淺談煤質(zhì)自動(dòng)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(yùn)行,優(yōu)化入爐煤的燃燒特征,提升煤的工業(yè)實(shí)用價(jià)值。電廠和選煤廠的煤質(zhì)檢測指標(biāo)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(qiáng),具有很強(qiáng)的說服力,但是需要對試樣進(jìn)行破碎、縮分、篩分、干燥、稱重等燃前準(zhǔn)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(dòng)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(jìn)行經(jīng)濟(jì)快速的實(shí)時(shí)分析,實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場配煤、燃燒鍋爐的負(fù)荷和參數(shù)的及時(shí)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(jìn)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(dòng)分析技術(shù)?，F(xiàn)有并得到廣泛認(rèn)可的在線自動(dòng)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(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于煤樣中的固體,因而,當(dāng)微波通過含水物質(zhì)時(shí),由水分引起的微波能量的損耗是最顯著的,遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(qiáng)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(qiáng)度衰減和相位偏移與水分含量的對應(yīng)數(shù)學(xué)表達(dá)式或函數(shù)曲線,并由多次的強(qiáng)度衰減和相位偏移值計(jì)算出煤炭平均水分,將結(jié)果與人工化驗(yàn)值進(jìn)行對比及誤差分析。

1.2實(shí)驗(yàn)影響因素

多次實(shí)驗(yàn)證明,微波的強(qiáng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著煤層厚度的增加,強(qiáng)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(qiáng)度衰減和相位偏移隨之增加。另外,微波的強(qiáng)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(shí)煤樣比疏松煤樣大。這是由于壓實(shí)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(qiáng)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(qiáng)度衰減和相位偏移將增大,中間凹下20mm的煤樣其強(qiáng)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(qiáng)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(bǔ)償和前景

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

煤層厚度、堆密度和形狀的變化是強(qiáng)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(zhǔn)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(jì)數(shù)器,以補(bǔ)償煤層厚度、體積密度和形狀變化帶來的影響,進(jìn)而完善測量的準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)研究儀器經(jīng)費(fèi)過高,一定程度上阻礙了微波技術(shù)的發(fā)展。隨著新時(shí)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(jì)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(biāo)本的組成,對物質(zhì)元素進(jìn)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(biāo)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(yàn)兩種方法分別進(jìn)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(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,50組數(shù)據(jù)的各工業(yè)指標(biāo)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。可以明顯看出,自動(dòng)檢測數(shù)值與人工化驗(yàn)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(zhǔn)確度高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的認(rèn)可,可用于測定煤的灰分、水分、全硫分、發(fā)熱量等指標(biāo)。該項(xiàng)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(zhǔn)確。

但是這項(xiàng)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(huì)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(gè)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(dòng)取樣和gLBI在線檢測分析等模塊組成,系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)化的方案,該方案實(shí)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(shí)分析的優(yōu)點(diǎn)。gLBI可以對現(xiàn)場采集的煤樣進(jìn)行測試,及時(shí)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(biāo),其優(yōu)勢主要在于對樣品的檢測工作時(shí)間相比傳統(tǒng)人工化驗(yàn)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(jìn)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(biāo),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(jìn)行優(yōu)化,使在線測試結(jié)果逐漸趨于準(zhǔn)確。gLBI技術(shù)對硫分和氮氧化物的化驗(yàn)可用于指導(dǎo)燃煤的脫硫、脫硝任務(wù),能夠解決排放超標(biāo)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(shí)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(qiáng)吸收特性,實(shí)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(diǎn),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(biāo)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(shí)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(yàn)?zāi)Ｐ?擬合出回歸方程,使人工化驗(yàn)所得數(shù)值與方程計(jì)算出的預(yù)測值相關(guān)安全系數(shù)達(dá)到0.97,完全符合國標(biāo)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(huì)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(yán)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(jìn)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(xiǎn)化學(xué)藥品,安全性方面有待進(jìn)一步提升,并且實(shí)驗(yàn)中還存在較多人為因素干擾,難以保證檢測的準(zhǔn)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(zhǔn)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(jì)算值與人工化驗(yàn)值之間的相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到0.92,標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行煤質(zhì)分析的國標(biāo)只有一個(gè)關(guān)于煤中總硫分含量測定的標(biāo)準(zhǔn),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(biāo)準(zhǔn),電廠和選煤廠也暫時(shí)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(biāo)準(zhǔn)和政策的逐漸落實(shí),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(dòng)力。

5結(jié)論

當(dāng)前,傳統(tǒng)的煤質(zhì)人工化驗(yàn)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(yàn)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(rèn)可的煤質(zhì)在線自動(dòng)分析技術(shù)進(jìn)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(huì)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(zhǔn)確度高、適應(yīng)性強(qiáng),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(biāo),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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。