浅谈煤质在线分析系统在火电厂的应用

摘要：本文根据作者多年的工作经验，介绍了煤质在线分析系统的发展概况、该类装置的功能以及技术原理，并结合电力生产的实际，对煤炭检测技术及应用现状进行分析研究。

关键词：煤质；在线分析；系统；火电厂；应用

Abstract: based on the author's work experience, this paper introduces the development of coal quality analysis system online survey, this device functionality and technology principle, and combining with the actual power production of coal testing technology and application status analysis research.

Keywords: coal; Online analysis; System; The power plant; application

中图分类号：TM62文献标识码：A 文章编号：

1前言：

火力发电厂正从生产型组织向以效益、成本为核心的市场型企业转变，为大幅度降低煤价，改烧低质煤或混配煤已成为越来越多电厂首要考虑的问题。入炉煤质的变化对锅炉燃烧具有重大影响，尤其是在锅炉燃煤偏离设计煤种时，将给运行调整带来更大的困难。过去，通过采制样化验煤质的方法尽管具有很高的分析精度，但存在较大的采制样误差，而且至少要数小时才能分析出结果，对实时燃烧调整和优化运行的促进作用非常有限，因此迫切需要能在线分析煤质的新技术和新产品。此外，燃料资源的质量不稳定性和多样性也会影响到制粉系统和锅炉燃烧的安全性，直接关系到电厂的安全经济运行。因此，为保持和控制燃料质量而进行配煤，并对整个燃烧过程进行有效监测以便确定混煤对燃烧效率和污染物排放的影响就变得尤为重要。煤质在线实时检测技术可以快速、准确地对入炉煤进行实时分析测量，达到有效把握和控制煤炭质量的目的，使燃煤质量更具科学性和可靠性，在提高电力生产的安全性和经济性、实现过程控制方面具有极其重要的意义和巨大的经济潜力。该技术从80年代中期开始就在美国、澳大利亚和欧洲得到了较快地发展，近10年才引入国内。设备多为进口，价格较高，多用于选煤厂和洗煤厂，在电厂的应用较少。

2煤质在线分析装置的功能根据燃煤电厂的运营特点，该类装置的功能体现在以下几方面：

2.1控制燃料成本

将煤质在线分析装置用于入厂煤的分析，可以通过以每分钟显示的数据掌握电厂来煤的灰份、水分、热值等重要指标，从而根据机组燃煤特性控制购煤参数，为电厂购煤提供检验手段和依据，更好地控制燃料成本。

2.2控制混煤特性

目前，越来越多的电厂开始燃用混配煤，入炉煤质的变化会给锅炉燃烧带来很大影响，给运行调整带来更大的困难。如果能实时掌握入炉混煤的煤质数据，可以根据锅炉设计的燃煤特性合理控制混配的煤种和比例，最大限度地满足锅炉安全运行要求。

2.3指导运行，优化燃烧

在电厂的实际运行中，经常发生由于锅炉燃用煤质变差或频繁波动而影响运行的安全性和经济性。控制电厂入炉煤质量，其关键性指标是煤的灰份、水分、挥发分及热值。运行人员主要以这些指标作为指导锅炉运行调整的科学依据，根据经验实时调整燃烧工况，优化制粉系统运行，合理调整风煤比，优化锅炉燃烧。

3煤质在线分析技术原理

传统的煤质工业分析一直沿用烧灼法进行测定，现国际上流行采用的在线分析装置主要是以下几种类型：

3.1水分分析

过去采用的水分测量技术，如红外线、电导或电容法等，都受到多种干扰参数的影响，无法应用推广。目前，最成功的工业在线水分测定仪是利用微波技术。当微波信号穿透煤层时，引起自由水分子旋转，这一效应降低了微波的强度和速度，即微波发生了衰减和相移。水分仪通过测量微波的衰减和相移来得出水分。早期的微波水分仪只能工作在一种频率下，而现在它的工作频率范围很宽，可抑制由于多次反射而引起的谐振干扰现象。为避免煤层厚度和堆积密度变化的影响，加入闪烁计数器和在屏蔽容器内的放射源组成的射线测量质量补偿单元，可在负荷变化的输煤皮带上测量煤中水分。

3.2灰份分析

煤质在线监测装置所采用的放射源有中子源和γ射线源两种，其中以中子源为放射源的设备又分中子诱发瞬发γ射线技术与快速γ中子活化技术，以下将分别作以介绍。

3.2.1双能γ射线测量灰份

双能γ射线快速测灰仪一般采用镅(Am241)作为低能放射源，铯(Cs137)作为高能放射源。低能γ射线穿过物质时的减弱强度随物质的原子序数增大而增大。煤中挥发分与固定碳为可燃组分，由原子序数较小的原子组成，而灰份是不可燃组分，主要由硅、铁、钙等原子序数较大的原子组成。当γ射线穿过煤层时，可燃组分中的各元素吸收效应较弱，γ射线衰减系数小；反之，灰份中各元素吸收效应较强，低能γ射线衰减系数也大。高能γ射线吸收率与煤单位面积重量有关。这样利用高、低两种能量的射线，经闪烁探测器测量穿过煤炭后的射线强度，就可显示煤中的灰份含量。

3.2.2中子诱发瞬发γ射线法测量灰份

中子诱发瞬发γ射线法是核技术在煤质在线分析方面的应用，主要是基于中子与煤的核反应，包括弹性散射等6种形式，其中在煤质分析中最重要的是以下两种：

（1）快中子非弹性散射，测量煤中C和O的含量；

（2）热中子辐射俘获反应，可测得煤中大部分元素的含量，如H、Ca、N、Fe等。

3.2.3快速γ中子活化技术测量灰份

快速γ中子活化分析技术（PGNAA）是国际上较先进的能够实现在线分析确定煤中灰主要成分的技术。煤中灰分含量和煤中矿物质元素之间有一定关系。作为放射源的热中子可以激发被测煤样中各元素的原子核，使其处于不稳定的高能激发态。这些激发态原子核跃迁到稳定的基态或较稳定的低能态时放出γ射线。分析仪的探测器根据γ射线能谱检测煤中硫、硅、铝、铁、钙、钛、钾等元素的含量，继而得到煤的灰份.

3.3煤的发热量

煤中灰分和发热量之间有很好的相关性，目前无论是国产设备还是国内的引进设备，都是通过回归方程由灰分值计算出煤发热量。

3.4各种测量原理的比较

3.4.1测定精度

双能γ射线法的测量精度为0.5%～1%。与其相比，中子活化技术的测量精度较高。

3.4.2煤种相关性

双能γ射线法的主要缺点是其标定与煤种有关。该技术对煤中铁和钙元素较敏感，若电厂来煤的铁、钙元素变化范围较大，则采用γ射线测量方法的误差会较大。而中子活化技术则与煤种无关。

3.4.3防护要求

与γ射线法相比，中子穿透力强，对人体的危害也更大，故对屏蔽防护要求高，一般要采用水或石蜡等含氢物质、镉片及铅片共同组成屏蔽防护。

3.4.4测量指标

双能γ射线法可测量煤的灰份、水分、发热量；中子活化技术除人们通常感兴趣的灰份、水分、发热量外，还可测定硫分、对锅炉结焦有影响的钠、氯，以及硅、钙等元素成分。

3.4.5中子源

大多数的PGNAA分析仪采用同位素中子源，即锎－252（Cf252），它是一种自发裂变中子源，平均能量2.5MeV，半衰期为2.5年，之后直接更换中子源。 2发 电241设备不工作时辐射安全性较好，标定后不需额外维护，所以在正常工作时分析仪周围不需要操作或维护人员。设备周围的屏蔽主要采用碳氢元素。但Cf252的造价高，中子通量也容易波动。另一种中子源是14MeV的(D,T)中子管，体积较 Cf252大，以电子脉冲式工作，但中子管的寿命较短，为4000h。

4国内燃煤电厂的应用现状

目前国内电厂应用在线测量系统的方式主要有两种，一是安装于入炉皮带上，检测入炉煤质，指导燃烧调整；二是固定于入厂皮带上，检验来煤质量，指导入厂煤按质分放，以利于煤的掺配。

4.1微波水分仪，国内尚无成型产品，陡河电厂和上海石洞口二厂安装的水分仪，均是从德国BERTHOLD公司购买的LB354型微波水分仪，与LB420型灰分仪配套安装使用，目的是为了消除水分对灰份测定结果的影响。按照厂商提供数据，1%的水分约相当于 0.2%的灰分测定偏差。假定电厂燃用煤质水分在 5%～10%之间，则水分变化引起的灰分测定偏差为 ±1.0%。水分和灰份仪配合使用，由于微波水分仪测量精度可达±0.2%，由水分引起的灰份测量误差可忽略不计，可以大大提高灰份测量精度。同时，两台仪器可共用一个Cs137辐射源进行单位面积重量的补偿，相对减少投资。

4.2灰份仪

4.2.1双能γ射线测灰仪

目前国内安装双能γ射线测灰仪的电厂较多，如上海石洞口电厂使用的德国Berthold公司的LB420测灰仪。它所配备的闪烁探测器采用漂移和衰减的自动补偿，以保证长期使用的稳定性。国外较典型的双能γ射线快速测灰仪还有澳大利亚SCANTECH公司的COALSCAN3500型、美国Science Application公司的Model 400型等。

TN－2000型测灰仪也是采用双能透射法进行煤质测量。设备安装在锅炉上煤皮带尾部，自动对煤样进行在线测试，测试间隔为1s。界面显示每分钟平均的灰分、热值，每分钟煤量、总煤量、输煤的机组号和仓号以及灰分、热值、煤量曲线。所得实时数据可并入局域网，为电厂发电部、燃煤部、企管部等相关部门提供数据，达到全厂规范管理的目的。利用双能γ射线技术监测煤质所受影响因素较多。

4.2.2中子诱发瞬发γ射线煤质监测仪

比较典型的是MJA电站煤质在线检测装置，国内有黄台电厂、潍坊电厂等11家电厂安装，有的已完成调试，进入正式使用阶段。整套系统主要由煤质元素分析装置、工业分析软件并配套煤质水分仪等装置组成。设备包括安装于皮带上的中子煤质分析仪、微波水分仪、煤层限高器三部分。检测信号可接入 DCS系统和MIS系统。装置使用的是可控制和关断的电子式中子源，断电后无放射性，但中子管的寿命较短，4000h左右即需更换。

4.2.3快速γ中子活化煤质分析仪

较典型的是美国Gamma-Metrics生产的在线测煤仪，包括CQM、ECA、1812C等一系列产品。该公司创建于1953年，隶属于世界著名的美国热电 (Thermo Electron)集团。

CQM是快速γ中子活化分析仪（PGNAA），内置微波水分仪。该分析仪从采样系统获取煤样分析测定主要煤质参数。ECA是跨带式，以实时方式分析皮带上输送煤的组成成分。可以测定灰分和硫分，还可选配微波水分仪，以计算热值以及SO2的排放量。

5结语

煤质在线分析系统可以实现燃用煤质的快速分析，在提高电力生产的安全性和经济性、实现过程控制方面具有极其重要的意义和巨大的经济潜力。但另一方面，该系统尚存在主要元件的寿命、放射源的危险性、较大的系统投资等多方面问题，毕竟国内电厂已投运的应用实例并不多，可借鉴的经验较少，因此建议电厂在系统上马前进行详细的论证。