便携式煤质分析解析 仪的分析解析 跟设计文档.docx
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便携式煤质分析解析仪的分析解析跟设计文档
摘要
由于现在不法分子对煤质掺假的各种手法与各个需及时测得煤质的地方的需求,因此及时而又准确的检测煤质既是众多用煤大户急需解决的问题,也是众多工业仪器制造厂家能否立足于竞争市场的一个关键因素。
但当前便携式煤质灰分分析仪的测试不便、低精度与辐射危害性,对企业的生产造成了很大的影响。
经过查阅大量国内外文献,发现目前市面上的便携式煤质分析仪大多利用γ射线、红外光谱分析、激光感生等新的测试方法,虽然测试时间短,但在测试原理上仍不成熟,测试结果不稳定、波动大,可靠性差,还有辐射危害;而传统煤质检测技术,如热分析技术,虽然能保证测试精度,但测试时间长,且此类仪器大多体积庞大,不便携带。
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二二壹五八玖一壹五一
为了保证测试结果的稳定性和准确性,本论文所研究的仪器采用应用最广的热重分析技术。
在快速检测上,提出了一种基于国家标准GB/T212-2008的简化测试工艺方案;省却降温时段,在815
℃条件下进行试样称量,简化测试步骤。
其次,为了提高多试样检测效率,根据煤质热解特性和GB/T212-2008标准,提出了一种新型煤质分析仪设计方案,其加热炉膛为单炉膛结构,可能够实现多试样的同时检测;由于传统加热炉采用的是电阻丝加热,升温时间长和能源成本高,不便与快速测试,因此本文采用磁控管微波加热,以减少升温时间和加热时间。
文章最后就新型便携式煤质快速分析仪器的架构设计和工艺流程作了详细的阐述和详细说明。
本论文的意义在于提出了一种不同于现在市面上有的新型便携式快速分析仪器的设计方案。
由于煤质工业分析的复杂性,本论文选灰分做为测试煤质的重要参数。
关键词:
便携性;微波加热;热重分析;架构设计
ABSTRACT
Nowduetoillegalcoaladulteratedvariousmeansandeachneedtimelymeasuredcoalplaceneedstimelyandaccuratedetection,somanylargecoalcoalqualityistheurgentproblemneededtobesolved,butalsomanyindustrialequipmentmanufacturerscanbebasedoncompetitivemarketakeyfactor.Butthecurrentportablecoalashanalyzertestinconvenienceandsafety,totheproductionoftheenterprisehaveagreatimpacton.Afterconsultingalargenumberofdomesticandforeignliterature,foundthatthecurrentmarketofportablecoalqualityanalyzerareusinggammaray,infraredspectrumanalysis,laserinducedandnewtestingmethods,althoughthetesttimeisshort,butinthetestprincipleisstillnotmature,thetestresultsnotstable,fluctuation,poorreliability,andradiationhazards;andtraditionalcoalqualitydetectiontechnology,suchasthermalanalysistechnology,althoughcanensuretheprecision,butthelongtestingtime,andsuchinstrumentsarebulky,inconvenienttocarry.
Inordertoensurethestabilityandaccuracyofthetestresults,thepaperstudiesontheinstrumentusingthemostwidelyusedthermogravimetricanalysistechnique.Intherapiddetectionof,proposedonekindbasedonthenationalstandardGB/T212-2008simplifythetestingprocess;savecoolingslots,athigherthanroomtemperatureundertheconditionsoftheweighing,simplifiedtestprocedure.Secondly,inordertoimprovetheefficiencyofmultiplesamples,accordingtothecoalpyrolysischaracteristicsandGB/T212-2008standard,putforwardakindofnewtypecoalqualityanalyzerdesign,theheatingfurnaceisasinglehearthstructure,canrealizethemultisamplewhiletesting;andduetothetraditionalheatingfurnaceusingresistancewireheating,ashingtimeislongandthecostofenergyhigh,sothispaper,microwaveheating,reducetheheatingtimeandheatingtime.
Finally,newportablecoalrapidanalysisofthearchitecturedesignandprocessoftheinstrumentgaveadetailedexpositionanddetailedinstructions.
Thesignificanceofthispaperistoproposethedesignofanewportablerapidanalyticalinstruments.Duetothecomplexityoftheanalysisofthecoalindustry,TheSelectedPapersoftheashasanimportantparameterofthetestcoal.
Thesignificanceofthispaperistoproposeanewportablefastanalyticalinstrumentdesign.Asaresultofcoalproximateanalysiscomplexity,thispaperselectedashasimportantparameterstestofcoal.
Keywords:
portability;microwaveheating;thermogravimetricanalysis;architecturedesign
引言
煤是我国现阶段的主要能源之一,是冶金、电力、化工等行业的主要燃料,
为提高生产效率,如何高效的进行煤炭检测是相关企业普遍关注的问题。
随着现代工业化的快速进程,对煤的需求量不断增长,统计数据显示,2011年1-11月,全国煤炭产量累计34.62亿吨,同比增长11.6%,2012年可能破37.9亿吨。
而另一方面,煤(焦)质分析的快速性、准确性和安全性并不能满足生产的需要。
由于检测时间过长,煤的质量指标常常需要第二天才能反馈到用煤部门,严重影响了后续工艺的安排,甚至可能产生严重事故。
目前国内仍然有不少煤炭企业利用汽车运输的方式从煤矿把商品煤拉运到集装站后,再通过火车运输到达港口或直接到达销售用户,但就是在煤矿到集装站的运输过程中,由于在利益的驱使下,存在部分承运商对汽车上站煤在运输中途进行换煤或掺假的现象,即把好煤全部卸下或卸下一部分,然后换为劣质煤或掺入劣质煤以牟取暴利。
目前换煤或掺假煤用煤泥水处理后短时间内很难发现,而过一段时间后上站煤与大煤堆混合,即使发现换煤或掺假,也根本找不出作假车辆,故不能有效进行处理。
针对上述情况,为有效控制上站煤运输过程中的换煤作假现象,确保上站煤质量,各集装站台应配备了1至2台便携式快速煤质分析仪,测试煤质的灰分以确保煤的质量。
早在20世纪60年代,世界各主要产煤国就先后开始研究煤质快速测灰技术。
特别是近20年来,煤质监测技术(包括在线技术)的研究取得了突破性进展,并已在工业领域得到广泛应用。
国内外目前针对于煤炭、焦炭的灰分的分析仪器主要包括三类:
一是基于γ射线的工业分析仪,此类仪器都是采用γ射线或者双能γ射线来探测煤的灰分含量。
目前国内的便携式煤质分析仪几乎都是采用这种技术,如HB-YTYMF-6000型和M284361。
其缺点是:
放射性大,对分析人员的身体构成严重威胁,而且,这类方法的分析精度与煤种及测试煤层厚度有很大相关性,精度波动较大。
基于瞬发伽玛中子活化分析法PGNAA(Promptγ-rayNeutronActivationAnalysis)的投资大,技术复杂,不易标定。
此类技术是目前市面上的便携式煤质分析仪利用最广的技术。
二是基于热分析技术的煤质分析仪,这也是当前国内外研究的一个重点。
目前国内的此类仪器都是基于国家标准GB/212-2008而研制的,其缺点仪器操作过于复杂,检测时间长,对于多个试样的检测,特别是挥发分的检测,需要循环的进行测试,效率低,检测速度慢。
三是基于红外光谱的分析技术和激光感生技术,在煤质分析应用方面,目前仍停留在研究阶段,且其对煤种及煤种颗粒大小、颗粒密实程度有很大的要求。
是基于γ射线的工业分析仪,此类仪器都是采用γ射线或者双能γ射线来探测煤的灰分含量。
目前国内的便携式煤质分析仪几乎都是采用这种技术,如HB-YTYMF-6000型和M284361。
其缺点是:
放射性大,对分析人员的身体构成严重威胁,而且,这类方法的分析精度与煤种及测试煤层厚度有很大相关性,精度波动较大。
基于瞬发伽玛中子活化分析法PGNAA(Promptγ-rayNeutronActivationAnalysis)的投资大,技术复杂,不易标定。
此类技术是目前市面上的便携式煤质分析仪利用最广的技术。
从以上叙述可以看出,实现煤质在规范精度下的便携式快速准确并且安全的检测是一个非常复杂的问题。
本文从便携式煤质分析仪的机构设计着手进行探讨和研究。
文章首先通过分析前人研究的结果及其实验数据,总结了煤质热解的相关特性。
同时,通过基于热分析技术的具体实验数据分析,得出保证精度条件下可以通过简化测试程序来缩短检测时间的结论。
在结构设计上,本文所研究的便携式煤质灰分快速分析仪器采用热分析技术,其炉膛为单炉膛结构,每个称重杆下都连有一个称重传感器。
本文所设计的煤质快速分析仪器的主要工艺流程为:
升温至815
15℃后加热至样品重量恒定。
通过本文的阐述,作者在以下方面取得了突破。
首先,采用微波加热,减少升温时间,省却降温时段,简化测试步骤,从而能够缩短整个测试时间。
其次,通过新的仪器结构设计,使得多试样能够同时测试,并且可同时全程监控样件质量,大大缩短多试样测试时间,并且大大的减少炉膛的体积。
本文中提出的便携式煤质分析仪可提高煤质检测的速度与检测的范围,加快燃料环节的运行效率,提高煤的品质监控,这不仅具有可观的经济效益,也具有良好的社会效益。
第一章绪论
煤碳的工业分析是煤炭在勘探、开采、洗选、供销、加工和利用过程中对煤质进行分类、计质和计价的重要依据。
工业上通常通过对煤的工业分析对煤质进行评价,可以为改善锅炉等用煤设备的设计、运行经济性提供重要的参考;而灰分是工业分析中的重要参数,是煤的质量的重要指标,故本文选取煤的灰分作为仪器测试的参数指标。
1.1煤质分析技术的发展动态
早在60年代,世界各主要产煤国就先后开始了快速测灰技术的研究。
特别是近20年来,煤质监测技术(包括在线技术)的研究取得了突破性进展,并已在工业领域得到广泛应用。
1.1.1基于γ射线灰分监测技术
目前,世界上已开发出的测灰仪(包括在线)几乎都采用放射性同位素测量方法。
根据被检测γ射线的生成方式,可分为以下几种方法:
①、γ射线反散射法;
②、双能γ射线透射法;③、瞬发伽玛中子活化分析法(PGNAA);④、天然γ射线法。
1.1.1.1γ射线反散射法,主要用于离线监测
γ射线反散射法的原理是,照射到被测物体表面的低能γ射线,在物体内经
多次反散射后而反射出。
而其强度随被测物体组成成分原子系数的变化而有较大
变化。
煤可以看作由可燃物和非可燃物两部分组成。
其中,可燃物主要是碳、氢、
氧、氮、硫等,平均原子系数约为6;非可燃物成分主要是硅、铝、钙、镁、铁
等,平均原子系数约13。
这样,当煤的灰分变化时,就必然引起其平均原子系数变化。
因此,通过测量反射γ射线强度就可确定煤中灰分多少。
其缺陷是:
放射性,危害操作人员,测量结果不稳定,波动大,一般只用作
定性分析。
1.1.1.2双能γ射线透射法,主要用于在线监测
这种方法采用的低能射源是241Am,高能射源是137Cs。
低能γ射线的透射强度取决于煤的灰分和面积质量(即煤层的松散度和荷重);而高能γ射线的透射强度主要取决于透射煤层的面积质量。
其中高能γ射线测量用来克服胶带运输机上煤量变化对测灰的影响。
其缺点是,由于低能γ射线的反散射和透射对重元素尤为敏感,其测量精度
受煤炭中重成灰矿物(主要是铁)含量波动的影响很大,制约了测量精度的提高,
一般只用作定性分析。
1.1.1.3天然γ射线法
由于与煤共生的矿物质含少量的铀、钍和钾等元素,而这些元素有天然的γ
射线辐射。
在特定地层中,这些元素在矿物质中有恒定含量。
通过测量天然γ射
线的辐射强度以及物质质量就可以确定煤的灰分。
英国、澳大利亚、波兰等先后
开展了采用天然γ射线进行测灰技术的研究,并已达到工业应用。
天然γ射线测灰仪缺点是,只适用于矿物质中含放射性物质较高的煤灰测量,测量精度约为2%。
1.1.1.4瞬发伽玛中子活化分析法(PGNAA)
这是80年代初发展起来的一种先进的煤质元素分析技术。
工作原理是,以原子吸收一个中子后的反应为基础,当不同的原子吸收一个中子后,放射出特定能量和强度的γ射线。
并通过探测器检测这些γ射线进而确定各种元素的量,包括矿物质和可燃物化学组成的元素量。
也就可以计算出煤的灰分、水分、硫分和发热量。
其缺点是,该法技术复杂,投资大,且不易标定。
1.1.2我国煤质检测技术的发展
在我国,煤质检测技术还很落后,与产煤大国地位不相配,不能满足煤炭工
业发展需要,许多企业的检测设备选用昂贵的国外产品。
目前,对于煤质工业分
析仪器,国内的研究方法主要集中在基于γ射线的分析仪研究、激光感生光谱研
究、热分析技术。
而热分析技术具有稳定性高和可大批量测样等特点,采用快速
法,可用于单次测定和批量测定,同时具有自动化程度高,分析快速等特点。
而便携性煤质分析仪大都数用得是γ射线技术。
1.2热分析技术
热分析是用以描述物质相变的最重要的手段之一。
热分析技术是研究物质在
加热或冷却过程中产生某些物理变化和化学变化的技术。
根据国际热分析联
合会ICTAC命名委员会对“热分析”的定义为:
“在程控温度下,测量物质与温度关系的一类技术”。
根据ICTAC的定义,热分析技术必须满足三个条件:
一为测量物质的某种物理性质;二为测量的物理量可直接或间接表示为温度的关系;三为被测量的物理量在程控温度下测定。
1.2.1热分析技术的发展历程
热分析技术的方法较多,比如:
差热分析DTA(DifferentialThermal
Analysis)是在程控温度下,测量物质和参比物之间的温度差与温度关系的技术;
差示扫描量热法DSC(DifferentialScanningCalorimetry)是在程控温度下,
测量输入到物质和参比物之间的功率差与温度关系的技术;热重分析TGA
(ThermogravimetryAnalysis)是在程控温度下,测量物质的质量与温度关系的
技术。
其它尚有热膨胀法、热电学法、热光学法、热发声法、热磁法、导数热重
量分析、热机械分析、质谱差示分析等等。
热分析技术的发展历史悠久,早在古埃及时代就已有热重法的雏形,真正将物理变化与热联系起来,还是在1780年英国Higgins在实验室加热石灰过程中第一次用天平测量其重量变化开始,到1786年英国Wedgnood在研究粘土时测得了第一条热重曲线,1887年LeChatelier提出差热分析,至今热分析技术已广泛应用于物理、化学、石油、化工、建材、橡胶、塑料、生化、高分子合成、食品、地球化学等领域,形成了一门独立的学科。
1.2.2热分析技术在煤质分析中的应用
热分析技术在煤质分析中的应用最多的是用热重分析法来进行煤的工业分
析。
煤的工业分析,又叫煤的技术分析或实用分析,是评价煤质的基本依据。
在
国家标准中,煤的工业分析包括煤的水分、灰分、挥发分和固定碳等指标的测定。
通常煤的水分、灰分、挥发分是直接测出的,而固定碳是用差减法计算出来的。
利用热重分析测定煤的工业分析流程是先测水分后测挥发分最后测灰分,国内外的仪器均如此,差异在于加热温度和升温速率。
按照中国的国标GB/T212-2008,煤样在氮气气氛中加热至110℃左右并且加热至恒重测定水分,然后在氮气气氛中升温至900℃左右并且保持7分钟测挥发分,最后降温至815℃并且通入氧气加热至恒重测定灰分。
根据测定结果可以计算出固定碳。
按照美国的ASTM标准,煤样在氮气气氛中加热至106℃左右并且加热至恒重测定水分,然后在氮气气氛中升温至950℃左右并且保持7分钟测挥发分,最后降温至750℃并且通入氧气加热至恒重测定灰分。
本文中主要利用国标GB/T212-2008,测定煤的灰分。
目前,国内采用热分析技术来研制煤质分析仪器的厂家多达几十家。
如长沙
开元、长沙友欣、三德实业、鹤壁华泰、青岛胜方、鸡西智龙及南京电力环境保
护科学研究所等等。
1.3基于热分析技术的仪器的基本结构
目前,市面上基于热分析技术的煤质分析仪器,其结构形式主要有两类:
1、
双炉膛,单试样轮流测试;2、多段温度区,单试样轮流测试。
对应的基本工艺流程是:
1、水分同时测试→挥发分轮流测试→循环挥发分
测试→灰分同时测试(见图1.1,工艺流程1);2、单试样水分测试→单试样
挥发分测试→单试样灰分测试→循环试样(见图1.2,工艺流程2)。
这类仪器的缺点是,对于多试样测试,时间长,速度慢,而且这类仪器的开
发维护费用高,技术扩展性差,数据检测精度低。
图1.3是一种快速灰分测定仪,1为管式电炉,2是传送带,3是控制仪对应的工艺流程是:
样品放于一端,由传送带带入电炉中灰化,当从另一端出来时样品已经灰化完。
仪器的缺点:
自动化程度低,操作复杂,只能测试单件。
图1.4是一种其加热炉膛为双炉膛一体结构,由测试水分的下炉体和测试挥发分灰分的上炉体组成,能够实现多试样全过程的同时检测的煤质分析仪。
仪器的缺点是:
体积大,不便携带,而且这类仪器的开发维护费用高。
1.4基于γ射线分析技术仪器的基本结构
图1.5是目前市面上最常见的便携式煤质分析仪样式,它利用同位素技术和微波技术测试煤的灰分与热量;优点:
测试时间短,体积小。
仪器的缺点:
有辐射,对人体有辐射伤害,严重影响了操作人员的身体健康。
这类仪器的分析精度与煤种及测试煤层厚度有很大相关性,精度波动较大。
1.5本章小结
本章首先对现有的煤质分析用的技术做了详细的介绍,并指出其优缺点。
通过分析,可以看出基于γ射线的测试方法均对人体有辐射伤害,严重影响了操作人员的身体健康。
且这类测试方法的测试精度与煤种及测试煤层厚度有很大相关性,精度波动较大。
基于瞬发伽玛中子活化分析法(PGNAA)的投资大,技术复杂,不易标定。
采用热分析技术的测试是研究的一个重点,但目前采用热分析技术的仪器测试时间过长,特别是多试样检测时。
第二节介绍了热分析技术的概念,并就其在煤质分析技术中的应用做了概述。
第三节介绍了当前基于热分析技术仪器的基本结构并指出其缺点。
第四节介绍了当前便携式煤质分析仪的基本样例,并指出其缺点。
第二章煤质灰分分析的理论与实验
本文中,煤质的灰分分析方法利用的是国标GB/T212-2008,该国标为煤的工业分析标准。
煤的工业分析也叫技术分析和实用分析,通常包括水分、灰分、挥发分和固定碳四项。
工业分析是一切工业用煤的基础资料,也是了解和研究煤质的最基本的特性参数,特别是水分、灰分、挥发分。
灰分做为煤质量的最重要的参数,本文中取其为测试标准参数。
2.1煤中矿物质和煤的灰分及其重要性
煤中矿物质是除水分外所有无机物质的总称。
主要成分一般有黏土、高岭石、
黄铁矿、方解石等。
煤的灰分(ash)是指煤中所有可燃物质完全燃烧时,煤中
矿物质在一定温度下经过一系列分解、化合等剩下的残渣(A%),灰分是煤在规
定操作下的变化产物,由氧化物和相应的盐类组成,既不是煤中固有的,更不能
看成是矿物质的含量,称为灰分产率更确切。
煤在作为燃料或加工转化的原料时,
几乎都是利用煤中的有机质。
煤中矿物质一般有三个来源:
原生矿物质、次生矿物质和外来矿物质。
煤高
温燃烧时,大部分矿物质发生多种化学反应,与未发生变化的那部分矿物质一起
转变成灰分。
煤灰分主要是由金属和非金属的氧化物和盐类组成,在工业生产中,
煤灰是指煤用作锅炉燃料和气化原料时得到的大量灰渣。
灰分的影响:
①、影响燃烧过程,随着灰分的增加,着火速度推迟,燃烧温
度下降,熄火温度上升,燃烧稳定性下降。
②、影响锅炉热损失的大小,随着灰
分的增加,锅炉的机械不完全燃烧损失,飞灰和炉渣带走的物理热损失、排烟热
损失等将增加。
③、影响排灰量的多寡,随着灰分的增高,除尘设备和排渣设备
的能力、储灰场容量均需增加。
④、影响锅炉热效率,随着灰分的增加,锅炉热
效率下降,特别是当灰分超过40%时,热效率与灰分将以反比线性关系急剧下降。
⑤、影响安全运行,随着灰分的增高,备煤系统等相关设施的部件磨损将大幅增加、管路腐蚀加剧,从而造成安全隐患。
2.2基于煤质热解特性的分析仪升温速率的探讨
2.2.1同一升温速率下的热解特性分析
煤
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