CN112834484A - 一种燃煤电厂煤质成分在线快速测试的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃煤质量测量技术，旨在提供一种燃煤电厂煤质成分在线快速测试的方法及装置。包括：从燃煤电厂煤粉管道抽取煤粉，利用旋风分离器分离捕集煤粉颗粒，混匀后分为两部分；通过基于程序升温称重计量的工业分析，测量其中一部分煤粉的水分、灰分、挥发分和固定碳含量；通过基于激光诱导击穿光谱的元素分析，测量另一部分煤粉中C、H、O、N、S元素浓度；结合两种测量结果，计算获得燃煤热值。本发明可同时实现对燃煤水分、灰分、挥发分、固定碳含量及C、H、O、N、S元素浓度的测量，有利于实现对燃煤电厂的实时监测和运行参数调整；本发明能够获得更加准确可靠的燃煤热值计算结果，从而实现燃煤电厂连续在线的燃煤热值分析。
Description
技术领域
本发明涉及燃煤质量测量技术领域，尤其涉及一种燃煤智慧电厂的煤质成分在线快速测量。
背景技术
在燃煤电厂煤质评价指标中，煤的水分、灰分、挥发分、硫分、氮含量、热值是关键指标。其中，水分会影响燃煤热值和燃煤储存运输，挥发分影响锅炉的稳定燃烧，灰分不仅会对燃煤热值产生影响，也会影响锅炉的结渣、沾污、磨损情况等，煤中的硫分是燃煤电厂二氧化硫排放的主要来源，氮含量影响烟气中氮氧化物的排放，二者均会造成环境污染，燃煤热值会影响发电成本和锅炉效率。
目前对燃煤热值的测量方法主要有两种：
一种是直接利用煤的元素分析结果计算热值，通过对C、H、O、S等元素含量的测量对热值进行估算；但是由于煤中水分等的影响，单纯利用元素分析结果计算热值并不够准确。例如，中国发明专利申请CN 107389608 A公开了一种LIBS激光诱导光谱分析在煤质检测中的在线利用，提出了利用LIBS激光诱导光谱分析进行煤质检测，利用基于主元素的偏最小二乘回归(PCA-PLS)对得到的光谱数据进行分析建模，通过计算获得煤的碳含量、氢含量、硫含量、挥发分、热值等煤样参数。但是该方法仅能获取元素成分，挥发分、灰分则通过模型进行拟合，非直接测量，误差较大；另外，最重要的水分无法获取，所获取的元素成分无法折算到标准煤质分析要求的空干基、收到基、干燥无灰基等标准数值。
另一种是直接利用煤的工业分析结果计算热值，利用煤的工业分析结果计算热值需要对煤中的水分、灰分、挥发分进行测量，测量所需耗时长，且计算结果精度受煤种影响。
鉴于煤质评价指标的变化和波动直接影响着电厂的运行效率、安全性和经济效益，因此，对煤质进行实时在线测量分析在燃煤电厂中具有至关重要的作用，对煤的水分、灰分、挥发分、硫分、氮含量、热值等的快速准确测量具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种燃煤电厂煤质成分在线快速测试的方法及装置。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种燃煤电厂煤质成分在线快速测试的方法，包括以下步骤：
(1)从燃煤电厂煤粉管道抽取煤粉，利用旋风分离器分离捕集煤粉颗粒，混匀后分为两部分；
(2)通过基于程序升温称重计量的工业分析，测量其中一部分煤粉的水分、灰分、挥发分和固定碳含量；
(3)通过基于激光诱导击穿光谱LIBS的元素分析，测量另一部分煤粉中C、H、O、N、S元素浓度，分别表示为Car，LIBS，Har，LIBS，Oar，LIBS，Nar，LIBS，Sar，LIBS；
(4)结合步骤(2)的工业分析结果和步骤(3)的元素分析结果，计算获得燃煤热值。
本发明中，所述步骤(2)具体包括：
(2.1)称取初始质量m的煤粉置于炉体加热***中，将炉内温度控制在105～110℃，在干燥氮气流中干燥至质量恒定；获得煤样质量m1，计算出水分的质量分数，水分Mar＝(m-m1)/m*100；
(2.2)维持氮气气氛，将炉内温度升温至900±10℃，加热7min；获得煤样质量m2，计算得到挥发分的质量分数，挥发分Var＝(m1-m2)/m*100；
(2.3)维持氮气气氛，冷却至815±10℃，切换至空气气氛，在815±10℃温度下灼烧至质量恒定；根据剩余煤样质量m3计算出灰分的质量分数，灰分Aar＝m3/m*100；
(2.4)由初始质量m的煤粉所含水分、灰分、挥发分的质量分数，计算得到固定碳质量分数：固定碳FCar＝100-(Mar+Aar+Var)。
本发明中，所述步骤(3)具体包括：
(3.1)以机械液压压片机将煤粉压制成表面平滑的煤饼，置于元素分析测量***的旋转平台上；
(3.2)Nd：YAG固体激光器发出的激光束经过聚焦透镜的聚焦后，打在旋转状态的煤饼表面，生成等离子体；收光器收集等离子体在冷却和衰减过程中所发出的光信号，通过光纤传到光谱仪和探测器，并将处理得到的谱线信息传输到电脑；
(3.3)利用Matlab软件计算谱线峰面积积分，采取局部光谱归一化和等离子体温度补偿的光谱修正方法计算得到待测元素谱线强度；将待测元素谱线强度带入定标曲线方程，计算待测元素的浓度。
本发明中，所述步骤(3)中，对煤粉中C、H、O、N、S元素进行定性、定量分析时，以内标法进行数据处理以减弱基体效应，选取的内标元素为Si，元素C、H、O、N、S、Si采用的特征谱线如下所示：
C：193.09nm，247.856nm；H：656.272nm；O：747.908nm，729.631nm，407.7715nm；N：460.716nm，742.364nm；S：866.649nm，868.046nm，903.262nm，547.8194nm；Si：288.1579nm。
本发明中，所述步骤(4)中，采用门捷列夫发热量计算公式计算燃煤热值：
热值Qnet，ar＝339Car+1030Har-109(Oar-Sar)-25Mar
其中，Qnet，ar为煤的收到基低位发热量，Car＝Car，LIBS，
Sar＝Sar，LIBS，Nar＝Nar，LIBS，Oar＝100-Mar-Aar-Car-Har-Nar-Sar。
本发明进一步提供了用于实现前述方法的燃煤电厂煤质成分在线快速测试的装置，包括煤粉采集***、工业分析测量***和元素分析测量***；其中，
煤粉采集***包括用于搜集煤粉颗粒的旋风分离器和抽气泵，旋风分离器通过管路连接燃煤电厂煤粉管道和抽气泵，利用抽气泵从煤粉管道抽取到的煤粉气流通过管路进入旋风分离器进行气固分离；
工业分析测量***包括炉体加热***、程序控温***、气氛控制***、称重计量***和数据处理***；程序控温***通过电缆连接至炉体加热***中的电热加热器件，气氛控制***通过电缆连接至氮气管路和空气管路上的电控阀门；称重计量***通过信号线连接至电脑，以将称量数据传送给内置于电脑中的数据处理***；
元素分析测量***包括机械液压压片机、固体激光器、光谱仪、探测器、时序控制器，聚焦透镜和旋转平台；机械液压压片机用于将煤粉压制成表面平滑的煤饼；固体激光器发射的激光通过聚焦透镜后，对准置于旋转平台上的待测煤饼；朝向待测煤饼的收光器通过光纤连接光谱仪和探测器，后者通过信号线连接电脑；时序控制器通过信号线分别连接探测器和固体激光器，用于控制探测器和固体激光器的工作时序。
发明原理描述：
根据GB 212-2008《煤的工业分析方法》的规定，本发明中的基于程序升温称量计量的工业分析测量***，通过程序控温***和气氛控制***对炉体内的温度和气氛进行控制，利用称量计量***对煤粉的质量进行实时监测，通过调节炉内温度和气氛实现对煤粉的水分、灰分、挥发分、固定碳的测量计算。
激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy，简称LIBS)是一种用于元素定性和定量分析的原子发射光谱，可用于固态、液态、气态样品且可实现对多种元素的同步分析，对样本的预处理要求不高，且分析速度快。本发明基于激光诱导击穿光谱的元素分析测量***，采用激光与样品作用生成等离子体、检测等离子体冷却和衰减过程中发出的原子光谱信息，实现对样品中元素种类和含量的检测。可以结合内标法对得到的光谱进行分析，实现对煤饼中C、H、O、N、S元素的定性、定量分析。
利用基于程序升温称重计量的工业分析结合基于激光诱导击穿光谱的元素分析的煤质在线测量方法，既能实现对煤的水分、灰分、挥发分、固定碳含量及C、H、O、N、S等元素浓度的在线分析，也能快速计算获得燃煤热值，为智慧电厂的实现提供基础数据，以便实时调整电厂的运行参数，提高锅炉燃烧效率、控制污染物排放、提高电厂经济效益。
传统测量技术中，热重法没有办法直接获得热值的，只能采用离线的弹筒发热量测量方法，通氧气燃烧后测水温变化。一般的想法希望全部用光谱法，但是很难扣除水分、灰分中的H和O元素的干扰，传统热重法只能得到工业分析，比如水分、灰分、挥发分等宏观量。与现有技术不同的是，本发明可以实现在线实时测量，结合激光光谱法和热重法二者的长处。这样做的好处是，可以把慢速宏观变化小的热重法与快速检测的光谱法耦合，快速反应煤质变化和热值变化。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
1、利用本发明可同时实现对燃煤水分、灰分、挥发分、固定碳含量及C、H、O、N、S元素浓度的测量，有利于实现对燃煤电厂的实时监测和运行参数调整；
2、煤的工业分析结合基于激光诱导击穿光谱的元素分析的燃煤电厂煤质测量方法，既发挥了激光诱导击穿光谱的在线快速测量的优势，结合工业分析的结果，也使得燃煤热值计算结果更加准确可靠，从而实现燃煤电厂连续在线的燃煤热值分析。
附图说明
图1为本发明的测量***方法流程图；
图2为本发明的在线测量***示意图；
图3为本发明的基于激光诱导击穿光谱的元素分析测量***示意图；
图4为本发明的基于程序升温称量计量的工业分析测量***示意图；
附图标记：1-旋风分离器；2-抽气泵；3-机械液压压片机；4-元素分析测量***；5-工业分析测量***；6-Nd：YAG固体激光器；7-聚焦透镜；8-煤饼；9-旋转平台；10-收光器；11-光纤；12-光谱仪；13-时序控制器；14-探测器；15-电脑；16-程序控温***；17-气氛控制***；18-炉体加热***；19-称重计量***；20-数据处理***。
具体实施方式
首先需要说明的是，本发明涉及数据处理技术，例如数据处理***就是内置于电脑中的软件功能模块。本发明中的程序控温***和气氛控制***，可以是使用硬件零部件组装而成的控制设备，也可以是内置于电脑中的起到替代硬件控制作用的软件功能模块。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明。
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
图1为本发明的测量***方法流程图，包括以下步骤：
步骤101，从燃煤电厂煤粉管道抽取煤粉，利用旋风分离器分离收集煤粉样品；
步骤102，一部分收集到的煤粉样品送入基于程序升温称量计量的工业分析测量***；
步骤103，一部分收集到的煤粉样品送入基于激光诱导击穿光谱的元素分析测量***；
步骤104，利用基于程序升温称量计量的工业分析测量***，对煤粉的水分、灰分、挥发分、固定碳进行测量；
步骤105，利用基于激光诱导击穿光谱方法的元素分析测量***，结合内标法对煤饼中的C、H、O、N、S等元素进行定性、定量分析；
步骤106，结合热值计算经验公式对燃煤热值进行估算。
图2为本发明的在线测量***示意图，主要包括旋风分离器1、抽气泵2、机械液压压片机3、元素分析测量***4、工业分析测量***5。从燃煤电厂煤粉管道抽取的煤粉流经过旋风分离器1对煤粉进行捕集，收集到的煤粉一部分经过机械液压压片机3被压制成表面平滑的煤饼后，送往基于激光诱导击穿光谱的元素分析测量***4，对煤中元素进行定性、定量分析；另一部分煤粉被送往基于程序升温称量计量的工业分析测量***5进行工业分析，对煤粉的水分、灰分、挥发分、固定碳进行测量。
本发明的基于激光诱导击穿光谱的元素分析测量***主要包括机械液压压片机3和元素分析测量***4。图3为基于激光诱导击穿光谱方法的元素分析测量***，主要包括Nd：YAG固体激光器6、聚焦透镜7、煤饼8、旋转平台9、收光器10、光纤11、光谱仪12、时序控制器13、探测器14、电脑15。Nd：YAG固体激光器6发出的激光束经过聚焦透镜7的聚焦后，打在置于旋转平台9上的煤饼8表面生成等离子体，等离子体冷却和衰减过程中发出的光信号经过收光器10的收集，通过光纤11传到光谱仪12和探测器14，信号传输到电脑15进行处理。
本发明采用的基于激光诱导击穿光谱的元素分析测量***4中，机械液压制样压力控制在20-35MPa，保证样品的致密性；样品质量控制在2-10g，液压压片机模具为圆柱形模具；固体激光器6的能量控制在30-100mJ/脉冲之间，既保证得到强度较高的原子谱线，又能尽可能避免等离子体屏蔽效应；固体激光器6的脉冲频率1-10Hz，输出波长为532nm或355nm，532nm和355nm激光既具有较高的光子能量，也具有较强的电离作用；激光聚焦点位置位于煤饼8表面以下1-3mm，以提高测量重复性；光谱仪12的延迟时间控制在激光脉冲之后的0.5-2μs，可以得到较好的信噪比；光谱仪12的测量范围在191-950nm，可以实现对元素C、H、O、N、S的同时检测；在氩气或氦气气氛下进行测量，有利于减小光谱信号波动；旋转平台9旋转速度控制在1-5rpm，避免激光重复击打在样品表面同一点。
本发明对煤饼中的C、H、O、N、S元素进行定性、定量分析时，选取内标法进行数据处理以减弱基体效应，选取的内标元素为Si，元素C、H、O、N、S、Si采用的特征谱线如表1所示。
表1
| 元素 | 特征谱线(nm) |
| C | 193.09，247.856 |
| H | 656.272 |
| O | 747.908，729.631，407.7715 |
| N | 460.716nm，742.364nm |
| S | 866.649，868.046，903.262，547.8194 |
| Si | 288.1579 |
本发明利用Matlab软件计算谱线峰面积积分，采取局部光谱归一化和等离子体温度补偿的光谱修正方法，计算得到待测元素谱线强度。对C、H、O、N、S元素进行定量分析时，首先利用已知待测元素浓度的样品，以待测元素浓度为横坐标，待测元素与Si元素谱线强度比为纵坐标，建立待测元素浓度与谱线强度比之间的定标曲线方程。获得定标曲线方程后，利用元素分析测量***4对未知浓度的待测样品进行检测，将待测元素谱线强度带入定标曲线方程，可以实现对待测元素浓度的计算。测得的C、H、O、N、S元素浓度，分别表示为Car，LIBS，Har，LIBS，Oar，LIBS，Nar，LIBS，Sar，LIBS。
图4为本发明的基于程序升温称量计量的工业分析测量***示意图，主要包括程序控温***16、气氛控制***17、炉体加热***18、称重计量***19、数据处理***20。煤粉置于炉体加热***18中，通过程序控温***16调节炉体温度，通过气氛控制***17调节炉内气氛，对煤粉进行加热，利用称重计量***19对煤粉质量进行实时测量，数据输入到内置于电脑中的数据处理***20中。
本发明采用的基于程序升温称量计量的工业分析测量***中，煤的工业分析方法为：称取质量m的煤粉置于炉体加热***18中，通过气氛控制***17预先通入干燥氮气，并利用程序控温***16将炉内温度控制在105-110℃，在干燥氮气流中干燥至恒定质量m1，根据煤样的质量损失m-m1计算出水分的质量分数；维持氮气气氛，将炉内温度升温至900±10℃，加热7min；获得煤样质量m2，根据质量损失m1-m2计算得到挥发分的质量分数；维持氮气气氛，冷却至815±10℃，切换至空气气氛，在815±10℃温度下灼烧至恒定质量m3，计算得到灰分的质量分数；最后基于质量平衡计算得到固定碳的质量分数。
水分：Mar＝(m-m1)/m*100
挥发分：Var＝(m1-m2)/m*100
灰分：Aar＝m3/m*100
固定碳：FCar＝100-(Mar+Aar+Var)
其中Mar，Aar，Var，FCar分别为煤样的水分、灰分、挥发分和固定碳的质量分数，m为相对应的煤粉初始质量。固定碳质量分数FCar由水分、灰分、挥发分的质量分数计算得到。
本发明所述的燃煤热值计算经验公式选用门捷列夫热值计算经验公式，利用基于激光诱导击穿光谱的元素分析测量***得到C、H、O、N、S元素浓度，以及基于程序升温称量计量的工业分析测量***得到的煤水分含量Mar，作为公式的输入值计算得到燃煤热值。
热值Qnet，ar＝339Car+1030Har-109(Oar-Sar)-25Mar
其中，Qnet，ar为煤的收到基低位发热量，Car＝Car，LIBS，
Sar＝Sar，LIBS，Nar＝Nar，LIBS，Oar＝100-Mar-Aar-Car-Har-Nar-Sar。
本发明的优点在于同时结合了煤的工业分析结果和煤中C、H、O、N、S等元素分析结果，既能快速获得燃煤热值，也提高了燃煤热值测量的重复性和精确度；通过基于激光诱导击穿光谱的元素分析测量***和基于程序升温称量计量的工业分析测量***，实现了对煤的水分、灰分、挥发分、硫分、氮含量、热值等的快速测量，为智慧电厂的实现提供了基础数据。
因此，本发明提出结合煤的程序升温法工业分析和LIBS元素分析两种方法，利用元素分析准确获取煤中C、H、O、N、S等元素含量，结合工业分析获得的准确水分、灰分，扣除水分和灰分影响后，可对所测元素测量结果进行修正，获得干燥无灰基准确数据，获得较为准确的热值，工业分析结果也与国标要求的煤质分析保持一致。
以上描述解释了本发明的主要原理、基本特征和其优点，不能以此限定本发明实施的范围。上述说明书中描述的只是本发明的原理和特征，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有诸多的变化与改进，这些都在保护范围内。
Claims (6)
1.一种燃煤电厂煤质成分在线快速测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)从燃煤电厂煤粉管道抽取煤粉，利用旋风分离器分离捕集煤粉颗粒，混匀后分为两部分；
(2)通过基于程序升温称重计量的工业分析，测量其中一部分煤粉的水分、灰分、挥发分和固定碳含量；
(3)通过基于激光诱导击穿光谱的元素分析，测量另一部分煤粉中C、H、O、N、S元素浓度，分别表示为Car，LIBS，Har，LIBS，Oar，LIBS，Nar，LIBS，Sar，LIBS；
(4)结合步骤(2)的工业分析结果和步骤(3)的元素分析结果，计算获得燃煤热值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：
(2.1)称取初始质量m的煤粉置于炉体加热***中，将炉内温度控制在105～110℃，在干燥氮气流中干燥至质量恒定；获得煤样质量m1，计算出水分的质量分数，水分Mar＝(m-m1)/m*100；
(2.2)维持氮气气氛，将炉内温度升温至900±10℃，加热7min；获得煤样质量m2，计算得到挥发分的质量分数，挥发分Var＝(m1-m2)/m*100；
(2.3)维持氮气气氛，冷却至815±10℃；切换至空气气氛，在815±10℃温度下灼烧至质量恒定；根据剩余煤样质量m3计算出灰分的质量分数，灰分Aar＝m3/m*100；
(2.4)由初始质量m的煤粉所含水分、灰分、挥发分的质量分数，计算得到固定碳质量分数：固定碳FCar＝100-(Mar+Aar+Var)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：
(3.1)以机械液压压片机将煤粉压制成表面平滑的煤饼，置于元素分析测量***的旋转平台上；
(3.2)Nd：YAG固体激光器发出的激光束经过聚焦透镜的聚焦后，打在旋转状态的煤饼表面，生成等离子体；收光器收集等离子体在冷却和衰减过程中所发出的光信号，通过光纤传到光谱仪和探测器，并将处理得到的谱线信息传输到电脑；
(3.3)利用Matlab软件计算谱线峰面积积分，采取局部光谱归一化和等离子体温度补偿的光谱修正方法计算得到待测元素谱线强度；将待测元素谱线强度带入定标曲线方程，计算待测元素的浓度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，对煤粉中C、H、O、N、S元素进行定性、定量分析时，以内标法进行数据处理以减弱基体效应，选取的内标元素为Si，元素C、H、O、N、S、Si采用的特征谱线如下所示：
C：193.09nm，247.856nm；H：656.272nm；O：747.908nm，729.631nm，407.7715nm；N：460.716nm，742.364nm；S：866.649nm，868.046nm，903.262nm，547.8194nm；Si：288.1579nm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，采用门捷列夫发热量计算公式计算燃煤热值：
热值Qnet，ar＝339Car+1030Har-109(Oar-Sar)-25Mar
其中，Qnet，ar为煤的收到基低位发热量，car＝Car，LIBS，
Sar＝Sar，LIBS，Nar＝Nar，LIBS，Oar＝100-Mar-Aar-Car-Har-Nar-Sar。
6.一种用于实现权利要求1所述方法的燃煤电厂煤质成分在线快速测试的装置，其特征在于，包括煤粉采集***、工业分析测量***和元素分析测量***；其中，
煤粉采集***包括用于搜集煤粉颗粒的旋风分离器和抽气泵，旋风分离器通过管路连接燃煤电厂煤粉管道和抽气泵，利用抽气泵从煤粉管道抽取到的煤粉气流通过管路进入旋风分离器进行气固分离；
工业分析测量***包括炉体加热***、程序控温***、气氛控制***、称重计量***和数据处理***；程序控温***通过电缆连接至炉体加热***中的电热加热器件，气氛控制***通过电缆连接至氮气管路和空气管路上的电控阀门；称重计量***通过信号线连接至电脑，将称量数据传送给内置于电脑中的数据处理***；
元素分析测量***包括机械液压压片机、固体激光器、光谱仪、探测器、时序控制器、聚焦透镜和旋转平台；机械液压压片机用于将煤粉压制成表面平滑的煤饼；固体激光器发射的激光通过聚焦透镜后，对准置于旋转平台上的待测煤饼；朝向待测煤饼的收光器通过光纤连接光谱仪和探测器，后者通过信号线连接电脑；时序控制器通过信号线分别连接探测器和固体激光器，用于控制探测器和固体激光器的工作时序。
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