姜廣偉，劉喜國(guó)

(國(guó)家能源集團(tuán)康平發(fā)電有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

煤炭是我國(guó)主要能源來(lái)源之一，主要用于電力、鋼鐵、化工等行業(yè)，煤炭的發(fā)熱量、水分含量等煤質(zhì)是煤炭使用時(shí)的重要特征參數(shù)，煤炭人工采樣或者機(jī)械采樣并采用試驗(yàn)室化驗(yàn)是當(dāng)前獲取煤質(zhì)數(shù)據(jù)的主要方法[1-2]，該方法檢測(cè)精度高，但同時(shí)也具有檢測(cè)周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，這給煤炭的應(yīng)用帶來(lái)諸多不便。

20世紀(jì)70年代開始，國(guó)內(nèi)外已開始進(jìn)行煤質(zhì)在線檢測(cè)方面的研究，發(fā)展至今，已形成了利用數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)實(shí)時(shí)入爐煤質(zhì)的方法[3-5]和采用儀器設(shè)備直接測(cè)量煤質(zhì)參數(shù)的方法[6]，這使得煤炭用戶具備了實(shí)時(shí)獲取煤質(zhì)數(shù)據(jù)的能力。本文主要介紹當(dāng)前煤質(zhì)在線檢測(cè)儀器設(shè)備的原理、特點(diǎn)，并以MDL-200型煤質(zhì)在線檢測(cè)裝置為例，介紹其在電力行業(yè)中的應(yīng)用。

1 煤質(zhì)在線檢測(cè)設(shè)備

針對(duì)煤礦生產(chǎn)和電廠、鋼鐵、化工等領(lǐng)域，利用設(shè)備實(shí)現(xiàn)煤質(zhì)的實(shí)時(shí)檢測(cè)已發(fā)展多年，按設(shè)備有無(wú)放射源來(lái)區(qū)分，可分為無(wú)放射源法和有放射源法。其中，無(wú)放射源法包括多能X射線吸收法、X射線熒光法(XRF)、激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析法(LIBS)，有放射源法包括瞬發(fā)γ中子活化分析和雙能γ射線、β射線反散射法、低能γ射線反散射法、高能γ射線湮沒(méi)輻射法、天然γ放射性測(cè)量法、近紅外分析法等。以下分別對(duì)這些方法進(jìn)行介紹。

1.1 X射線熒光法(XRF法)

利用X射線管產(chǎn)生入射X射線(一次X射線)激發(fā)被測(cè)樣品，激發(fā)樣品中每一種元素會(huì)放射出二次X射線，不同元素所放射的二次X射線具有特定能量特性或波長(zhǎng)特性，測(cè)量上述放射出的二次X射線能量及數(shù)量即可獲得樣品中各種元素種類及含量[7]。XRF技術(shù)測(cè)試煤炭成分具有實(shí)時(shí)在線、方便快速、無(wú)損測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。但XRF法在線測(cè)試煤炭成分時(shí)，對(duì)應(yīng)特征X射線能量低，易受空氣影響、測(cè)量煤層厚度極低，難從根源上克服多元素重疊峰和峰現(xiàn)象的影響，系統(tǒng)復(fù)雜程度高，維護(hù)量大。

1.2 激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析法(LIBS)

將一束高能量的脈沖激光束聚焦后，投射到煤的樣品表面，被照射部位會(huì)被瞬間氣化，形成高溫、高密度的等離子體。通過(guò)測(cè)量該等離子體發(fā)射譜線的特征波長(zhǎng)就可獲得被分析煤樣品所含元素的種類，即定性分析。通過(guò)測(cè)量其特征譜線的發(fā)射強(qiáng)度并與標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行對(duì)比即可得到該元素的含量也就是定量分析[8]。LIBS法測(cè)試煤炭成分，具有測(cè)試速度快、無(wú)輻射源、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但由于激光源能量起伏、自吸收、煤粉樣品表面粗糙度及現(xiàn)場(chǎng)惡劣測(cè)試環(huán)境等原因，一般的光譜數(shù)據(jù)處理方法由激光誘導(dǎo)擊穿光譜獲得的煤中元素分析精度尚存在優(yōu)化空間。

1.3 多能X射線吸收法

多能X射線吸收法測(cè)試煤炭成分時(shí)，利用被電場(chǎng)加速的電子轟擊金屬靶產(chǎn)生人工射線，人工射線中不同能量區(qū)間射線與煤中各元素作用截面不同，利用探測(cè)器測(cè)量被煤衰減后射線能譜，可得到煤灰分、硫分與發(fā)熱量。多能X射線法具有不使用放射源，工作安全性高、煤質(zhì)測(cè)量準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)

1.4 中子瞬發(fā)γ射線活化分析法

采用經(jīng)過(guò)慢化后熱中子照射原煤，使煤中各元素與中子發(fā)生熱中子俘獲反應(yīng)，激發(fā)態(tài)原子核放射出不同能量特征γ射線后達(dá)到穩(wěn)定態(tài)，通過(guò)檢測(cè)特征γ射線能量可辨別煤中元素種類，通過(guò)檢測(cè)特定能量γ射線數(shù)量來(lái)辨別對(duì)應(yīng)元素質(zhì)量百分含量[9]。中子瞬發(fā)γ射線活化分析法測(cè)量煤炭成分具有測(cè)量數(shù)據(jù)多的優(yōu)點(diǎn)，但是采用了放射源，給工作環(huán)境帶來(lái)隱患，同時(shí)中子能量隨煤層厚度與煤中元素成分(特別是氫元素)變化，特征γ射線能譜相當(dāng)復(fù)雜，給射線探測(cè)和能譜分析帶來(lái)困難。

1.5 雙能量γ射線透穿法

用低能和中能雙能量γ射線即241Am(镅)低能γ(約60 kev千電子伏)射線和銫-137Cs中能γ(662 kev)射線透過(guò)被測(cè)煤樣，低能γ射線減弱取決于煤灰分值和煤層厚度，中能γ射線減弱只取決于煤層厚度，與煤灰分值無(wú)關(guān)[10]。雙能量γ射線透穿法測(cè)試煤炭成分具有可直接對(duì)輸煤皮帶上散煤實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量、受水分影響較小、有較大灰分煤流厚度測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍的優(yōu)點(diǎn)，具有較高性價(jià)比，但測(cè)量混煤煤質(zhì)時(shí)誤差較大，并且使用了放射源，對(duì)工作安全帶來(lái)影響。

1.6 其他檢測(cè)方法

其他用于煤炭成分在線檢測(cè)的方法包括β射線和低能γ射線反散射法，其特點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，高能射線穿透力強(qiáng)、屏蔽難、輻射安全性差，且對(duì)灰分測(cè)量靈敏度較低；天然γ放射性測(cè)量法：不使用放射源，測(cè)量準(zhǔn)確度不高；紅外光譜分析法：不適合分析含水樣品，定量分析誤差大，靈敏度低。

2 MDL-200煤質(zhì)在線檢測(cè)裝置在電廠的應(yīng)用

本文以MDL-200煤質(zhì)在線檢測(cè)裝置在燃煤發(fā)電廠的應(yīng)用為例，對(duì)該設(shè)備的特點(diǎn)、安裝、使用及效果進(jìn)行分析。

2.1 設(shè)備特點(diǎn)

MDL-200煤質(zhì)在線檢測(cè)裝置基于多能X射線吸收法原理，主要用于火電廠、煤礦、鋼鐵等企業(yè)煤炭質(zhì)量的快速檢測(cè)，可獲取煤炭樣品的灰分、發(fā)熱量、揮發(fā)分、硫分等參數(shù)。設(shè)備包含煤種校正模塊，保證在煤質(zhì)復(fù)雜、多變的情況下實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)煤炭的快速檢測(cè)、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度高，且對(duì)樣品的顆粒度無(wú)嚴(yán)格限制，測(cè)量結(jié)果不受煤的水分變化影響。并且測(cè)量過(guò)程中儀器設(shè)備與煤炭無(wú)接觸，設(shè)備磨損低。

2.2 設(shè)備組成及原理

系統(tǒng)主要由探測(cè)器、控制裝置、灰分儀主機(jī)、配套電纜等組成。利用多能X人工射線照射皮帶上待測(cè)煤炭樣品，并獲取煤炭射線能譜，通過(guò)數(shù)學(xué)模型，根據(jù)射線能譜信息計(jì)算出煤炭的灰分、發(fā)熱量等煤質(zhì)數(shù)據(jù)。軟件包含煤種校正模塊，保證在煤質(zhì)復(fù)雜、多變的情況下實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。圖1為該設(shè)備測(cè)試原理。

圖1 設(shè)備原理

2.3 設(shè)備安裝及工作

MDL-200煤質(zhì)在線檢測(cè)裝置安裝在入爐煤皮帶上方(見圖2)，當(dāng)執(zhí)行上煤任務(wù)時(shí)，入爐煤皮帶上方的煤質(zhì)在線檢測(cè)裝置可實(shí)時(shí)檢測(cè)皮帶煤流的煤質(zhì)，并將煤質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩?。該系統(tǒng)可測(cè)試皮帶煤流的硫分、水分、發(fā)熱量、灰分等數(shù)據(jù)。

圖2 設(shè)備安裝位置

3 使用效果分析

3.1 皮帶煤流煤質(zhì)測(cè)試精度

某段時(shí)間內(nèi)，對(duì)煤質(zhì)在線檢測(cè)儀器測(cè)試所得煤質(zhì)數(shù)據(jù)和機(jī)械采制煤樣采用傳統(tǒng)煤質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見表1。

表1 測(cè)試化驗(yàn)誤差分析

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，該煤質(zhì)在線檢測(cè)設(shè)備測(cè)試的皮帶煤流煤質(zhì)數(shù)據(jù)可以較好反應(yīng)真實(shí)煤質(zhì)，測(cè)試精度可滿足電廠日常指導(dǎo)配煤及鍋爐運(yùn)行。

3.2 煤流跟蹤

煤質(zhì)在線檢測(cè)設(shè)備獲取皮帶煤流的煤質(zhì)數(shù)據(jù)后，傳送到中央處理系統(tǒng)。中央處理系統(tǒng)從電廠SIS系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括每個(gè)時(shí)刻皮帶煤流煤量、各犁煤器開度信號(hào)、各給煤機(jī)給煤量，建立各煤倉(cāng)中全倉(cāng)實(shí)時(shí)煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，從而形成煤流跟蹤技術(shù)，用戶可獲取皮帶煤流煤質(zhì)數(shù)據(jù)以及給煤機(jī)煤流煤質(zhì)數(shù)據(jù)，如圖3～圖4所示。

圖3 皮帶煤流實(shí)時(shí)煤質(zhì)

圖4 煤倉(cāng)實(shí)時(shí)煤質(zhì)

3.3 實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算

使用煤質(zhì)在線檢測(cè)裝置，獲取皮帶煤流實(shí)時(shí)煤質(zhì)以及入爐燃燒實(shí)時(shí)煤質(zhì)后，可結(jié)合實(shí)時(shí)負(fù)荷、給煤量、排煙溫度、風(fēng)量、風(fēng)溫、排煙CO含量、飛灰及大渣可燃物含量等SIS系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前發(fā)電煤耗、環(huán)保設(shè)施成本、發(fā)電成本等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，可供電廠管理人員參考。

3.4 實(shí)時(shí)鍋爐運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整

獲取實(shí)時(shí)入爐燃燒煤質(zhì)數(shù)據(jù)之后，結(jié)合系統(tǒng)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，如機(jī)組負(fù)荷曲線、關(guān)鍵部位壁溫、減溫水開度等SIS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，給出鍋爐運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)，比如運(yùn)行氧量、磨煤機(jī)出口風(fēng)溫、分離器開度、減溫水開度、煙氣擋板開度等，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐運(yùn)行的實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整，可保證鍋爐隨入爐煤質(zhì)波動(dòng)及負(fù)荷波動(dòng)，一直運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

4 結(jié) 論

煤質(zhì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測(cè)試中鋼鐵、化工、電力等行業(yè)具有重要作用，本文以MDL-200型煤質(zhì)在線檢測(cè)裝置為例，介紹了其主要功能、特點(diǎn)及在某電廠的應(yīng)用。該煤質(zhì)在線檢測(cè)裝置的檢測(cè)精度可滿足電廠日常生產(chǎn)的需求，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)入爐煤皮帶煤流煤質(zhì)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)煤流跟蹤，掌握入爐燃燒煤炭煤質(zhì)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、實(shí)時(shí)鍋爐運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整，使鍋爐不受煤質(zhì)及負(fù)荷波動(dòng)影響，一直運(yùn)行在最佳狀態(tài)，為電廠帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。本文可為煤質(zhì)在線檢測(cè)裝置在其他電廠及其他行業(yè)的應(yīng)用提供參考。