煤质分析系统在火电厂的应用

煤质分析系统在火电厂的应用本文介绍了国内外煤质分析系统的发展概况、仪器性能及使用情况，对各种装置的测量原理、测量指标、测量误差等关键问题做了系统地分析比较，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，对其在火电厂的发展前景进行了探讨。煤质；在线分析；火电厂；应用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，在电厂的应用业绩较少。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：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。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。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：微波技术在线测量水份；双能γ射线衰减技术在线检测灰份；中子诱发瞬发γ射线技术检测灰份及碳、氢、氧等多种元素成分；快速γ中子活化技术（即PGNAA）检测灰份、灰成分及硫分。通常与测水仪结合，还可确定水分、热值等指标。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[1]。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：快中子非弹性散射，测量煤中C和O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代理的引进设备，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。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。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。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。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国外应用概况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台Gamma－Metrics煤质在线分析仪，其应用对电厂运行的主要改进体现在三方面，一是排放符合环保要求,避免了SO2超标而引起的罚金。二是扩大了可以燃烧的煤种。三是优化燃烧过程,提高了电厂的性能。此外，电厂对该系统的应用还体现在获得混煤的灰熔融性数据方面。如美国犹他州的PacifiCorp’sHunter电厂，燃煤由汽车从犹他州的几个煤矿运输，煤质变化较大，有些来煤灰熔点较低，成为锅炉结焦和非计划停机的主要原因。为控制混煤的灰熔点温度，电厂应用美国Gamma－Metrics公司的CQM分析仪在线分析入场煤质，控制混煤的灰熔点温度满足锅炉安全运行的要求，减少了因混煤煤质不稳定造成锅炉结焦而被迫停炉的损失。鉴于煤质在线分析技术的发展,各国的标准委员会已经着手制定煤质在线分析仪的有关标准。美国ASTM－5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(IEACoalResearch)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。可以肯定，今后数年内，这项技术将在世界上得到更长足的进展。5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。各电厂的应用（已投用）情况列于表1。5.1微波水分仪在线水分仪，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。5.2灰份仪5.2.1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ScienceApplication公司的Model400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，通过电厂的实际应用，可以归纳出以下几种情况：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。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：TN-2000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。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。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。5.2.2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