的衰减量，标定了煤粉中含水量与微波衰减量的关系曲线；并以此为标准测量了阳泉煤矿提供的煤的含水量。实验结果表明：只需要测量微波功率衰减量，便可实现对煤炭含水量的测量。

关键词: 煤炭粉末微波衰减法水分含量

Use microwave method for measuring the coal water content

Abstract:Microwave technology can be used for measuring various material of moisture. This article use the microwave wavelength for 3cm measured: microwave through after the moisture content of coal known quantity, calibration the attenuation of coal moisture content and microwave attenuation amount of relation curves; According to the standard measurement of yangquan coal mine coal moisture content, provide experimental results show that: only need to measure the microwave power, can achieve attenuation quantity of coal moisture measurement

Keyword: Coal powder Microwave attenuation method Moisture content

1 引言

1.1课题研究背景和意义

随着中国煤炭工业可持续发展政策措施试点在山西的启动，标志着山西将会成为中国实施“煤炭新政”的“样板”，做好山西试点，将对中国煤炭工业改革起着非同寻常的作用。山西是中国的煤炭大省，有着丰富的矿产资源，但是因煤炭所带来的地质灾害、生态环境、水资源污染等一系列不利因素也很多。如何破解这样的难题，学校科研机构应投入自己的力量。①煤质分析中，煤的水分作为不同基础煤质分析结果换算的基础数据;②煤中水分可作为煤质加工利用时加氢液化、加氢气化的供养体;③煤中水分对其加工利用、贸易和储运都有很大影响,煤中水分高会影响燃烧稳定性和热传导。炼焦中水分高会降低焦炭产率,而且由于水分大量蒸发带走热量而延长焦化周期。煤炭贸易中,煤的水分是一个重要的计质计量指标;④煤炭中水分对煤的氧化、蓄热和散热过程都有一定的影响,是研究煤自燃、煤矿火灾防治的重要因素。基于以上原因，我们通过对煤炭水分的研究，得出微波和煤炭中水分的关系，来更好的利用煤炭资源有着非常重要的作用和意义[1]。

1.2课题研究现状

随着科学技术的不断发展，水分测量技术的理论和实践取得了进展，研制出了少量的间断式和连续式水分计，应用于实验室和工业部门[2]。近年来，随着经济的发展，对水分计的需求增多，世界各国研制开发了各种水分计。我国近年来也已有60多个单位从事这方面的研究开发工作，研制了各类水分计，并朝着智能化方向发展，有的产品已接近和达到国外先进产品水平。微波水分计在五十年代初问世，工作原理是针对微波能量的吸收或微波空腔谐振频率随水分变化而制成。它被应用于造纸、纺织、水材、石油、粮食等行业的在线测量[3]。日本已有数家企业研制了微波吸收式，谐振式等方式的微波水分计，分别用于各行各业我国也已有几家研制，主要用来测油中水、浆纱回潮率和织物含水率等。其一般精度为1～2%，表6示出了日本和我国代表产品的主要性能与特点。

表一：微波水分计的性能和特点

厂家产品型号与名称主要性能与特点

(株)地峰电机制作社（日）UAM-100数字式微波谐振在线水

分子计

测量范围：0-40%（随样品），精度±0.1%，响应时间0.5

秒，可测粉粒体和纸张等，可构成数控系统数显-记录

流体工业（株）（日）微波吸收式水分子计精度0.2%，带微机，10秒内数显水分值，密度（25种数据），

操作简便可测液体粉粒体，乳制品等

上海无线电26厂（中）微波石油含水率测量传感器

（基于微波反射理论）

整个传感器安装在一个改装的截止阀上，能方便的接入输

管道进行在线测量，系统误差约2%

成都电讯学院附属工厂（中）2SC-1型微波纸张水分连续测定

仪

测纸定量范围：17-220g/m2，测含水率范围：2-12%，响应

时间<1秒，灵敏度120N/1%,分辨率：0.2%含水率，绝对误

差<0.5%（含水率）

郑州卷烟厂（中）微波烟丝水分连续测定仪测量范围:0-20%,误差±0.5%，动态仪表值示，输入6-10mv

信号

长江大学电子信息学院孙士平和华南理工大学电信学院毛宗源。文中介绍了微波法测量建筑砂石含水量测量系统。该系统由于引入了正交锁定放大器和本底噪声扣除的测量方法，使测量系统避开了因器件的不稳定性、电路的静态漂移、环境干扰噪声和器件噪声等对测量精度和稳定性带来的

影响，实验表明测量精度和稳定性优于传统测量系统[4]。

朱建堂，陈向东的激光、红外、微波NDT新技术的应用与发展对激光、红外、微波NDT新技球的方法、设备、国内外的应用范畴及其发展动态进行了综述，为新材料、新结构、新工艺的质量控制提供了一系列可供选用的无损检测方法，供国内同行们互相交流，促进NDT新技术的进展。国外，约在六十年代中期开始了微波检测技术研究。微波也是一种电磁波，波长在1M～ lmm之间。微波能穿透非金属材料且具有中等程度的衰减，故本法非常适用于非金属材料的无损检测。微波NDT的基本原理是综合研究微波与物质的相互作用[5]。一方面傲波在不连续界面处会产生反射、散射、透射．另一方面微波还能与被检材料产生互作用(产生取向极化、原子极化、电子极化、空回电荷极化等)，此时微波场(振幅、频率、位相)会受到材料中的两个电磁参数(介电常数E和介电损耗角正切tanδ)和一个材料几何参数(材料形状、尺寸)的影响。

材料的电磁参数是材料组分、结构、均匀性、取向、含水量等因数的函数。因此根据微波场的变化可以推断出被检材料内部的质量状况。微波NDT的方法一般有穿透法、反射法、散射法、干涉法和层析法。据报导，美国在六十年代就采用微波进行非电量测量。八十年代采用mm 波段对A3导弹大型固体火箭发动机、“大力神”Ⅲ型烧蚀喷管和飞机轮胎进行了微波检测。79年用镘波检测了高温绝热陶瓷，当频率为100GHz时．可检测到陶瓷内部的气孔，其分辨率为0．5mm．含铁夹杂0．1mm。此外．采用本法可检查复合材料中的脱粘、裂纹；橡胶、陶瓷、推进剂内部缺陷；金褐表面裂纹及非金属材料的厚度、湿度、固化度等；Stmnfore 大学和Rockwell公司用散射模型检测钛合金徽裂纹。美国ASNT于85年曾用调频雷达检测砖砼结构的隧道[6]。国内，七十年代初，首先从国防工业应用开始研究。其主要表征如下：(1)航天部的一些研究所、上海玻璃钢研究所、上海材料研究所、国防科技大学、苏州热工所等单位研制成功了3cm，8mm，3ram微波检测专用设备。(2)开展了微波穿透法、散射法、干涉法和层析法等方法方面的应用研究。(3)采用微波NDT方法检测了塑料与复合材料层压板中的分层和脱粘，火箭固体药柱与包覆层间的脱粘，玻璃钢中的脱粘，复合烧蚀喷管中的脱粘，环氧树脂的固化度，雷达罩的厚度和电性能。(4)通过介电常数检测，测量了非金属材料的厚度，材料性能及成份(密度、湿度含量、纤维含量、弹性模量等)。材料的混炼均匀度、固化度并监控热固性树脂固化过程的工艺质量(脂化、硫化和氧化等)。综上所述．激光、红外、微波NDT在航空、航天也积累了一定的经验，上述三种NDT方法已列入93年出版的《航空工艺检测手册)中。

李基好的利用微波测量中药丸料湿度实验研究：介绍利用波长为3cm 的微波技术对中药丸料湿度的测量，主要有微带式微波固态信号源，微带式测湿传感器，选频放大器，微波透射衰减量与中药丸料湿度的线性关系等。实验结果表明，由于中药丸料密度一致性非常好，因此，只需单一测量微波功率衰减量，便可实现对药料的湿度测量，对于中药生产业具有一定的实际应用意义[7]。

山东大学的高深对电磁波通过煤的试样时产生的衰减和相移与湿度的关系，减小试样密度变化引起的误差的方法和微渡湿度测量模型进行了讨论。黄铭等人详细地介绍了微波技术测定物料水分的原理、技术特点、产品特性及其使用方法。并对该技术在氩氧化铝生产中的应用作了展望。王宏亮提出了将微波测湿技术引进物理实验教学的设想．在分析该设想可行性基础上设计了实验方案。左春英和丁言镁论述了微波测湿原理以及当前微波技术在物质含水量测量中的应用研究现状。希望微波在测湿领域中的应用得到关注[8]。

陆荣林等人简要介绍了微波无损检测原理和应用，利用其中的反射诠释了复合材料的跌陷进行拴刹，证实M Rockwitz等人提出的针对金属介质的微波无损检测理论，同样适用于复合材料，井得出了微波在复合材料中的衰减与跌陷孔径的关系。曾发江等人介绍了红外吸收法是目前常用的一种水分测量方法，但其固有的缺点使其测量精度和范围都受到了影响．微波测量是一种新的水分测量方法：水分子具有很强的极化特性和很大的介电常数，其介电常数值与电磁波频率的变化存在着规律性的关系，通过测量在一频率段内水的较高介电常数所引起的微波传播速度、波长等的变化参数，可间接但是准确地测出物质中水分的含量．该方法构思巧妙，操作简单，测量精度高，应用范围广，