[發(fā)明專利]測(cè)定煤灰含碳量的方法及裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210198332.6
• 申請(qǐng)日: 2012-06-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102680436A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-09-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張雷;胡志裕;尹王保;馬維光;董磊;賈鎖堂
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山西大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01N21/63
• 分類(lèi)號(hào): G01N21/63
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務(wù)所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光譜分析與檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種測(cè)定煤灰含碳量的方法及裝置。

背景技術(shù)

大型燃煤電廠鍋爐的經(jīng)濟(jì)性一直是電廠運(yùn)行和設(shè)計(jì)人員關(guān)心的重要問(wèn)題，煤灰是指燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣夾帶的細(xì)小塵粒。煤灰含碳量是衡量火電廠鍋爐燃燒效率和機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。碳含量過(guò)高反映了鍋爐風(fēng)煤配比不合理和燃燒不完全，降低鍋爐的熱效率，也增大了鍋爐受熱面的磨損；同時(shí)增加了發(fā)電成本和固體顆粒排放量；另外，會(huì)造成煤灰的細(xì)度，燒失量，需水量比明顯增加，降低了粉煤灰的商品級(jí)別。太低則說(shuō)明空氣過(guò)剩，大量的熱能通過(guò)煙道排出，同樣會(huì)降低鍋爐效率，增加氮氧化物排放量。但影響燃煤鍋爐煤灰含碳量的因素多而且復(fù)雜，受到如鍋爐燃用煤種、設(shè)計(jì)安裝水平、鍋爐運(yùn)行操作水平等多種因素的影響，很難采用簡(jiǎn)單的公式進(jìn)行估算，往往需采用實(shí)爐測(cè)試方法加以確定并摸索降低煤灰含碳量的運(yùn)行方法。因此，對(duì)煤灰中碳元素進(jìn)行在線檢測(cè)，利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并優(yōu)化調(diào)整鍋爐燃燒和制粉系統(tǒng)參數(shù)，使機(jī)組始終處運(yùn)行在最佳狀態(tài)。所以煤灰含碳量的在線檢測(cè)對(duì)電廠機(jī)組的安全運(yùn)行，公司的經(jīng)濟(jì)效益及生態(tài)環(huán)境都有著相當(dāng)大的影響。

為了優(yōu)化鍋爐燃燒，提高燃料的利用率，降低發(fā)電煤耗，首先必須有良好的監(jiān)測(cè)手段。傳統(tǒng)的煤灰含碳量在線檢測(cè)方法主要有灼燒失重法、微波檢測(cè)法和瞬發(fā)中子活化法（PGNAA）等。其中，灼燒失重法發(fā)展較早，技術(shù)成熟，通過(guò)對(duì)灼燒前后所稱得的重量損失信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，得到灰樣的含碳量，具有精度高、樣品用量少等優(yōu)點(diǎn)，但由于需要加熱和稱重等過(guò)程，對(duì)灰樣的代表性要求高、分析滯后，難以快速反映鍋爐燃燒工況；微波檢測(cè)法根據(jù)煤灰中未燃盡的碳對(duì)微波能量的吸收特性，可實(shí)時(shí)分析確定煤灰中的含碳量，無(wú)污染，但其受灰樣多少和煤種變化的影響，而且需要經(jīng)常進(jìn)行定標(biāo)；中子活化法根據(jù)灰樣受中子作用后輻射的特征伽馬射線強(qiáng)度來(lái)確定碳元素的含量，分析迅速，結(jié)果精確，但其檢測(cè)結(jié)果易受煤中高原子序數(shù)元素（例如鐵）含量波動(dòng)影響，而且放射源的保養(yǎng)及日常維護(hù)難度較高，安全隱患大，有一定的輻射污染，并且價(jià)格昂貴。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）是一種全新的物質(zhì)元素分析方法，激光誘導(dǎo)擊穿光譜法是基于脈沖激光技術(shù)，將一束高能量的激光聚焦到待分析的物質(zhì)的表面，將聚焦處部分物質(zhì)燒蝕后產(chǎn)生高溫等離子體，等離子體溫度上升至幾千度，產(chǎn)生更多的帶電離子。等離子體中各元素的電離線形成連續(xù)背景譜線，該過(guò)程需要幾百納秒；之后形成等離子體中各元素的原子發(fā)射譜線，原子發(fā)射譜線包含了各元素的特征信息，不同的元素對(duì)應(yīng)各自的原子發(fā)射譜線，譜線強(qiáng)度與元素濃度近似成正比，該過(guò)程持續(xù)幾微秒，是進(jìn)行元素定性分析特別是定量分析的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)分析各譜線之間的強(qiáng)度之比即可定量分析出樣品中各元素的相對(duì)含量。該方法應(yīng)用于煤灰含碳量的測(cè)定具有分析速度快、安裝簡(jiǎn)易、無(wú)需樣品預(yù)處理和多種元素同時(shí)分析等優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)的研究進(jìn)展：日本三菱重工的長(zhǎng)崎研發(fā)中心通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M，在高溫高壓條件下進(jìn)行LIBS試驗(yàn)，對(duì)溫度和氣壓等條件進(jìn)行了修正，證實(shí)了LIBS用于工業(yè)環(huán)境中進(jìn)行煤灰碳元素檢測(cè)的可行性；日本三菱重工的長(zhǎng)崎機(jī)械造船廠研制了LIBS煤灰碳元素在線檢測(cè)裝置并在1000MW電廠中進(jìn)行了試用，測(cè)量精度為0.27%；西班牙拉科魯尼亞大學(xué)采用雙脈沖激發(fā)技術(shù)，利用KBr作為粘合劑將煤灰制成丸狀，進(jìn)行了檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，將碳元素的測(cè)量精度提高到了0.24%；國(guó)內(nèi)華南理工大學(xué)對(duì)四個(gè)灰樣中的碳元素進(jìn)行了LIBS定量分析，平均測(cè)量精度為0.38%。但目前國(guó)內(nèi)外已有的相關(guān)研究仍存在以下問(wèn)題：（1）目前LIBS對(duì)煤灰碳元素的典型測(cè)量仍存在測(cè)量精度不夠高的問(wèn)題，不能滿足工業(yè)要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤灰中碳含量每上升0.1%，電廠煤耗就會(huì)增加0.123g/kw·h，對(duì)于一個(gè)4×300MW的電廠，這就相當(dāng)于每年會(huì)浪費(fèi)燃煤1300余噸，折合損失近百萬(wàn)元，可見(jiàn)，進(jìn)一步提高測(cè)量精度可明顯降低電廠發(fā)電成本。在對(duì)譜線的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算時(shí)，采用譜峰面積的積分強(qiáng)度在對(duì)C247.86nm譜線的積分強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算時(shí)，因?yàn)镃247.86nm線和Fe247.98nm線的波長(zhǎng)非常接近，譜線重疊嚴(yán)重（如圖2所示），而目前主流光譜儀的分辨率不足以區(qū)別這兩條譜線，很難將C247.86nm譜線提取出來(lái)，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果受樣品中鐵含量的干擾。本行業(yè)所熟知的去卷積法，即利用雙峰洛倫茲擬合可以消除重峰干擾，但在計(jì)算煤灰樣品光譜中的C247.86nm譜線強(qiáng)度時(shí)，由于C247.86nm和Fe247.98nm兩條譜線的嚴(yán)重重疊和不對(duì)稱，很難用去卷積法精確提取；在建立C元素含量的定標(biāo)方程時(shí)，采用傳統(tǒng)的定標(biāo)模型????????????????????????????????????????????????，即對(duì)原子發(fā)射譜線強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)元素含量做線性擬合以建立定標(biāo)方程，測(cè)量結(jié)果基底效應(yīng)明顯，易受煤種變化影響，誤差較大。碳元素的光譜強(qiáng)度還受到煤灰中其它成分的影響，即樣品在受到激光的燒蝕形成等離子體的過(guò)程中，其它成分的存在會(huì)影響碳元素的光譜強(qiáng)度，這些成分含量與碳元素光譜強(qiáng)度之間的函數(shù)關(guān)系并不明確，這導(dǎo)致了碳元素含量測(cè)定的不精確。同時(shí)，碳元素的含量與其原子發(fā)射譜線強(qiáng)度之間也并不呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而僅僅呈近似線性關(guān)系，這也造成了碳元素含量測(cè)定的不精確，我們稱之為碳元素對(duì)自身原子發(fā)射譜線強(qiáng)度的影響因子。（2）長(zhǎng)期測(cè)量穩(wěn)定性是判斷檢測(cè)技術(shù)及儀器可靠性的重要標(biāo)準(zhǔn)，也決定著儀器校正及維護(hù)周期的長(zhǎng)短。LIBS用于定量分析時(shí)，熱效應(yīng)引起的CCD波長(zhǎng)漂移和感光率變化、鏡片沾污、振動(dòng)產(chǎn)生微位移、環(huán)境濕度，激光器氙燈或電源模塊老化、調(diào)Q晶體潮解以及熱形變等因素，都會(huì)使激光器的輸出功率產(chǎn)生慢漂移，造成測(cè)量誤差逐步增大。