(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210096)

0 引言

1 煤炭水分在線測(cè)量技術(shù)

目前應(yīng)用于物料水分在線檢測(cè)的技術(shù)主要有中子法、近紅外法和微波法。這些方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

中子法利用水分子中的氫原子核對(duì)快中子的慢化作用來(lái)測(cè)量物料水分，中子源發(fā)射出的快中子與氫原子相互碰撞而減速成慢中子，利用探測(cè)器檢測(cè)穿透物料后慢中子的密度，便能夠測(cè)出物料水分[3]。中子法的優(yōu)點(diǎn)是可以測(cè)量較大體積物料的水分，缺點(diǎn)是要求被測(cè)物料中除水以外不得再含有含氫物質(zhì)。由于煤炭揮發(fā)成分中含有氫且難以確定，故中子法不適用于煤炭水分檢測(cè)。

近紅外法利用水分子對(duì)特定波長(zhǎng)的近紅外輻射有明顯強(qiáng)烈吸收作用來(lái)測(cè)量物料水分，水分含量不同對(duì)特定波長(zhǎng)近紅外輻射的吸光度不同，測(cè)出特定波長(zhǎng)的吸光度便可測(cè)量出物料水分[4]。近紅外用于在線檢測(cè)煤炭水分的優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)對(duì)煤炭的多個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析；主要缺點(diǎn)是由于近紅外線穿透力弱，只能測(cè)量煤炭外在水分。

微波法通過(guò)空間輻射的方式穿過(guò)煤層[5]，不僅能夠測(cè)得煤炭外在水分，還能測(cè)得內(nèi)在水分，具有非接觸無(wú)損實(shí)時(shí)檢測(cè)、儀器無(wú)輻射危險(xiǎn)、操作和使用安全等優(yōu)點(diǎn)。因此，微波測(cè)濕技術(shù)應(yīng)用于煤炭水分在線檢測(cè)具有極大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2 微波測(cè)量煤炭水分原理

綜上所述，在一定條件下，煤炭水分、煤炭介電常數(shù)與微波強(qiáng)度衰減和相位偏移存在確定的數(shù)學(xué)關(guān)系，因此可以建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型來(lái)確定煤炭中的水分含量。在實(shí)際微波水分檢測(cè)技術(shù)中，通常越過(guò)介電常數(shù)，直接利用水分與強(qiáng)度衰減和相位偏移之間的數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算煤炭水分。

3 影響因素分析試驗(yàn)

微波穿透煤層后的強(qiáng)度衰減和相位偏移不僅與煤炭水分有關(guān)，還同時(shí)與煤層厚度、堆密度、表面形狀等因素有關(guān)。這些因素變化時(shí)會(huì)對(duì)水分測(cè)量造成影響，因此有必要分別研究分析各因素的影響情況。

教學(xué)方法是否有效不僅決定了視覺(jué)傳達(dá)設(shè)計(jì)教學(xué)質(zhì)量的高低，而且決定了學(xué)生是否能適應(yīng)新媒體時(shí)代對(duì)視覺(jué)傳達(dá)設(shè)計(jì)提出的新要求。培養(yǎng)綜合型的應(yīng)用人才需要改進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)方法，不斷根據(jù)新的內(nèi)容創(chuàng)新教學(xué)形式，能夠有效提高視覺(jué)傳達(dá)設(shè)計(jì)教學(xué)質(zhì)量，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)使用的設(shè)備主要有：安裝在輸煤皮帶上的微波水分儀、HN101鼓風(fēng)干燥箱、淺盤、6 mm標(biāo)準(zhǔn)篩子、電子稱、分析天平、塑料容器、鐵鍬等。HN101鼓風(fēng)干燥箱用來(lái)烘干試驗(yàn)煤樣水分。根據(jù)烘干前后的質(zhì)量便可計(jì)算得到煤樣水分。塑料容器用來(lái)模擬工業(yè)輸煤皮帶。試驗(yàn)過(guò)程中直接將煤樣倒入容器內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，容器內(nèi)部四周均標(biāo)有刻度，試驗(yàn)煤樣厚度能直接讀出。

微波水分儀的裝置示意圖如圖1所示。其測(cè)量過(guò)程為：微波振蕩器產(chǎn)生的微波經(jīng)同軸線傳輸至發(fā)射天線發(fā)出，向上穿透煤炭和容器后，被微波接收天線接收，微波數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)透射波前后的變化計(jì)算出強(qiáng)度衰減和相位偏移。

圖1 微波水分儀示意圖

3.2 試驗(yàn)煤樣

試驗(yàn)煤樣取自電廠煤場(chǎng)，煤種為煙煤。經(jīng)破碎、篩分、混合等工序使粒徑減小至6 mm以下，用淺盤稱取500 g煤樣，均勻攤平，放入已預(yù)先加熱至105～110 ℃的干燥箱中；干燥2～2.5 h后取出稱重，計(jì)算得到試驗(yàn)煤樣的全水分值為15.28%。

3.3 試驗(yàn)內(nèi)容

煤炭水分微波在線檢測(cè)過(guò)程中主要受到煤層厚度、堆密度和表面形狀的影響，下面分別通過(guò)相應(yīng)的靜態(tài)試驗(yàn)來(lái)研究分析各影響因素。

① 煤層厚度影響因素試驗(yàn)

往容器中逐次添加煤樣并鋪平整,使煤層厚度從60 mm增加至200 mm，每次增加20 mm，記錄各個(gè)煤層厚度所對(duì)應(yīng)的衰減和相移。

② 煤堆密度影響因素試驗(yàn)

試驗(yàn)過(guò)程采用壓實(shí)容器內(nèi)煤樣的方法增大煤樣的緊實(shí)度，從而增加煤樣的堆密度。先在容器內(nèi)鋪厚度為100 mm的平整疏松煤樣，壓實(shí)使厚度減至90 mm，測(cè)量90 mm平鋪壓實(shí)煤樣的衰減和相移；然后攪拌煤樣使其變疏松，取出一定量煤樣，測(cè)量90 mm平鋪疏松煤樣的衰減和相移，比較相同厚度的疏松和壓實(shí)煤樣的衰減和相移變化。按照以上操作，再分別測(cè)量出平整厚度為130 mm、170 mm的疏松和壓實(shí)煤樣的衰減和相移。

③ 煤層表面形狀影響因素試驗(yàn)

試驗(yàn)研究的煤樣形狀分別為平整、中間上凸20 mm、中間下凹20 mm。鋪中間上凸20 mm煤樣的方法是在平整煤樣中間堆積一中心高度20 mm的錐形煤樣，鋪中間下凹20 mm煤樣的方法是在平整煤樣中間挖去一中心深度20 mm的錐形煤樣。試驗(yàn)時(shí)先后往容器內(nèi)平整鋪厚度為80 mm、120 mm的煤層，依次改變煤樣形狀，記錄各厚度下每個(gè)形狀的衰減和相移。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

煤層厚度對(duì)透射波衰減和相移影響的試驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。從圖2和圖3可以看出，衰減和相移與煤層厚度近似成二次函數(shù)關(guān)系，衰減和相移都隨著煤層厚度的增加而增大。微波水分儀發(fā)射出的微波在空間的傳輸路徑近似成一球體，其示意圖如圖4所示。試驗(yàn)的厚度均小于球的中心厚度，隨著煤層厚度的增加，微波透射行程內(nèi)煤量和與微波電磁場(chǎng)相互作用的水分子電偶極子近似呈二次函數(shù)增加，因而表現(xiàn)出衰減和相移隨厚度近似呈二次函數(shù)增大。

圖2 煤層厚度對(duì)衰減的影響示意圖

圖3 煤層厚度對(duì)相移的影響示意圖

圖4 微波傳輸路徑示意圖

煤堆密度對(duì)衰減和相移的影響結(jié)果如表1所示。由表1可知，微波透射相同厚度的壓實(shí)煤樣的衰減和相移均比疏松煤樣大。由于壓實(shí)煤樣的堆密度比疏松煤樣的堆密度大，因此認(rèn)為在其他影響因素不變的情況下，微波衰減和相移隨煤堆密度增大而增大。從絕對(duì)含水量的角度分析，對(duì)于相同厚度的同一品種煤樣，若堆密度增大，微波透射行程內(nèi)煤的絕對(duì)含水量增大，因而引起衰減和相移增大；從煤的相對(duì)復(fù)介電常數(shù)的角度分析，堆密度增大，煤混合物中空氣占的體積比減小，干煤和水占的體積比增大，因干煤和水的復(fù)介電常數(shù)比空氣的復(fù)介電常數(shù)大得多，所以煤的相對(duì)復(fù)介電常數(shù)增大，最終透射波的衰減和相移將增大。

表1 堆密度影響結(jié)果

煤層表面形狀因素分析試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2試驗(yàn)結(jié)果可知，與平整煤樣相比，中間上凸20 mm后衰減和相移將增大，中間下凹20 mm后衰減和相移將減小。分析其原因，煤層表面形狀由平整變?yōu)橹虚g上凸20 mm后，微波透射行程內(nèi)煤量增多，絕對(duì)含水量增多，因而衰減和相移將增大，中間下凹20 mm則恰好相反。

表2 煤層形狀的影響結(jié)果

4 影響因素補(bǔ)償措施

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，煤層厚度、堆密度和形狀等因素變化會(huì)對(duì)衰減和相移產(chǎn)生影響，進(jìn)而會(huì)對(duì)水分測(cè)量產(chǎn)生很大誤差。為了克服此影響，必須對(duì)各個(gè)影響因素制定補(bǔ)償措施。針對(duì)厚度影響，設(shè)計(jì)在微波水分儀的C形框架上臂安裝超聲波傳感器，利用超聲波測(cè)距技術(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量煤層厚度。在線檢測(cè)過(guò)程中，超聲波傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量傳感器與煤層上表面的距離，根據(jù)傳感器到輸煤皮帶的固定距離，從而計(jì)算出煤層厚度；再通過(guò)煤水分與微波參數(shù)和厚度的數(shù)學(xué)模型來(lái)確定煤水分含量，從而實(shí)現(xiàn)厚度補(bǔ)償。針對(duì)堆密度影響，由于沒(méi)有直接測(cè)量煤炭堆密度的儀器，只能通過(guò)間接

法測(cè)量出堆密度，德國(guó)BERTHOLD公司設(shè)計(jì)了采用透射γ射線實(shí)時(shí)測(cè)量煤層的堆密度[6-7]，但射線源有輻射危險(xiǎn)，必須設(shè)計(jì)有嚴(yán)格的防護(hù)措施，使用和維護(hù)不方便。

從安裝位置角度考慮，微波水分儀若安裝在破碎機(jī)后的輸煤皮帶上，能有效減小堆密度變化的影響。煤炭經(jīng)過(guò)破碎后粒徑分布穩(wěn)定，堆密度變化很小，從而能有效補(bǔ)償堆密度的影響。對(duì)于煤層上表面形狀的影響，應(yīng)盡可能保持輸煤皮帶上煤層形狀不變，在微波水分儀前面安裝一整形板，來(lái)煤通過(guò)整形板時(shí)自動(dòng)刮平煤層，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層形狀影響的補(bǔ)償。

5 結(jié)束語(yǔ)

微波透射測(cè)濕技術(shù)具有快速非接觸式測(cè)量煤炭全水分、無(wú)輻射危險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，與其他技術(shù)相比，該技術(shù)在煤炭水分在線檢測(cè)應(yīng)用中更具有優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，微波在線測(cè)量煤炭水分過(guò)程中會(huì)受到煤層厚度、堆密度、煤層形狀等因素影響，需要針對(duì)各個(gè)影響因素采取補(bǔ)償措施，才能實(shí)現(xiàn)煤炭水分的精確測(cè)量。

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