[发明专利]测定煤灰含碳量的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于光谱分析与检测领域，具体涉及一种测定煤灰含碳量的方法及装置。

背景技术

大型燃煤电厂锅炉的经济性一直是电厂运行和设计人员关心的重要问题，煤灰是指燃料燃烧产生的烟气夹带的细小尘粒。煤灰含碳量是衡量火电厂锅炉燃烧效率和机组运行经济性的重要指标。碳含量过高反映了锅炉风煤配比不合理和燃烧不完全，降低锅炉的热效率，也增大了锅炉受热面的磨损；同时增加了发电成本和固体颗粒排放量；另外，会造成煤灰的细度，烧失量，需水量比明显增加，降低了粉煤灰的商品级别。太低则说明空气过剩，大量的热能通过烟道排出，同样会降低锅炉效率，增加氮氧化物排放量。但影响燃煤锅炉煤灰含碳量的因素多而且复杂，受到如锅炉燃用煤种、设计安装水平、锅炉运行操作水平等多种因素的影响，很难采用简单的公式进行估算，往往需采用实炉测试方法加以确定并摸索降低煤灰含碳量的运行方法。因此，对煤灰中碳元素进行在线检测，利于及时发现问题并优化调整锅炉燃烧和制粉系统参数，使机组始终处运行在最佳状态。所以煤灰含碳量的在线检测对电厂机组的安全运行，公司的经济效益及生态环境都有着相当大的影响。

为了优化锅炉燃烧，提高燃料的利用率，降低发电煤耗，首先必须有良好的监测手段。传统的煤灰含碳量在线检测方法主要有灼烧失重法、微波检测法和瞬发中子活化法（PGNAA）等。其中，灼烧失重法发展较早，技术成熟，通过对灼烧前后所称得的重量损失信号进行计算，得到灰样的含碳量，具有精度高、样品用量少等优点，但由于需要加热和称重等过程，对灰样的代表性要求高、分析滞后，难以快速反映锅炉燃烧工况；微波检测法根据煤灰中未燃尽的碳对微波能量的吸收特性，可实时分析确定煤灰中的含碳量，无污染，但其受灰样多少和煤种变化的影响，而且需要经常进行定标；中子活化法根据灰样受中子作用后辐射的特征伽马射线强度来确定碳元素的含量，分析迅速，结果精确，但其检测结果易受煤中高原子序数元素（例如铁）含量波动影响，而且放射源的保养及日常维护难度较高，安全隐患大，有一定的辐射污染，并且价格昂贵。

激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种全新的物质元素分析方法，激光诱导击穿光谱法是基于脉冲激光技术，将一束高能量的激光聚焦到待分析的物质的表面，将聚焦处部分物质烧蚀后产生高温等离子体，等离子体温度上升至几千度，产生更多的带电离子。等离子体中各元素的电离线形成连续背景谱线，该过程需要几百纳秒；之后形成等离子体中各元素的原子发射谱线，原子发射谱线包含了各元素的特征信息，不同的元素对应各自的原子发射谱线，谱线强度与元素浓度近似成正比，该过程持续几微秒，是进行元素定性分析特别是定量分析的重要环节。通过分析各谱线之间的强度之比即可定量分析出样品中各元素的相对含量。该方法应用于煤灰含碳量的测定具有分析速度快、安装简易、无需样品预处理和多种元素同时分析等优势。目前国内外已有相关的研究进展：日本三菱重工的长崎研发中心通过实验模拟，在高温高压条件下进行LIBS试验，对温度和气压等条件进行了修正，证实了LIBS用于工业环境中进行煤灰碳元素检测的可行性；日本三菱重工的长崎机械造船厂研制了LIBS煤灰碳元素在线检测装置并在1000MW电厂中进行了试用，测量精度为0.27%；西班牙拉科鲁尼亚大学采用双脉冲激发技术，利用KBr作为粘合剂将煤灰制成丸状，进行了检测实验，将碳元素的测量精度提高到了0.24%；国内华南理工大学对四个灰样中的碳元素进行了LIBS定量分析，平均测量精度为0.38%。但目前国内外已有的相关研究仍存在以下问题：（1）目前LIBS对煤灰碳元素的典型测量仍存在测量精度不够高的问题，不能满足工业要求。据统计，煤灰中碳含量每上升0.1%，电厂煤耗就会增加0.123g/kw·h，对于一个4×300MW的电厂，这就相当于每年会浪费燃煤1300余吨，折合损失近百万元，可见，进一步提高测量精度可明显降低电厂发电成本。在对谱线的强度进行计算时，采用谱峰面积的积分强度在对C247.86nm谱线的积分强度进行计算时，因为C247.86nm线和Fe247.98nm线的波长非常接近，谱线重叠严重（如图2所示），而目前主流光谱仪的分辨率不足以区别这两条谱线，很难将C247.86nm谱线提取出来，从而导致测量结果受样品中铁含量的干扰。本行业所熟知的去卷积法，即利用双峰洛伦兹拟合可以消除重峰干扰，但在计算煤灰样品光谱中的C247.86nm谱线强度时，由于C247.86nm和Fe247.98nm两条谱线的严重重叠和不对称，很难用去卷积法精确提取；在建立C元素含量的定标方程时，采用传统的定标模型                                                ，即对原子发射谱线强度与对应元素含量做线性拟合以建立定标方程，测量结果基底效应明显，易受煤种变化影响，误差较大。碳元素的光谱强度还受到煤灰中其它成分的影响，即样品在受到激光的烧蚀形成等离子体的过程中，其它成分的存在会影响碳元素的光谱强度，这些成分含量与碳元素光谱强度之间的函数关系并不明确，这导致了碳元素含量测定的不精确。同时，碳元素的含量与其原子发射谱线强度之间也并不呈简单的线性关系，而仅仅呈近似线性关系，这也造成了碳元素含量测定的不精确，我们称之为碳元素对自身原子发射谱线强度的影响因子。（2）长期测量稳定性是判断检测技术及仪器可靠性的重要标准，也决定着仪器校正及维护周期的长短。LIBS用于定量分析时，热效应引起的CCD波长漂移和感光率变化、镜片沾污、振动产生微位移、环境湿度，激光器氙灯或电源模块老化、调Q晶体潮解以及热形变等因素，都会使激光器的输出功率产生慢漂移，造成测量误差逐步增大。