淺談煤質(zhì)自動分析技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展

引言

煤質(zhì)分析的主要內(nèi)容是元素分析和工業(yè)分析。合理利用煤的工業(yè)分析和元素分析,可以掌握煤的物化性質(zhì)以及有用元素的含量,由此指導(dǎo)鍋爐的運行,優(yōu)化入爐煤的燃燒特征,提升煤的工業(yè)實用價值。電廠和選煤廠的煤質(zhì)檢測指標主要是水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳、發(fā)熱量、硫含量等工業(yè)分析數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的化學(xué)檢測方法檢測結(jié)果精度高,代表性強,具有很強的說服力,但是需要對試樣進行破碎、縮分、篩分、干燥、稱重等燃前準備,一方面存在人為因素所帶來的偶然誤差,另一方面還存在著一些工序復(fù)雜、結(jié)果滯后的影響。而在線數(shù)據(jù)自動分析技術(shù)能夠克服這些人為主觀性因素帶來的難題,還能對煤質(zhì)進行經(jīng)濟快速的實時分析,實現(xiàn)對現(xiàn)場配煤、燃燒鍋爐的負荷和參數(shù)的及時調(diào)整和優(yōu)化。近年來,國家提出加快煤炭工業(yè)改革,促進煤炭工業(yè)智能化發(fā)展,迫切需要開發(fā)和應(yīng)用煤質(zhì)自動分析技術(shù)?，F(xiàn)有并得到廣泛認可的在線自動分析技術(shù)主要有微波水分檢測技術(shù)、中子活化分析技術(shù)、激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)和近紅外光譜分析技術(shù),本文將對這幾種技術(shù)進行簡要分析。

1微波水分檢測技術(shù)

1.1微波水分儀的原理

微波是一種由電磁振蕩產(chǎn)生的高頻電磁波,試樣的介電常數(shù)決定了微波對試樣的吸收和反射特性。試樣中所含有的水分在微波頻率段的介電常數(shù)遠遠高于煤樣中的固體,因而,當(dāng)微波通過含水物質(zhì)時,由水分引起的微波能量的損耗是最顯著的,遠遠高于由煤樣中的固體引起的微波能量損耗。由電磁理論可知,微波穿透煤層后的強度衰減和相位偏移與煤炭中含水量存在確定的數(shù)學(xué)關(guān)系,由此可以建立合適的數(shù)學(xué)模型,利用編程技術(shù)擬合出強度衰減和相位偏移與水分含量的對應(yīng)數(shù)學(xué)表達式或函數(shù)曲線,并由多次的強度衰減和相位偏移值計算出煤炭平均水分,將結(jié)果與人工化驗值進行對比及誤差分析。

1.2實驗影響因素

多次實驗證明,微波的強度衰減和相位偏移的主要影響因素有煤層厚度、堆密度和表面形狀等。實驗結(jié)果表明,隨著煤層厚度的增加,強度衰減和相位偏移相應(yīng)增大。原因是微波透射行程中所檢測的煤量增加,因此強度衰減和相位偏移隨之增加。另外,微波的強度衰減和相位偏移的大小與煤的松散度有關(guān),一般而言,壓實煤樣比疏松煤樣大。這是由于壓實煤樣的堆密度較大,微波透射行程內(nèi)煤的含水量占比較高,因而可以引起工作強度逐漸衰減和相位偏移增大。與規(guī)則平整煤樣相比,中間凸出20mm的煤樣其強度衰減和相位偏移將增大,中間凹下20mm的煤樣其強度衰減和相位偏移將減小。分析其原因后可知,煤層表面形狀由平整變?yōu)橹虚g凸出20mm后,微波傳輸行程中的煤量和含水量增多,因而強度衰減和相位偏移將增大,中間凹下20mm則恰好相反。

1.3微波水分儀的不足、補償和前景

微波水分儀取樣標定的時間長,投入的工作需求量大,并且企業(yè)前期的投入成本費用相對較高。每次測量只能重新計算和重新校準,有很大的局限性。

煤層厚度、堆密度和形狀的變化是強度衰減和相位偏移產(chǎn)生變化的主要原因,從而導(dǎo)致水分測量不夠準確,影響最終結(jié)果。因此,可以在微波水分儀中安裝功聲波傳感器和閃爍計數(shù)器,以補償煤層厚度、體積密度和形狀變化帶來的影響,進而完善測量的準確度。

微波技術(shù)在煤水分檢測中的應(yīng)用已顯示出很大的優(yōu)勢,但由于以往實驗研究儀器經(jīng)費過高,一定程度上阻礙了微波技術(shù)的發(fā)展。隨著新時期對微波技術(shù)的探索,微波技術(shù)的優(yōu)勢地位日益突出,微波檢測技術(shù)的智能化表現(xiàn)在朝高精度、高分辨率和高速度的方向不斷發(fā)展,具有非常廣闊的經(jīng)濟前景。

2中子活化分析技術(shù)

2.1中子活化分析原理

儀器中子活化分析稱為"中子激活分析",利用中子輻照樣品引起劇烈的核反應(yīng),使樣品激活和輻射能量,用y射線光譜儀確定其光譜,根據(jù)光譜峰值確定標本的組成,對物質(zhì)元素進行定性和定量分析。

2.2中子分析儀的應(yīng)用

中子活化分析技術(shù)已在國內(nèi)發(fā)電廠、選煤廠得到應(yīng)用,以DF-5703(B）中子活化旁線煤質(zhì)分析儀為例,探索中子活化分析儀的測量指標精度。利用汽車取樣器對幾十輛卡車的煤抽取試樣,用中子分析儀和人工化驗兩種方法分別進行試樣的灰分、水分、硫含量和發(fā)熱量的結(jié)果測量。將兩種化驗結(jié)果進行對比,50組數(shù)據(jù)的各工業(yè)指標誤差如下:含硫量、水分、灰分、熱值的測量誤差分別為0.05%、0.32%、0.45%、284.21k/1J?？梢悦黠@看出,自動檢測數(shù)值與人工化驗數(shù)值之間存在著一些很小的誤差,體現(xiàn)出中子活化分析儀的測量精度較高。

2.3中子分析儀的優(yōu)越性和不足

中子活化旁線煤質(zhì)分析儀以其穩(wěn)定性好、測量準確度高、適應(yīng)性強等優(yōu)點得到了廣泛的認可,可用于測定煤的灰分、水分、全硫分、發(fā)熱量等指標。該項技術(shù)沒有取樣、制樣等人為影響因素的干擾,分析研究結(jié)果可以更加客觀準確。

但是這項技術(shù)具有放射性,其應(yīng)用受到輻射帶來的安全問題的限制,樣品需要測量不同半衰期的核素,而且大多數(shù)元素的分析周期較長,希望未來的中子活化分析技術(shù)能夠盡快突破輻射安全問題。

3激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)

3.1激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)原理

激光誘導(dǎo)擊穿光譜(gLBI）技術(shù)原理是利用脈沖激光聚焦試樣表面形成等離子體,分析等離子體發(fā)射的光譜,確定樣品的物質(zhì)成分及含量。超短脈沖激光聚焦后能量密度較高,可以將任何物態(tài)(固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)）的樣品激發(fā)形成等離子體,幾乎所有的元素被激發(fā)形成等離子體后都會發(fā)出特征譜線,因此gLBI可以分析大多數(shù)的元素以及評估每個構(gòu)成元素的相對豐度。

3.2激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的應(yīng)用

2015年,章丘電廠安裝了gLBI在線煤質(zhì)檢測系統(tǒng),其由連續(xù)制樣、自動取樣和gLBI在線檢測分析等模塊組成,系統(tǒng)運行穩(wěn)定。gLBI為煤質(zhì)在線檢測和分析提供了一種新的、高度自動化的方案,該方案實現(xiàn)了對煤的干灰、揮發(fā)分、固定碳、熱值、硫含量和氫含量的在線檢測。gLBI利用光譜分析物質(zhì)元素成分,具有分析快、制樣簡單、無污染、多元素同時分析的優(yōu)點。gLBI可以對現(xiàn)場采集的煤樣進行測試,及時測定煤的水分、灰分、硫分、揮發(fā)分、發(fā)熱量、粘結(jié)指數(shù)和凝膠層厚度等主要煤質(zhì)指標,其優(yōu)勢主要在于對樣品的檢測工作時間相比傳統(tǒng)人工化驗方法大大縮短。gLBI在我國煤質(zhì)檢測中的應(yīng)用已取得一定成果,多位學(xué)者已進行相關(guān)的探索和研究。gLBI在煤質(zhì)檢測中的應(yīng)用是利用初步測試結(jié)果和優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型預(yù)測煤質(zhì)分析指標,然后根據(jù)預(yù)測結(jié)果與人工分析結(jié)果之間的誤差對數(shù)學(xué)模型進行優(yōu)化,使在線測試結(jié)果逐漸趨于準確。gLBI技術(shù)對硫分和氮氧化物的化驗可用于指導(dǎo)燃煤的脫硫、脫硝任務(wù),能夠解決排放超標的主要問題,降低環(huán)保管理成本。

目前該技術(shù)精確度偏差較大,難以滿足企業(yè)實際的檢測系統(tǒng)需求,但其無放射性及化學(xué)污染,安全性高,未來的應(yīng)用前景非常廣闊。

4近紅外光譜分析技術(shù)

4.1近紅外光譜技術(shù)簡介

近紅外光譜(NLRI）是利用NLRI的強吸收特性,實現(xiàn)對物質(zhì)理化特性的定量檢測和定性分析。由于其具有在線檢測速度快、不消耗化學(xué)試劑、檢測精度高等優(yōu)點,NLRI目前已應(yīng)用于煤質(zhì)檢測和分析,為煤炭行業(yè)的智能化發(fā)展提供了有效保障[6]。

4.2近紅外光譜技術(shù)用于水分、全硫和發(fā)熱量的檢測

煤中含水量是煤質(zhì)檢測的重要指標之一,人工檢測的方法主要包括空氣干燥法、通氮干燥法等,這些測試方法普遍具有檢測工作時間長、重復(fù)性差等缺陷,不能適應(yīng)未來煤炭行業(yè)的智能化發(fā)展需求。

利用近紅外光譜技術(shù)可以建立水分的測驗?zāi)Ｐ?擬合出回歸方程,使人工化驗所得數(shù)值與方程計算出的預(yù)測值相關(guān)安全系數(shù)達到0.97,完全符合國標對重復(fù)性的限制(0.5）。因此,相較于常規(guī)測量方法,使用近紅外光譜技術(shù)測量煤中含水量更加方便、快捷。

硫、氮元素含量高,煤在燃燒中會釋放出二氧化硫、三氧化硫、氮氧化物等大氣污染物,因此,對于煤中硫的檢測是電廠和選煤廠最重要的工作之一,不僅要檢測,還要想方設(shè)法降低含硫量,以減少其對生態(tài)環(huán)境和建筑物的嚴重危害。對于全硫的檢測,傳統(tǒng)上常采用高溫燃燒過程中和法和艾氏卡法檢測煤質(zhì)中的含硫成分,但前者需消耗較多化學(xué)藥劑,易造成影響較大的環(huán)境污染問題,后者需要進行煤質(zhì)硫分分析,需經(jīng)過稱量、過濾、水洗、灼燒等煩瑣操作,檢測過程中還需用到濃鹽酸、氯化鋇等危險化學(xué)藥品,安全性方面有待進一步提升,并且實驗中還存在較多人為因素干擾,難以保證檢測的準確性。

隨著近紅外光譜技術(shù)的出現(xiàn)及其在煤質(zhì)檢測和分析中的應(yīng)用,人們發(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)的測硫技術(shù),近紅外光譜法測硫具有良好的選擇性、重復(fù)性和檢測結(jié)果的準確性,因此該技術(shù)未來必將得到迅速發(fā)展。

傳統(tǒng)的發(fā)熱量測量方法有氧彈法和化學(xué)分析法。而將近紅外光譜分析技術(shù)應(yīng)用到煤質(zhì)分析上,可以建立煤中發(fā)熱量的測定數(shù)據(jù)模型,采用多元線性回歸方法研究得出回歸方程。該方法計算值與人工化驗值之間的相關(guān)系數(shù)可以達到0.92,標準值與預(yù)測值高度相關(guān)。

4.3近紅外光譜分析技術(shù)的不足

目前,近紅外光譜分析技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到煤質(zhì)的分析和檢測中,但我國利用近紅外光譜進行煤質(zhì)分析的國標只有一個關(guān)于煤中總硫分含量測定的標準,對用近紅外光譜檢測和分析煤質(zhì)尚未形成相關(guān)的煤炭行業(yè)標準,電廠和選煤廠也暫時沒有普及應(yīng)用相應(yīng)的在線檢測設(shè)備。相信未來隨著國家相關(guān)技術(shù)標準和政策的逐漸落實,近紅外光譜分析技術(shù)將為中國煤炭行業(yè)的智能化發(fā)展提供新的動力。

5結(jié)論

當(dāng)前,傳統(tǒng)的煤質(zhì)人工化驗分析方法已越來越難以滿足現(xiàn)代煤炭生產(chǎn)、技術(shù)改造和管理的要求,煤質(zhì)檢驗正在朝著高精度、高分辨率、高智能化的方向快速發(fā)展。因此,本文對于現(xiàn)有并得到廣泛認可的煤質(zhì)在線自動分析技術(shù)進行了簡要的探討和總結(jié),并得出以下結(jié)論:

(1）微波水分檢測技術(shù)在煤質(zhì)水分檢測中的應(yīng)用已經(jīng)顯示出巨大的優(yōu)越性,但煤層厚度、煤堆密度和形狀的變化對水分測量會造成較大的誤差。

(2）中子活化分析技術(shù)穩(wěn)定性好、測量準確度高、適應(yīng)性強,不受取樣、制樣等人為影響因素干擾,但其應(yīng)用受到輻射帶來的安全問題的限制。

(3）激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)在煤質(zhì)檢測中的應(yīng)用主要是利用初步檢測結(jié)果和優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型預(yù)測煤質(zhì)分析指標,如水分、灰分、揮發(fā)分、硫分、發(fā)熱量、粘結(jié)指數(shù)和凝膠層厚度等。

(4）近紅外光譜分析技術(shù)在我國國家標準中僅有煤中全硫含量測定的相關(guān)規(guī)定,尚沒有其他關(guān)于近紅外光譜煤質(zhì)檢測的行業(yè)標準。