成果应用
do:i 10. 3969/.j issn . 1005-2798. 2010. 08. 011
总第131期
热电厂煤质在线分析的应用研究
王友壮, 顾 炯, 薛伟超
(中国矿业大学, 江苏徐州 221116)
摘 要:简要介绍了煤质分析的内容和传统的煤质分析方法, 阐述了核技术、近红外技术在煤质实时在线分析的应用现状, 并比较了这三种方法的优缺点。为燃煤热电厂的煤质实时在线检测提供参考。
关键词:煤质分析; 射线; 近红外; 热电厂
中图分类号:TQ 533 文献标识码:A 文章编号:1005 2798(2010) 08 0030 03
The Applie d Research of Ther mal Power P l ant CoalQuality
On li ne Analysis
WANG You zhuang , GU Jiong , XUE W e i chao
(China Un i ver sit y of M ini ng &T echno logy, X uzhou 221116, China)
Abstrac t :Th is paper br i e fly ana lyses the conten ts of co al analysis and t he traditi onalm ethods of coa l ana l ys i s , descr i bes t he curren t sta t us of app licati on for nuclear techno logy and near-i nfrared techno l ogy i n the onli ne ana l ysis o f coa l qua lity , and compares the advanta ges and d i sadvantages of t hese t hree me t hods . In order to prov i de re ference to coa l-fired ther m a l power p l ant about on -li ne detec ti on .
K eywords :coa l analysis ; -ray ; nea r-i n frared ; t her m a l power plan t
煤炭在我国的能源结构中一直占有很大的比
例, 具有很重要的地位, 2009年我国煤炭产量达到29. 1亿, t 占一次能源消费的68%, 预计到2050年煤炭仍将占到一次能源消费的50%左右。这其中大部分的煤炭都用在热电厂进行发电, 热电厂的成本核算中, 燃料消耗占很大比例, 占到成本的70%左右。如果不了解煤质, 不仅降低锅炉的燃烧效率造成资源浪费、降低企业经济效益, 而且还会严重影响锅炉的安全运行, 由于煤质变化造成锅炉出力不足, 热效率下降, 锅炉受热面结焦、积灰的情况, 煤质
[1]
变化导致的锅炉事故也屡见不鲜。因此, 煤质分析对于热电厂的正常、高效运转至关重要。
要包括以下三个方面: 煤质的工业分析, 包括测定
煤的水分、灰分、挥发分、固定碳四个项目。 煤的粘结性, 包括粘结指数、胶质层最大厚度和奥-阿膨胀度三个细分指标。! 煤的发热量
[2]
。
当前市场上, 无论是用于贸易结算还是热电厂调整锅炉运行所依据的煤质的两个指标分别为灰分值和发热量。另外, 煤中水分含量的测定也越来越受到重视, 不过本文暂不考虑, 下文介绍的煤质分析主要讲灰分值和发热量的测定。
2 传统的煤质分析方法
2. 1 煤的灰分的测定
煤的灰分是指煤中所有可燃物完全燃烧, 煤中矿物质在一定温度下发生一系列分解、化合等复杂反应后剩下的残留物质。煤质的灰分分析首先要采样、制样, 对于制作好的样品, 在马弗炉中进行灼烧, 直到质量不再变化(即两次质量差小于0. 0010g ) 为止
[3]
1 煤质分析的基本内容
由于形成煤的原始物质和沉积环境复杂多变,
所以煤是一种成分、性质十分复杂的固体可燃物。煤质分析指为了了解煤的性质、组成和结构, 通过一定方法对煤样进行分析测试研究的过程。煤质分析的化验项目、符号繁多, 而且新旧标准交替混杂。主
, 根据煤样的质量的变化就可以计算出煤的
灰分。
收稿日期:2010 03 19
作者简介:王友壮(1988-), 男, 河北邢台人, 现就读于中国矿业大学矿业工程学院。
2010年8月 王友壮等:热电厂煤质在线分析的应用研究 第19卷第8期
2. 2 煤的发热量的测定
煤的发热量是指单位质量的煤完全燃烧时所产生的热值。煤的发热量测定也需要先采样、制样, 然后将制备好的单位质量的煤样品放到一个高压密闭被称为氧弹的容器里, 在有过量氧气的条件下, 点燃煤样品使其完全燃烧, 使放出来的热量被水吸收, 根据水温的升高量以及水的质量计算出煤的发热量。
模型, 就可以计算出煤中的灰分值, 进而计算出煤的发热量。3. 4 中子活化分析法
中子活化技术基于用中子轰击原子核时发生的反应。当中子与原子核反应后, 原子核处于激发态, 处于激发态的原子核不稳定会发生跃迁, 恢复到基态或较低的能量状态, 并释放出 射线, 不同的原子核与中子反应释放出的 射线的能量不同。用中子束照射煤样, 通过对接收到的 射线能量谱的分析就可得到煤的元素组成分析, 进而通过数学分析得到灰分值, 计算出发热量。其原理如图1
。
3 核技术在煤质分析中的应用
核技术是对利用现代原子物理原理进行煤质分析的一类方法的总称, 归纳起来具有代表性的方法
有以下4种:低能 射线反散射法, 高能 射线湮灭辐射法, 双能 射线穿透法, 中子活化分析法。3. 1 低能 射线反散射法低能 射线反散射法利用Pu 的低能同位素作为放射源, 使放射源产生的 射线照射到煤样上, 射线会与煤中的原子发生光电效应, 部分穿透煤样内部原子而又被反散射出来, 并且能量发生衰减, 衰减的强度与煤样中原子的序数有密切关系。煤中的可燃成分主要有C 、H 、O 、S 等元素组成, 平均原子序数约为6, 不可燃的成分(形成灰分的主要物质) 主要由S 、i Ca 、M g 、Fe 等元素组成, 平均原子序数为14。随着煤炭中灰分的增加, 反散射出来的 射线
[4]
强度近似线性的减小, 因此就可以根据反散射 射线的强度判断煤炭的等效原子序数, 进而根据经验公式确定煤炭的灰分。煤中的灰分和发热量有很好的相关性, 通过数学模型分析就可根据灰分值计算出煤的发热量。
3. 2 高能 射线湮灭辐射法
高能 射线是指能量大于1. 022M e V 的 射线, 当它照射到煤样上时, 就有几率与煤中物质的原子核作用, 产生一对正负电子, 正负电子在一定条件下发生湮灭效应, 释放出一对能量为511ke V 的 射线。高能 射线与物质原子核发生反应的概率与原子序数的平方成正比, 通过测定能量为511ke V 的 射线强度就可以判断煤炭的等效原子序数, 进而根据经验公式计算出灰分值, 再由灰分值计算出发热量。
3. 3 双能 射线穿透法
双能 射线穿透法主要克服了单能 射线受到煤层厚度和堆密度影响大的缺点, 它使用高能同位素137C s 和低能同位素241Am 组成双 源。其中低能 射线穿过煤样衰减的强度除了与原子序数有密切关系以外, 还与单位面积上煤的质量有关, 而高能 射线穿过煤样衰减的强度只与单位面积上煤的质量有关, 通过高低能 射线的衰减强度建立数学
图1 中子活化分析法原理
4 近红外技术在煤质分析中的应用
近红外线指波长在780~2526nm 范围内的不可见光, 当近红外线照射到被分析的物质上时, 组成物质的化学键就会吸收一定波长的特征波, 吸收度与成分的含量大小有关。固体对波的吸收较弱, 因此煤质分析适用于漫反射技术。用近红外线照射煤样, 对其反射光谱的分析, 找到煤的特征波长, 然后根据相关波长的吸收度, 通过数学模型计算出各成分的含量, 就可根据经验公式进一步计算出煤的灰分值和发热量
[5]
。其原理如图2。
图2 近红外技术原理
5 三种技术优缺点的比较
从实时性、准确度、仪器安全性、对煤质影响四
2010年8月 王友壮等:热电厂煤质在线分析的应用研究 第19卷第8期
个方面进行比较, 见表1。
表1 煤质分析方法的优缺点比较
分析方法
实时性
传统的煤质分析需要
传统方法人工采
样、制样, 实时性差
不需采样, 可不间断检测煤质, 实时性好不需采样, 可不间断检测煤质, 实时性好
准确度仪器对煤样分析的准确度很高, 但人工采样的偏差度高, 造成总体的准确度一般
安全性技术成熟, 安全性好
对煤质影响采集的煤样要进行灼烧、燃烧, 浪费一定量的煤由于有原子核的反应, 煤质受到一定影响
确度一般。
采用新兴核技术的煤质分析仪器中, 双能 射线穿透法仪器在我国使用较多, 国内的西安262厂、澳大利亚的SCANTEC H 公司、德国的B ertho l d 公司均有这方面的产品。近红外线分析仪在食品、药品、烟草、石油化工等方面都已经有了比较成熟的应用, 但在煤质分析方面仅仅有所应用还远不普及。由于核技术、近红外技术的实时性优势, 尤其是近红外线技术的安全、可靠、对煤的无损分析性, 加上电厂对于煤质实时分析的要求不断提高, 核技术和近红外技术在未来一定会逐步的普及。参考文献:
[1] 徐军伟, 崔国圣, 宋兆龙. 煤质成分在线检测装置[J].
江苏电机工程, 2005(1):1-2.
[2] 杨孟达. 煤矿地质学[M ].北京:煤炭工业出版社,
2000.
[3] 付守平. 原煤灰分测定方法的简化[J].选煤技术, 2007
(6).
[4] 方全国. 煤质在线分析技术原理及应用[J].煤质技术,
2006(6):23-25.
[5] 李凤瑞, 唐玉国, 肖宝兰. 应用近红外光谱分析技术测
量煤质发热量[J].电站系统工程, 2004(3):19-20.
[责任编辑:魏晋英]
核技术
由于没有采样环
节的影响, 准确度高
由于涉及到 射线, 安全性低
近红外技术
由于没有采样环节的影响, 准确度高
近红外线对人体没有伤害, 安全性好
近红外光谱对煤质无任何影响
6 热电厂煤质分析现状及展望
现今, 我国大部分热电厂使用的都是自动化程度很高的、采用传统分析方法的分析仪, 国内生产这类仪器的厂家、企业也比较多, 技术也比较成熟, 比如河南鹤壁鑫诺仪器仪表制造公司、长沙开元仪器有限公司等。这些仪器在测试已制作好的煤样品时速度都很快, 基本上在10m i n 以内, 但煤质样品仍主要靠人工制备, 人工采样、制样需要较长时间, 偏差度高, 这使得煤质分析不能实现实时在线而且准(上接第21页)
从图5可以看出, 在联合加药制度时, 凝聚剂用量不变, 随着絮凝剂用量的增加, 沉降速度明显的提高, 上清液的透光率由小幅度的提高。
2) 絮凝剂用量不变, 凝聚剂用量提高时的变化规律。
煤泥水浓度30g /L,絮凝剂现场絮凝剂的用量为90g /,t 凝聚剂山东阳离子用量依次为2kg /t、4kg /t、6kg /。t 絮凝沉降效果如图6
所示。
从图6中可以看出, 在联合加药制度时, 絮凝剂
用量不变, 随着凝聚剂用量的增加, 透光率有所上升, 但沉降速度下降, 且下降幅度比较大。所以实际过程中, 在满足生产需要的前提下, 尽量少加凝聚剂。
4 结 语
通过对煤泥水联合用药与单药剂加药的试验研究, 得出适合漳村矿选煤厂煤泥水最佳加药制度是: 加药顺序是:先加凝聚剂, 后加絮凝剂; 联合加药的时间间隔, 选定为30s 为理想的时间间隔; ! 在联合加药试验过程中, 絮凝剂对沉降速度的影响较大, 凝聚剂对上清液透光率影响较大。
[责任编辑:魏晋英]
图6 凝聚剂对絮凝沉降效果的影响对比
成果应用
do:i 10. 3969/.j issn . 1005-2798. 2010. 08. 011
总第131期
热电厂煤质在线分析的应用研究
王友壮, 顾 炯, 薛伟超
(中国矿业大学, 江苏徐州 221116)
摘 要:简要介绍了煤质分析的内容和传统的煤质分析方法, 阐述了核技术、近红外技术在煤质实时在线分析的应用现状, 并比较了这三种方法的优缺点。为燃煤热电厂的煤质实时在线检测提供参考。
关键词:煤质分析; 射线; 近红外; 热电厂
中图分类号:TQ 533 文献标识码:A 文章编号:1005 2798(2010) 08 0030 03
The Applie d Research of Ther mal Power P l ant CoalQuality
On li ne Analysis
WANG You zhuang , GU Jiong , XUE W e i chao
(China Un i ver sit y of M ini ng &T echno logy, X uzhou 221116, China)
Abstrac t :Th is paper br i e fly ana lyses the conten ts of co al analysis and t he traditi onalm ethods of coa l ana l ys i s , descr i bes t he curren t sta t us of app licati on for nuclear techno logy and near-i nfrared techno l ogy i n the onli ne ana l ysis o f coa l qua lity , and compares the advanta ges and d i sadvantages of t hese t hree me t hods . In order to prov i de re ference to coa l-fired ther m a l power p l ant about on -li ne detec ti on .
K eywords :coa l analysis ; -ray ; nea r-i n frared ; t her m a l power plan t
煤炭在我国的能源结构中一直占有很大的比
例, 具有很重要的地位, 2009年我国煤炭产量达到29. 1亿, t 占一次能源消费的68%, 预计到2050年煤炭仍将占到一次能源消费的50%左右。这其中大部分的煤炭都用在热电厂进行发电, 热电厂的成本核算中, 燃料消耗占很大比例, 占到成本的70%左右。如果不了解煤质, 不仅降低锅炉的燃烧效率造成资源浪费、降低企业经济效益, 而且还会严重影响锅炉的安全运行, 由于煤质变化造成锅炉出力不足, 热效率下降, 锅炉受热面结焦、积灰的情况, 煤质
[1]
变化导致的锅炉事故也屡见不鲜。因此, 煤质分析对于热电厂的正常、高效运转至关重要。
要包括以下三个方面: 煤质的工业分析, 包括测定
煤的水分、灰分、挥发分、固定碳四个项目。 煤的粘结性, 包括粘结指数、胶质层最大厚度和奥-阿膨胀度三个细分指标。! 煤的发热量
[2]
。
当前市场上, 无论是用于贸易结算还是热电厂调整锅炉运行所依据的煤质的两个指标分别为灰分值和发热量。另外, 煤中水分含量的测定也越来越受到重视, 不过本文暂不考虑, 下文介绍的煤质分析主要讲灰分值和发热量的测定。
2 传统的煤质分析方法
2. 1 煤的灰分的测定
煤的灰分是指煤中所有可燃物完全燃烧, 煤中矿物质在一定温度下发生一系列分解、化合等复杂反应后剩下的残留物质。煤质的灰分分析首先要采样、制样, 对于制作好的样品, 在马弗炉中进行灼烧, 直到质量不再变化(即两次质量差小于0. 0010g ) 为止
[3]
1 煤质分析的基本内容
由于形成煤的原始物质和沉积环境复杂多变,
所以煤是一种成分、性质十分复杂的固体可燃物。煤质分析指为了了解煤的性质、组成和结构, 通过一定方法对煤样进行分析测试研究的过程。煤质分析的化验项目、符号繁多, 而且新旧标准交替混杂。主
, 根据煤样的质量的变化就可以计算出煤的
灰分。
收稿日期:2010 03 19
作者简介:王友壮(1988-), 男, 河北邢台人, 现就读于中国矿业大学矿业工程学院。
2010年8月 王友壮等:热电厂煤质在线分析的应用研究 第19卷第8期
2. 2 煤的发热量的测定
煤的发热量是指单位质量的煤完全燃烧时所产生的热值。煤的发热量测定也需要先采样、制样, 然后将制备好的单位质量的煤样品放到一个高压密闭被称为氧弹的容器里, 在有过量氧气的条件下, 点燃煤样品使其完全燃烧, 使放出来的热量被水吸收, 根据水温的升高量以及水的质量计算出煤的发热量。
模型, 就可以计算出煤中的灰分值, 进而计算出煤的发热量。3. 4 中子活化分析法
中子活化技术基于用中子轰击原子核时发生的反应。当中子与原子核反应后, 原子核处于激发态, 处于激发态的原子核不稳定会发生跃迁, 恢复到基态或较低的能量状态, 并释放出 射线, 不同的原子核与中子反应释放出的 射线的能量不同。用中子束照射煤样, 通过对接收到的 射线能量谱的分析就可得到煤的元素组成分析, 进而通过数学分析得到灰分值, 计算出发热量。其原理如图1
。
3 核技术在煤质分析中的应用
核技术是对利用现代原子物理原理进行煤质分析的一类方法的总称, 归纳起来具有代表性的方法
有以下4种:低能 射线反散射法, 高能 射线湮灭辐射法, 双能 射线穿透法, 中子活化分析法。3. 1 低能 射线反散射法低能 射线反散射法利用Pu 的低能同位素作为放射源, 使放射源产生的 射线照射到煤样上, 射线会与煤中的原子发生光电效应, 部分穿透煤样内部原子而又被反散射出来, 并且能量发生衰减, 衰减的强度与煤样中原子的序数有密切关系。煤中的可燃成分主要有C 、H 、O 、S 等元素组成, 平均原子序数约为6, 不可燃的成分(形成灰分的主要物质) 主要由S 、i Ca 、M g 、Fe 等元素组成, 平均原子序数为14。随着煤炭中灰分的增加, 反散射出来的 射线
[4]
强度近似线性的减小, 因此就可以根据反散射 射线的强度判断煤炭的等效原子序数, 进而根据经验公式确定煤炭的灰分。煤中的灰分和发热量有很好的相关性, 通过数学模型分析就可根据灰分值计算出煤的发热量。
3. 2 高能 射线湮灭辐射法
高能 射线是指能量大于1. 022M e V 的 射线, 当它照射到煤样上时, 就有几率与煤中物质的原子核作用, 产生一对正负电子, 正负电子在一定条件下发生湮灭效应, 释放出一对能量为511ke V 的 射线。高能 射线与物质原子核发生反应的概率与原子序数的平方成正比, 通过测定能量为511ke V 的 射线强度就可以判断煤炭的等效原子序数, 进而根据经验公式计算出灰分值, 再由灰分值计算出发热量。
3. 3 双能 射线穿透法
双能 射线穿透法主要克服了单能 射线受到煤层厚度和堆密度影响大的缺点, 它使用高能同位素137C s 和低能同位素241Am 组成双 源。其中低能 射线穿过煤样衰减的强度除了与原子序数有密切关系以外, 还与单位面积上煤的质量有关, 而高能 射线穿过煤样衰减的强度只与单位面积上煤的质量有关, 通过高低能 射线的衰减强度建立数学
图1 中子活化分析法原理
4 近红外技术在煤质分析中的应用
近红外线指波长在780~2526nm 范围内的不可见光, 当近红外线照射到被分析的物质上时, 组成物质的化学键就会吸收一定波长的特征波, 吸收度与成分的含量大小有关。固体对波的吸收较弱, 因此煤质分析适用于漫反射技术。用近红外线照射煤样, 对其反射光谱的分析, 找到煤的特征波长, 然后根据相关波长的吸收度, 通过数学模型计算出各成分的含量, 就可根据经验公式进一步计算出煤的灰分值和发热量
[5]
。其原理如图2。
图2 近红外技术原理
5 三种技术优缺点的比较
从实时性、准确度、仪器安全性、对煤质影响四
2010年8月 王友壮等:热电厂煤质在线分析的应用研究 第19卷第8期
个方面进行比较, 见表1。
表1 煤质分析方法的优缺点比较
分析方法
实时性
传统的煤质分析需要
传统方法人工采
样、制样, 实时性差
不需采样, 可不间断检测煤质, 实时性好不需采样, 可不间断检测煤质, 实时性好
准确度仪器对煤样分析的准确度很高, 但人工采样的偏差度高, 造成总体的准确度一般
安全性技术成熟, 安全性好
对煤质影响采集的煤样要进行灼烧、燃烧, 浪费一定量的煤由于有原子核的反应, 煤质受到一定影响
确度一般。
采用新兴核技术的煤质分析仪器中, 双能 射线穿透法仪器在我国使用较多, 国内的西安262厂、澳大利亚的SCANTEC H 公司、德国的B ertho l d 公司均有这方面的产品。近红外线分析仪在食品、药品、烟草、石油化工等方面都已经有了比较成熟的应用, 但在煤质分析方面仅仅有所应用还远不普及。由于核技术、近红外技术的实时性优势, 尤其是近红外线技术的安全、可靠、对煤的无损分析性, 加上电厂对于煤质实时分析的要求不断提高, 核技术和近红外技术在未来一定会逐步的普及。参考文献:
[1] 徐军伟, 崔国圣, 宋兆龙. 煤质成分在线检测装置[J].
江苏电机工程, 2005(1):1-2.
[2] 杨孟达. 煤矿地质学[M ].北京:煤炭工业出版社,
2000.
[3] 付守平. 原煤灰分测定方法的简化[J].选煤技术, 2007
(6).
[4] 方全国. 煤质在线分析技术原理及应用[J].煤质技术,
2006(6):23-25.
[5] 李凤瑞, 唐玉国, 肖宝兰. 应用近红外光谱分析技术测
量煤质发热量[J].电站系统工程, 2004(3):19-20.
[责任编辑:魏晋英]
核技术
由于没有采样环
节的影响, 准确度高
由于涉及到 射线, 安全性低
近红外技术
由于没有采样环节的影响, 准确度高
近红外线对人体没有伤害, 安全性好
近红外光谱对煤质无任何影响
6 热电厂煤质分析现状及展望
现今, 我国大部分热电厂使用的都是自动化程度很高的、采用传统分析方法的分析仪, 国内生产这类仪器的厂家、企业也比较多, 技术也比较成熟, 比如河南鹤壁鑫诺仪器仪表制造公司、长沙开元仪器有限公司等。这些仪器在测试已制作好的煤样品时速度都很快, 基本上在10m i n 以内, 但煤质样品仍主要靠人工制备, 人工采样、制样需要较长时间, 偏差度高, 这使得煤质分析不能实现实时在线而且准(上接第21页)
从图5可以看出, 在联合加药制度时, 凝聚剂用量不变, 随着絮凝剂用量的增加, 沉降速度明显的提高, 上清液的透光率由小幅度的提高。
2) 絮凝剂用量不变, 凝聚剂用量提高时的变化规律。
煤泥水浓度30g /L,絮凝剂现场絮凝剂的用量为90g /,t 凝聚剂山东阳离子用量依次为2kg /t、4kg /t、6kg /。t 絮凝沉降效果如图6
所示。
从图6中可以看出, 在联合加药制度时, 絮凝剂
用量不变, 随着凝聚剂用量的增加, 透光率有所上升, 但沉降速度下降, 且下降幅度比较大。所以实际过程中, 在满足生产需要的前提下, 尽量少加凝聚剂。
4 结 语
通过对煤泥水联合用药与单药剂加药的试验研究, 得出适合漳村矿选煤厂煤泥水最佳加药制度是: 加药顺序是:先加凝聚剂, 后加絮凝剂; 联合加药的时间间隔, 选定为30s 为理想的时间间隔; ! 在联合加药试验过程中, 絮凝剂对沉降速度的影响较大, 凝聚剂对上清液透光率影响较大。
[责任编辑:魏晋英]
图6 凝聚剂对絮凝沉降效果的影响对比