水煤漿激光粒度儀的研制和應(yīng)用

激光粒度儀作為一種新型的粒度測試儀器，已經(jīng)在其它粉體加工與應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。它的特點(diǎn)是測試速度快、重復(fù)性好、準(zhǔn)確性好、操作簡便。對提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低能源消耗有著重要的意義。

一、激光粒度儀的原理

激光粒度儀是根據(jù)顆粒能使激光產(chǎn)生散射這一物理現(xiàn)象測試粒度分布的。由于激光具有很好的單色性和極強(qiáng)的方向性，所以在沒有阻礙的無限空間中激光將會(huì)照射到無窮遠(yuǎn)的地方，并且在傳播過程中很少有發(fā)散的現(xiàn)象。如圖1所示。

圖1激光束在無阻礙狀態(tài)下的傳播示意圖

米氏散射理論表明，當(dāng)光束遇到顆粒阻擋時(shí)，一部分光將發(fā)生散射現(xiàn)象，散射光的傳播方向?qū)⑴c主光束的傳播方向形成一個(gè)夾角θ，θ角的大小與顆粒的大小有關(guān)，顆粒越大，產(chǎn)生的散射光的θ角就越小;顆粒越小，產(chǎn)生的散射光的θ角就越大。即小角度(θ)的散射光是有大顆粒引起的;大角度(θ1)的散射光是由小顆粒引起的，如圖2所示。進(jìn)一步研究表明，散射光的強(qiáng)度代表該粒徑顆粒的數(shù)量。這樣，測量不同角度上的散射光的強(qiáng)度，就可以得到樣品的粒度分布了。

圖2不同粒徑的顆粒產(chǎn)生不同角度的散射光

為了測量不同角度上的散射光的光強(qiáng)，需要運(yùn)用光學(xué)手段對散射光進(jìn)行處理。我們在光束中的適當(dāng)?shù)奈恢蒙戏胖靡粋€(gè)富氏透鏡，在該富氏透鏡的后焦平面上放置一組多元光電探測器，不同角度的散射光通過富氏透鏡照射到多元光電探測器上時(shí)，光信號將被轉(zhuǎn)換成電信號并傳輸?shù)诫娔X中，通過專用軟件對這些信號進(jìn)行處理，就會(huì)準(zhǔn)確地得到粒度分布了，如圖3所示。

圖3激光粒度儀原理示意圖

二、水煤漿及其粒度分布特點(diǎn)

水煤漿作為一種具有流動(dòng)性的潔凈代油燃料，具有濃度高、粒度細(xì)、流動(dòng)性好，燃燒效率高、環(huán)保節(jié)能、存儲(chǔ)安全等優(yōu)點(diǎn)。已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)鍋爐、電站鍋爐和工業(yè)爐窯。除電站、鋼廠、煉化等企業(yè)的大型燃燒設(shè)備外，愈來愈多的中小型鍋爐(20噸以下)也開始燃用水煤漿?？紤]到我國的能源結(jié)構(gòu)和現(xiàn)實(shí)國情，政府正大力鼓勵(lì)水煤漿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國家計(jì)委《中國潔凈煤技術(shù)"九五"計(jì)劃和2010年發(fā)展綱要》、國家經(jīng)貿(mào)委《節(jié)約和替代燃料油"十五"規(guī)劃》和國家環(huán)境保護(hù)總局《國家環(huán)境保護(hù)"十五"計(jì)劃》中均將水煤漿技術(shù)的應(yīng)用和推廣列為重點(diǎn)，在產(chǎn)業(yè)政策方面予以傾斜。因此水煤漿的產(chǎn)銷前景非常廣闊。

就水煤漿的粒度測試而言，有以下三個(gè)方面的特殊問題必須解決：

1、濃度大。在水煤漿中，煤所占的比例為65%-70%，水的比例為35%-30%，另外還有少量的添加劑。

由于煤所占的比例較大，又是粘稠狀態(tài)，而激光粒度儀又要求在低濃度(小于0.5%)狀態(tài)下進(jìn)行粒度測試，因此要求激光粒度儀的循環(huán)系統(tǒng)具有較大的容積和方便的進(jìn)水和排放功能，才能保證將測試樣品的濃度控制在合理的范圍內(nèi)，使測試得以順利進(jìn)行。

2、粒度分布寬。目前水煤漿的平均粒度一般在50um左右，最小粒徑1um，最大粒徑達(dá)到600um。也就是說，水煤漿的粒度范圍在1-600um。在這樣一個(gè)很寬粒度范圍內(nèi)，要得到準(zhǔn)確的粒度分布結(jié)果，第一要求激光粒度儀的量程要大于水煤漿的粒度范圍;第二光電探測器要具有很高的靈敏度和穩(wěn)定 性。只有這樣才能保證粒度測試的重復(fù)性和準(zhǔn)確性。

3、顆粒對光的吸收特性強(qiáng)。水煤漿的顆粒是黑色的，顆粒形狀也很復(fù)雜，對激光具有很強(qiáng)的吸收特性，而作為有效信號的散射光則相對較弱，因此需要配備大功率、高亮度的激光器，以增加有效信號，提高信噪比。

4、需要精密自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)和長壽命的激光器。激光粒度儀是一種精密的光學(xué)儀器。由于水煤漿在生產(chǎn)和使用過程中是連續(xù)進(jìn)行的，粒度測試作為質(zhì)量控制手段也需要隨生產(chǎn)過程一道連續(xù)進(jìn)行，因此必須提高儀器的自動(dòng)化程度，提高儀器的使用率，減少人工維護(hù)和調(diào)整時(shí)間，降低儀器的故障率。

三、水煤漿激光粒度儀的研制

根據(jù)水煤漿粒度測試的特殊情況，結(jié)合多年的激光粒度儀器的制造經(jīng)驗(yàn)，國家水煤漿工程技術(shù)中心與丹東百特儀器有限公司合作，經(jīng)過一年多的刻苦攻關(guān)和成百上千次的實(shí)驗(yàn)，終于在2002年下半年研制成功國內(nèi)第一臺(tái)水煤漿專用的激光粒度儀。該儀器的研制成功，結(jié)束了水煤漿粒度測試完全依賴進(jìn)口的歷史。從此國內(nèi)水煤漿用戶可以用上性能優(yōu)良，價(jià)格低廉、服務(wù)及時(shí)、零配件供應(yīng)充足的激光粒度儀，其綜合性能指標(biāo)達(dá)到了國外同類儀器的先進(jìn)水平。

1、大容量的、大流量的循環(huán)分散系統(tǒng)。循環(huán)分散系統(tǒng)是激光粒度儀系統(tǒng)中的一個(gè)重要的裝置，它包括蠕動(dòng)循環(huán)泵、超聲波分散器、攪拌器、測試窗組件、水池與排放裝置等。蠕動(dòng)循環(huán)泵是一種通過對彈性極好的硅橡膠管的交替快速擠壓、恢復(fù)來使樣品流動(dòng)的。由于循環(huán)過程中外力不直接與顆粒接觸，所以不會(huì)對顆粒造成任何影 響。它的流量達(dá)到2000ml/分鐘，最大的水煤漿顆粒也不會(huì)沉淀在管路中。超聲波分散器直接固定在容積為800ml的水池底部，配以功率50W、頻率40KHZ的驅(qū)動(dòng)電路,僅三分鐘就會(huì)使水煤漿顆粒處于良好的分散狀態(tài)。

由直流電機(jī)和特制的葉片組成的攪拌器，將使水池中的樣品時(shí)時(shí)刻刻處于均勻懸浮狀態(tài)，保證輸送到儀器中的樣品均勻一致。測試窗是由石英玻璃制成，具有良好的光學(xué)特性，耐磨擦耐腐蝕，拆卸和安裝極為方便。排放裝置是由特殊設(shè)計(jì)的控制閥和相應(yīng)的管路組成，操作方便、安全可靠、絕不漏水。

2、拓寬儀器的測試范圍。常見的激光粒度儀的測試范圍一般在300um以下，隨著粉體超細(xì)化趨勢的增長，激光粒度儀的測試范圍也在向超細(xì)方向發(fā)展。而水煤漿激光粒度儀在測試范圍上的主要矛盾則恰恰相反，就是要保證對粗端顆粒進(jìn)行有效測量，測試上限必須大于700um。通過反復(fù)試驗(yàn)和計(jì)算，我們設(shè)計(jì)了大口徑長焦距的富氏透鏡和回折式光學(xué)系統(tǒng)，使測試范圍達(dá)到0.68-951um，在此范圍內(nèi)的散射信號都能夠被有效接收，這樣的粒度范圍完全滿足水煤漿的粒度測試需要。

3、大功率的激光器與高靈敏度的光電探測器陣列。由于水煤漿顆粒對光的吸收特性強(qiáng)，散射信號弱，要使散射信號達(dá)到一定的強(qiáng)度并有效接收，必須提高入射光的強(qiáng)度，提高光電探測器的靈敏度。為此我們選用了大功率半導(dǎo)體激光器，該激光器的功率是一般激光粒度儀所用激光器的5倍。

同時(shí)研制成功了具有76個(gè)光電探測器的高靈敏度的光電探測器陣列。該器件采用大規(guī)模集成電路的制造工藝，在同一個(gè)硅片上通過多次光刻而成，這樣不僅保證了光電探測器的靈敏度，而且在線性范圍內(nèi)每個(gè)光電探測器的線性度完全一致。不僅如此，由于采用多達(dá)76個(gè)光電接收器陣列，是儀器的分辨率大大提高。

4、精密三維自動(dòng)對焦系統(tǒng)和長壽命的激光器。激光粒度儀是一種精密的光學(xué)儀器。光電探測器的中心點(diǎn)直徑只有150um。光電探測器就分布在該中心點(diǎn)外不同半徑的同心圓上。因此對焦系統(tǒng)稍有偏移，極強(qiáng)的匯聚光束就將照射在靠近圓心的光電探測器上，光電探測器將處于飽和狀態(tài)，無法接收有效的散射信號。在此狀態(tài)下進(jìn)行測試，將產(chǎn)生錯(cuò)誤的測試結(jié)果。為此我們研制了精密三維自動(dòng)對焦系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制軟件等組成。步進(jìn)電機(jī)的控制精度小于10um，可以在電腦控制下隨時(shí)矯正焦點(diǎn)的偏差，使系統(tǒng)始終處于最佳狀態(tài)。

激光器是激光粒度儀的關(guān)鍵部件。該器件的質(zhì)量、性能、壽命對整個(gè)系統(tǒng)有著至關(guān)重要的影響。本系統(tǒng)所采用的激光器為半導(dǎo)體激光器，它的壽命是一般氦-氖激光器的4倍，并且不需要預(yù)熱，功耗低，可連續(xù)長時(shí)間工作，因此大大降低了儀器的故障率。

5、軟件系統(tǒng)。激光粒度儀的關(guān)鍵在于如何將散射信號還原成粒度信息。這個(gè)還原過程就是軟件的運(yùn)行過程。本儀器的軟件全程采用米氏散射理論，充分考慮顆粒的吸收特性，儀器背景、樣品濃度等因素，得到的分析數(shù)據(jù)具有很好的真實(shí)性。此外，通過該軟件可以實(shí)時(shí)監(jiān)測測量過程，可直觀察測量過程中樣品濃度、粒度、分散狀態(tài)的變化情況。還具有結(jié)果存儲(chǔ)、查詢、比較、合并、編輯、刪除、幫助等功能功能。打印報(bào)告單具有中、英文六種不同的格式，內(nèi)容包括區(qū)間粒度分布數(shù)據(jù)與直方圖、累計(jì)粒度分布數(shù)據(jù)與曲線、典型粒徑值(如D3、D10、D25、D50、D75、D84、D90、D97、D98)等等。報(bào)告單的格式、版面、顏色、字體可以根據(jù)需要任意編輯。系統(tǒng)采用串行信號通訊方式，儀器可以與任何型號的與IBM兼容的電腦相連。

四、BT-2002型水煤漿專用激光粒度儀的性能指標(biāo)

1、基本指標(biāo)與性能

(1) 測定范圍：0.68-951微米。

(2) 重復(fù)性誤差：<= &plusmn;4%(測標(biāo)樣時(shí)D50值的均方差)。

(3) 測定時(shí)間：3分鐘/次。

(4) 樣品濃度(遮光率)：30%-60%。

(5) 電壓AC220伏，電流5安培，功耗1000瓦，體積1000×330×330毫米，重量60千克。

2、測試對象

(1) 各種水煤漿、各種煤粉;

(2) 各種粒度較粗的其它粉體產(chǎn)品，如各種火藥、各種催化劑、各種化工原料與產(chǎn)品以及非金屬礦產(chǎn)品等。

3、基本特點(diǎn):

(1) 采用進(jìn)口大功率半導(dǎo)體激光器，單色性好，壽命長。由特殊設(shè)計(jì)的大口徑長焦距富氏透鏡等組成的精密光學(xué)準(zhǔn)值系統(tǒng)，配合多達(dá)76通道多元光電接收器陣列，使測量范圍達(dá)到0.68-951微米完全適合水煤漿的粒度檢測與控制。

(2) 采用精密三維自動(dòng)對焦系統(tǒng)與控制軟件，單步調(diào)節(jié)精度僅10微米。實(shí)現(xiàn)在電腦控制下自動(dòng)完成多元光電探測器陣列中心與光束焦點(diǎn)的精確定位，使系統(tǒng)始終處于最佳狀態(tài)，進(jìn)一步提高了儀器的測量精度與準(zhǔn)確性。

(3) 采用大容量大流量蠕動(dòng)循環(huán)分散系統(tǒng)，集樣品稀釋、超聲波分散、電動(dòng)攪拌、蠕動(dòng)循環(huán)、排放清洗等功能于一體;由不銹鋼與硅橡膠管組成的循環(huán)管路，耐腐蝕，免維護(hù);獨(dú)特設(shè)計(jì)的蠕動(dòng)泵使樣品僅在密閉的管路里循環(huán)流動(dòng)，不與外部任何物體接觸，決不污染、破壞樣品。

(4) 儀器采用先進(jìn)的成型工藝，結(jié)構(gòu)緊湊合理，外形美觀大方，使用維護(hù)方便;采用最新的抗干擾技術(shù)，使儀器的電氣穩(wěn)定性更好，故障率更低。

五、水煤漿激光粒度儀的應(yīng)用

1、水煤漿漿料的縮分方法：用100-500毫升的燒杯，從生產(chǎn)線上取適量的樣品。如果漿料太粘稠加適量的水稀釋一下，然后用玻璃棒或小勺充分?jǐn)嚢杈鶆颍瑥闹胁咳〕龃蠹s1克到循環(huán)泵的試樣池中，準(zhǔn)備測試。

2、水煤漿干樣的縮分方法：

(1) 勺取法：用小勺多點(diǎn)(至少四點(diǎn))取樣。勺取時(shí)應(yīng)將進(jìn)入小勺中的樣品全部留用，不得抖出一部分，保留一部分。

(2) 圓錐四分法：將試樣堆成圓錐體，用薄板將其垂直切成相等的四份，將對角的兩份混合再堆成圓錐體，也按上法縮分，直到其中一份的量符合需要(一般每份1克左右)為止。

(3) 分樣器法：將實(shí)驗(yàn)室樣全部倒入分樣器中，經(jīng)過分樣器均分后取出其中一份，如這一份的量還多，應(yīng)再倒入分樣器中進(jìn)行縮分，直到其中一份(或幾份)的量滿足要求為止。

3、介質(zhì)：用BT-2002型水煤漿激光粒度分布儀進(jìn)行粒度測量前要先將樣品與水在試樣池中混合配制成一定濃度的懸浮液，用于配制懸浮液的水叫做介質(zhì)。用于水煤漿粒度測試的介質(zhì)一般用較干凈的自來水就可以了。如果自來水所含的雜質(zhì)較多，則應(yīng)經(jīng)過沉淀或過濾等凈化處理后再用。檢查自來水是否可以直接用來做介質(zhì)的方法一是用肉眼觀察，看有無明顯的懸浮物;二是進(jìn)行背景測量，看背景框中的右端是否有連續(xù)的信號出現(xiàn)。如果上述兩點(diǎn)是肯定的，那么所用的水就應(yīng)該進(jìn)行凈化處理了。

4、分散劑：分散劑是指加入到介質(zhì)中的少量的能使介質(zhì)表面張力顯著降低，從而使顆粒表面得到良好潤濕作用的物質(zhì)。水煤漿常用的分散劑有六偏磷酸鈉、焦磷酸鈉等。分散劑的作用有二，其一可以加快"團(tuán)粒"的分解，使顆粒處于單個(gè)顆粒狀態(tài);其二可延長單個(gè)顆粒重新團(tuán)聚成"團(tuán)粒"的時(shí)間。在測量過程中應(yīng)根據(jù)樣品的不同，選用相應(yīng)的分散劑。分散劑的用量不宜太多，一般為介質(zhì)重量的千分之二至千分之五之間，使用時(shí)將分散劑按上述比例加到介質(zhì)中，待分散劑充分溶解后即可使用。

5、樣品濃度：將加有分散劑的水約500ml加到循環(huán)泵試樣池中，然后加入適量待測樣品(約1克)并打開攪拌器和超聲波分散器對樣品進(jìn)行攪拌分散約3分鐘。配制懸浮液的關(guān)鍵是要掌握好樣品的濃度。由于水煤漿的粗細(xì)程度，比重、光學(xué)特性等都有所不同，所以對不同樣品來說懸浮液的濃度也各不相同。一般說來，樣品越細(xì)，用量越少;樣品越粗，用量就越多。懸浮液的濃度最終要滿足濃度測量時(shí)光能分布的要求，一般要求濃度測量是光能分布最大值為20--60之間，特殊情況應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定合適的濃度值。懸浮液的濃度太大或太小對測試都是不利的。濃度過大，顆粒間的相互作用加劇，從而影響正常的顆粒狀態(tài);濃度過小，樣品代表性差。這些都將對測試結(jié)果產(chǎn)生不利影響。

6、測試：調(diào)整好樣品的濃度，就可以進(jìn)行測試了。測試時(shí)可以設(shè)定多次測試模式，測試結(jié)束后可以打印、保存測試結(jié)果。

根據(jù)水煤漿及其粒度分布的特點(diǎn)，國家水煤漿工程技術(shù)中心和丹東百特儀器有限公司合作，在一年多的時(shí)間里經(jīng)過上百次的試驗(yàn)和不斷完善，于2002年研制成功適合水煤漿粒度測試的新型的激光粒度儀-----BT-2002型激光粒度儀。結(jié)束了水煤漿粒度測試儀器長期依賴進(jìn)口的歷史，為國內(nèi)水煤漿廠家提供了一種價(jià)格低、性能好，維修方便。服務(wù)及時(shí)、另配件供應(yīng)充足的一種新型的激光粒度儀。該儀器自研制成功以來，已經(jīng)為遼寧、山東、山西、北京、云南、黑龍江等多家水煤漿企業(yè)和科研單位選用，受到廣泛好評，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。通過進(jìn)一步的普及推廣，BT-2002型水煤漿專用激光粒度儀必將對水煤漿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。