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无源灰水仪在煤质在线检测中的应用

摘要: 阐述了无源灰水仪所采用的天然射线法检测灰分和微波法检测水分的测量原理,介绍了无源灰水仪的结构和技术特点,评价了无源灰水仪在精煤煤质在线检测和原煤煤质在线检测的应用情况。现场应用表明: 在线无源灰水仪的灰分、水分检测精度达到了精煤指导生产、原煤经济结算的要求,具有无源环保、测量精度高、自动化水平高的特点,实现了用户提高煤质质量、降低管理成本、减员增效的目的,取得了良好的社会效益和经济效益。

灰分水分发热量是评价煤炭质量的重要指标能够在线准确地获得输送带上煤流的煤质信息对煤炭生产加工与利用具有重要的意义由于人工采制样劳动强度大化验结果存在时间滞后且受人为因素的影响因此采用自动化的在线检验仪器十分必要在煤炭生产过程中灰分和水分可以由在线灰水仪测量得到发热量则可依据煤质经验公式计算得到

目前在线灰分检测的方法主要有两类: 使用两个放射源的双能光子源法和不使用放射源的天然射线 ( 无源) 因具有环保与测量性能的优势天然射线 ( 无源) 法逐渐成为在线灰分检测仪器的发展趋势在线水分检测方法主要有中子源法近红外法微波法等由于中子源屏蔽防护难度大近红外光受环境粉尘多以及光照强度变化的影响因此中子源法和近红外法难以适应恶劣的工业环境在煤炭行业的应用较少而微波法则具有非接触快速连续的特点在线灰水仪采用天然射线 ( 无源) 法和微波法实现灰分水分等煤质参数的在线检测可规避了其他测量方法的缺点与不足更适合在煤炭行业使用

 

1 检测原理

 

1. 1 天然射线 ( 无源) 灰分检测法

天然放射性元素在自然界中普遍存在煤炭中也存在微量的天然放射性元素40K232U238Th 上述放射性元素主要存在于煤的灰分之中经大量的煤样测试煤的灰分越高其天然放射性元素的含量越多煤中释放的天然 γ 射线的强度也越高由此可见煤中的天然放射性水平与灰分含量具有正相关的关系如图 1 所示灰分与天然射线强度的线性度达到 0. 97相关度非常高因此通过探测单位质量的煤中天然放射性水平即可计算煤中灰分的含量

1. 2 微波水分检测法

微波一般是指波长从 1 m 1 mm ( 即频率从300 MHz 300 GHz) 范围内的电磁波微波透射物质时会产生功率的衰减和相位的改变这些参数的变化主要由所穿透物质的介电常数介质损耗角正切值决定介质的复合介电常数可表示为: ε = ε'r -jε″r式中: ε'r 表示储能特性改变微波的相位; ε″r 表示耗能特性即微波的功率损耗而水分子是一种极性很强的偶极子在外电场的作用下水分子的极化程度远大于其他物质在一定微波频率范围内煤炭等含水物料中水的介电常数远远大于所含其他物质的介电常数例如f = 10 GHz 的微波频率条件下ε'r( ) = 63. 04ε″r() = 29. 32而在相同条件下ε'r( 干煤) = 3. 8ε″r(干煤) = 0. 003水的介电常数远远大于煤的介电常数因此含水煤的等效介电常数与含水率极其相关因此通过测量含水煤流在微波场中的介电常数便能间接测得煤中含水量的多少

 

2 结构与功能特点

 

2. 1 结构

无源灰水仪 ( 2) 由安装在胶带输送机机架上 的 NGAM - 2008 天然射线灰分检测单元MWKF - 2010 微波水分检测单元以及布置在远端监控室的主机组成主机与现场部分之间由光缆联通

NGAM - 2008 天然射线灰分检测单元由用于捕获煤中的天然 γ 射线探测器用于射线谱线分析的能谱分析仪用于计量累计产量的负荷称重装置及用于屏蔽宇宙环境干扰的环境辐射屏蔽体等构成; MWKF - 2010 微波水分检测单元由 X 波段微波发射和接收天线微波信号单元物料厚度传感器等构成灰分检测单元与水分检测单元之间以CAN 总线方式实现数据高速交互从而实现多参数同步检测的目的

2. 2 功能特点

无源灰水仪用于对煤质的在线实时测量具有如下功能及特点:

(1) 不使用放射源以天然射线和微波透射的原理实现煤质检测绿色环保对人体无辐射危害无需办理许可证件

( 2) 可以给出瞬时1 min10 min小时以及班月等时间段的累计灰分水分发热量及累计产量的检测结果

(3) 根据测量原理无源灰水仪实现了全横断面检测能测出输送煤流从内到外的全灰分和全水分值测量结果更具有代表性

(4) 天然射线和微波的传播速度很快可在短时间内实现快速测量而且对环境条件和物料颜色不敏感工业环境中的光照灰尘和水蒸气及物料颜色的变化不影响测量结果

(5) 采用负荷称重装置与料厚传感器的组合补偿计算有效地弥补了输送带上煤流流量厚度形状及堆积密度的变化对灰分和水分测量的影响

( 6) 无源灰水仪的灰分和水分检测单元接口匹配信号兼容数据联通实现了多种参数的在线同步测量构成了统一的检测系统

( 7) 当待测灰分 < 15% 灰分测量精度 ± 0. 5% ; 待测灰分为 15% ~ 30%灰分测量精度 ± 1. 5% ; 待测灰分 > 30%灰分测量精度 ± 2. 5%水分测量精度为 ± 0. 5% ( 与粒度相关) 发热量可依据用户给出的煤质经验公式计算累计产量精度为 0. 5%

 

3 应用效果

 

3. 1 在精煤煤质检测中的应用

淮北矿业集团涡北选煤厂是一座设计能力为1. 2 Mt /a 的大型炼焦煤选煤厂其精煤产品由重介精煤粗精煤泥和浮选精煤三部分组成为了能够提高检测效率及时指导生产涡北选煤厂选用无源灰水仪实时动态检测精煤胶带输送机上混精煤( 重介质旋流器分选出的精煤与浮选精煤的混合) 的灰分水分数据无源灰水仪的现场安装情况见图 3

为了检验无源灰水仪的测量效果涡北选煤厂进行了比对试验1 所示为无源灰水仪的测量值与胶带输送机机械采样的化验值对比结果

经统计计算灰分测量精度为 0. 13% 水分测量精度为 0. 31% 完全达到了使用要求该无源灰水仪自安装以来运行稳定涡北选煤厂在生产中参照无源灰水仪检测出的动态数据及时调节选煤生 产 参 数不仅提高了混精 煤合格率67. 82% 提高到 78. 89% 而且提高了精煤产率57. 03% 提高到 57. 35% 按照年入选原煤 330t精煤价格 800 /t 计算可以多盈利 844. 8 万元为选煤厂创造了巨大的效益

3. 2 在原煤煤质检测中的应用

川煤集团攀枝花煤业公司 ( 以下简称攀煤集团) 下属大宝顶小宝鼎太平花山等四对矿井各矿井以开采的原煤质量为依据与精煤公司进行内部经济结算由于南方矿煤层薄地质变化大赋存条件差原煤煤质不稳定为了保证煤质检测的公开公平公正确保供需双方的经济利益及创造良好的内部市场环境攀煤集团安排人员监管采制样与化验的各工序导致攀煤集团的管理

成本居高不下为了降本增效2015 年以来攀煤集团陆续在四对矿井的原煤输送带上安装无源灰水仪实现了对各矿原煤煤质的自动化在线检测4 为在小宝鼎煤矿安装的无源灰水仪

2017 5 攀煤集团对小宝鼎煤矿安装的无源灰水仪进行了验收比对试验对比数据见表2由表 2 可知该无源灰水仪所检测的是高灰分大粒度低 含 水 量 的 原 煤其灰分测量精度为1. 46% 水分测量精度为 0. 44% 远优于原煤灰分精度 2. 5% 水分精度 0. 5% 的指标要求攀煤集团以无源灰水仪的检测结果作为内部考核结算依据减少了大量协商仲裁的管理支出而且每班可

少安排采样制样化验监管人员 5 按每天两班作业组织生产每人每年工资 4. 5 万元计算年可节省工资支出 45 万元],达到了降本提质减员增效的管理目的效果显著

 

4 结语

 

无源灰水仪不使用专门放射源安全环保可以对灰分水分发热量及累计产量等多种参数进行同步在线测量淮北矿业涡北选煤厂和攀煤集团的应用实践表明无源灰水仪的检测精度高自动化水平高适用于检测精煤及原煤等达到了指导生产质量考核结算的使用目的降低了企业的管理成本创造了良好的社会效益与经济效益

 

 

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