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无源在线灰水热分析仪在火电厂的应用

基于微波透射法水分仪、无源灰分仪的入炉煤在线检测系统

一.技术原理

1.1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。目前市场上绝大多数的微波水分仪只能工作在一种频率下,而西安阿尔特测控技术有限公司研制的微波透射法水分仪(专利号1ZL 2015 2 0036463.3 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高灵敏度超声波探测单元,可在负荷变化的输煤皮带上精确测量煤中水分。

  1.2灰分分析

无源灰分仪是由西安阿尔特测控技术有限公司参考国内某军工单位对核试验后大气及土壤中放射性元素含量研究及探测技术,结合国家地质局关于我国煤炭中微量放射性元素含量分布的研究结论,采用美国微量放射性物质探测组件研制而成的国内独创产品专利号2:ZL 2015 2 0036471.8

 辐射是不依人的意志为转移的客观存在。在我们赖以生存的环境中,辐射无处不在。太阳发出的由核反应产生的光和热,是人类生存所必须的。天然的放射性 物质则广泛地分布于整个环境中,就连我们的身体内也存在着14C40K以及210Po之类的放射性核素。地球上的所有生命都是在存在着此类辐射的背景下 不断进化而来的。

按照辐射作用于物质时所产生效应的不同,人们将辐射分为电离辐射与非电离辐射。电离辐射包括宇宙射线、X射线和来自放射性物质的辐射。非电离辐射包括紫外线、热辐射、无线电波和微波。应用无源探测技术分析煤质灰分时,重点要解决的是电离辐射的探测问题。

电离辐射,在我们的无源探测技术中又被称为天然本底辐射,包括宇宙射线和自然界中天然放射性核素发出的射线。

天然放射性核素可分为三类:

铀系、锕系和钍系三个天然放射系中的核素;

地壳中存在的除以上三个放射系以外的天然放射性核素,如40K(钾)、87Rb(铷)等;

宇宙射线与大气原子核相互作用而产生的3H(氚)、14C(碳)等放射性核素。

在对无源探测技术的研究过程中,西安阿尔特测控技术有限公司的科研人员采用美国微量放射性物质探测组件,一方面用环境辐射屏蔽铅室对宇宙射线进行屏蔽,另一方面则对被测试的煤流中的钍、镭、铀、钾、铷等放射性核素所发出的微弱射线进行探测与分析,继而通过一系列数学模型得到煤的灰分。

二.当前国际上通行的灰分检测技术

上世纪80年代中期,煤质的在线分析开始在电厂进行试验,但并未获得商业应用。促进这项技术发展的动力是环境保护的要求。80年代后期,美国联邦政府公布了一系列法规,对污染大气的排放标准作了严格的限制,迫使发电厂和电力公司想办法使排放符合新标准。1990年,美国印地安那州的Gibson电厂率先安装了5 γ射线(GammaMetrics)煤质在线分析仪,从而开始了有源灰分仪在火电厂的应用。随后美国 ASTM5委员会的煤质在线分析仪工作小组起草了标准导则的草案并得到批准。设在伦敦的IEA煤炭技术研究院( IEA Coal Research)出版了专著煤质在线分析仪“, 详细地阐述在线分析仪的技术发展、应用和效果,从而推动了有源灰分仪在全球范围内的普及与应用。

    随着有源探测技术的进一步成熟,有源技术本身也发生了一些变化,衍生出了几种不同的有源探测技术:

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。

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(俗称中子法)是核放射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:

  快中子非弹性散射,测量煤中CO的含量;

  热中子辐射俘获反应,可测得煤中大部分元素的含量,如HCaNFe等。

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)是目前国际上较通用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、等元素的含量,继而得到煤的灰份。

因此,当前国际上包括德国,美国,澳大利亚等仍然采用有源灰分仪作为煤灰分的唯一分析手段。

三.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技术组合方式主要有三种,一是电阻法水分仪搭配有源灰分仪,共同组成入炉燃料在线检测系统。二是微波法水分仪搭配有源灰分仪,共同组成入炉燃料在线检测系统,三是微波法水分仪搭配无源灰分仪,共同组成入炉燃料在线检测系统。其中第三种搭配方法,目前仅见于西安阿尔特测控技术有限公司自行研制的专利产品AT-MHSO-216W型入炉燃料在线检测系统中。

3.1微波水分仪

微波透射法在线水分仪,目前国内只有西安阿尔特测控技术有限公司有稳定可靠的产品。较早安装了微波法在线水分仪的陡河电厂和上海石洞口二厂,均是从德国BERTHOLD公司购买的LB354型微波水分仪,与LB420γ射线有源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。  

3.2双能γ射线测灰仪

由于中子法对环境及人体的危害十分明显,因此各国自本世纪以来陆续采取措施禁止了中子放射源在工业产品中的应用。因此目前国内安装双能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。

利用双能γ射线技术监测煤质所受影响因素较多,通过电厂的实际应用,可以归纳出以下几种情况:

  ①环境因素

  包括温度、湿度等,尤其以温度影响最为常见。温度会影响探测器的倍增系数及分辨率。该设备尽量要求环境温度在5℃35℃,同时避免强烈的机械震动。我国北方冬季寒冷,该设备将无法正常使用。

  ②煤样因素

  包括煤样的粒度、质量厚度及水分的影响。

a. 粒度和质量厚度的影响:美国Science Application公司的Model 400型是通过测定煤对γ射线的质量衰减系数来确定煤灰分的,而质量衰减系数是根据γ透射物质的指数减弱规律来确定的。透过煤层的γ光子与该γ射线束面积上的质量厚度有关系。在实际测量煤的灰分时,煤流或煤层颗粒不可能完全均匀,在煤颗粒之间存在的空隙也是随机的,因此γ射线束面积上煤的粒度、质量厚度是不一 样的。这样,虽为同一煤质,粒度与质量厚度不同会造成其质量衰减系数不同,所以也会造成灰分测量值有所差异。

 b.水分的影响:对中、高灰分的煤种,水分的增加使仪器的灰分测量值降低。在实际测试中,当水分变化较大时,必须考虑加以校正。

  ③灰中元素含量的相对变化

  被测煤的硅、铝、钙、镁、硫等元素的变化直接影响对γ射线的质量吸收系数,因而也会影响灰分的测量值,尤其是铁、硫等对γ射线的衰减影响敏感。在实际原煤中Fe主要是以FeS的形式存在,为了深入了解FeS对测试结果的影响,有人曾对FeS的干扰进行过试验,结果是测量灰分值与FeS的线性相关性非常显著。所以FeS对煤样的测试结果影响非常敏感。当煤中FeS每增加1%,仪器测试灰分则增加3.37%,故煤中Fe元素的含量变化将直接影响测量准确度。

  ④在线测试中的煤流要求

  在煤层的质量厚度比较小时,煤质监测仪的灵敏度随质量厚度的增加而增大,约在5g/cm2时达到最大,此后随质量厚度的增加而缓慢下降。在煤层太薄时,测量系统可能出现较大的偏差,测试结果难以准确。

 

四.AT-MHSO-216W型无源入炉燃料在线检测系统 在电厂的典型案例

西安阿尔特测控技术有限公司自行研制的专利产品AT-MHSO-216W型无源灰水热在线检测系统上市仅三年,目前已在陕西、宁夏、内蒙、河南、新疆等省区安装应用,系统运行稳定、测试指标良好,深得用户好评。

         国电大同二电安装的AT-MHSO-216W无源灰水热在线分析仪

       国电宝鸡二电安装的AT-MHSO-216W无源灰水热在线分析仪

中煤云峰电厂安装的AT-MHSO-216W无源灰水热在线分析仪

 

 

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