微波在线检测煤水分及其影响因素试验的研究

2014-04-03

自动化仪表 2014年7期

(东南大学能源与环境学院，江苏南京 210096)

0 引言

1 煤炭水分在线测量技术

目前应用于物料水分在线检测的技术主要有中子法、近红外法和微波法。这些方法各有其优缺点。

中子法利用水分子中的氢原子核对快中子的慢化作用来测量物料水分，中子源发射出的快中子与氢原子相互碰撞而减速成慢中子，利用探测器检测穿透物料后慢中子的密度，便能够测出物料水分[3]。中子法的优点是可以测量较大体积物料的水分，缺点是要求被测物料中除水以外不得再含有含氢物质。由于煤炭挥发成分中含有氢且难以确定，故中子法不适用于煤炭水分检测。

近红外法利用水分子对特定波长的近红外辐射有明显强烈吸收作用来测量物料水分，水分含量不同对特定波长近红外辐射的吸光度不同，测出特定波长的吸光度便可测量出物料水分[4]。近红外用于在线检测煤炭水分的优点是可以同时对煤炭的多个参数进行分析；主要缺点是由于近红外线穿透力弱，只能测量煤炭外在水分。

微波法通过空间辐射的方式穿过煤层[5]，不仅能够测得煤炭外在水分，还能测得内在水分，具有非接触无损实时检测、仪器无辐射危险、操作和使用安全等优点。因此，微波测湿技术应用于煤炭水分在线检测具有极大的技术优势。

2 微波测量煤炭水分原理

综上所述，在一定条件下，煤炭水分、煤炭介电常数与微波强度衰减和相位偏移存在确定的数学关系，因此可以建立相关的数学模型来确定煤炭中的水分含量。在实际微波水分检测技术中，通常越过介电常数，直接利用水分与强度衰减和相位偏移之间的数学模型来计算煤炭水分。

3 影响因素分析试验

微波穿透煤层后的强度衰减和相位偏移不仅与煤炭水分有关，还同时与煤层厚度、堆密度、表面形状等因素有关。这些因素变化时会对水分测量造成影响，因此有必要分别研究分析各因素的影响情况。

教学方法是否有效不仅决定了视觉传达设计教学质量的高低，而且决定了学生是否能适应新媒体时代对视觉传达设计提出的新要求。培养综合型的应用人才需要改进传统教学方法，不断根据新的内容创新教学形式，能够有效提高视觉传达设计教学质量，满足学生的学习需求。

3.1 试验设备

试验使用的设备主要有：安装在输煤皮带上的微波水分仪、HN101鼓风干燥箱、浅盘、6 mm标准筛子、电子称、分析天平、塑料容器、铁锹等。HN101鼓风干燥箱用来烘干试验煤样水分。根据烘干前后的质量便可计算得到煤样水分。塑料容器用来模拟工业输煤皮带。试验过程中直接将煤样倒入容器内进行测量，容器内部四周均标有刻度，试验煤样厚度能直接读出。

微波水分仪的装置示意图如图1所示。其测量过程为：微波振荡器产生的微波经同轴线传输至发射天线发出，向上穿透煤炭和容器后，被微波接收天线接收，微波数据处理系统根据透射波前后的变化计算出强度衰减和相位偏移。

图1 微波水分仪示意图

3.2 试验煤样

试验煤样取自电厂煤场，煤种为烟煤。经破碎、筛分、混合等工序使粒径减小至6 mm以下，用浅盘称取500 g煤样，均匀摊平，放入已预先加热至105～110 ℃的干燥箱中；干燥2～2.5 h后取出称重，计算得到试验煤样的全水分值为15.28%。

3.3 试验内容

煤炭水分微波在线检测过程中主要受到煤层厚度、堆密度和表面形状的影响，下面分别通过相应的静态试验来研究分析各影响因素。

① 煤层厚度影响因素试验

往容器中逐次添加煤样并铺平整,使煤层厚度从60 mm增加至200 mm，每次增加20 mm，记录各个煤层厚度所对应的衰减和相移。

② 煤堆密度影响因素试验

试验过程采用压实容器内煤样的方法增大煤样的紧实度，从而增加煤样的堆密度。先在容器内铺厚度为100 mm的平整疏松煤样，压实使厚度减至90 mm，测量90 mm平铺压实煤样的衰减和相移；然后搅拌煤样使其变疏松，取出一定量煤样，测量90 mm平铺疏松煤样的衰减和相移，比较相同厚度的疏松和压实煤样的衰减和相移变化。按照以上操作，再分别测量出平整厚度为130 mm、170 mm的疏松和压实煤样的衰减和相移。

③ 煤层表面形状影响因素试验

试验研究的煤样形状分别为平整、中间上凸20 mm、中间下凹20 mm。铺中间上凸20 mm煤样的方法是在平整煤样中间堆积一中心高度20 mm的锥形煤样，铺中间下凹20 mm煤样的方法是在平整煤样中间挖去一中心深度20 mm的锥形煤样。试验时先后往容器内平整铺厚度为80 mm、120 mm的煤层，依次改变煤样形状，记录各厚度下每个形状的衰减和相移。

3.4 试验结果及分析

煤层厚度对透射波衰减和相移影响的试验结果如图2和图3所示。从图2和图3可以看出，衰减和相移与煤层厚度近似成二次函数关系，衰减和相移都随着煤层厚度的增加而增大。微波水分仪发射出的微波在空间的传输路径近似成一球体，其示意图如图4所示。试验的厚度均小于球的中心厚度，随着煤层厚度的增加，微波透射行程内煤量和与微波电磁场相互作用的水分子电偶极子近似呈二次函数增加，因而表现出衰减和相移随厚度近似呈二次函数增大。

图2 煤层厚度对衰减的影响示意图

图3 煤层厚度对相移的影响示意图

图4 微波传输路径示意图

煤堆密度对衰减和相移的影响结果如表1所示。由表1可知，微波透射相同厚度的压实煤样的衰减和相移均比疏松煤样大。由于压实煤样的堆密度比疏松煤样的堆密度大，因此认为在其他影响因素不变的情况下，微波衰减和相移随煤堆密度增大而增大。从绝对含水量的角度分析，对于相同厚度的同一品种煤样，若堆密度增大，微波透射行程内煤的绝对含水量增大，因而引起衰减和相移增大；从煤的相对复介电常数的角度分析，堆密度增大，煤混合物中空气占的体积比减小，干煤和水占的体积比增大，因干煤和水的复介电常数比空气的复介电常数大得多，所以煤的相对复介电常数增大，最终透射波的衰减和相移将增大。

表1 堆密度影响结果

煤层表面形状因素分析试验结果如表2所示。由表2试验结果可知，与平整煤样相比，中间上凸20 mm后衰减和相移将增大，中间下凹20 mm后衰减和相移将减小。分析其原因，煤层表面形状由平整变为中间上凸20 mm后，微波透射行程内煤量增多，绝对含水量增多，因而衰减和相移将增大，中间下凹20 mm则恰好相反。

表2 煤层形状的影响结果

4 影响因素补偿措施

从以上试验结果可以看出，煤层厚度、堆密度和形状等因素变化会对衰减和相移产生影响，进而会对水分测量产生很大误差。为了克服此影响，必须对各个影响因素制定补偿措施。针对厚度影响，设计在微波水分仪的C形框架上臂安装超声波传感器，利用超声波测距技术实时测量煤层厚度。在线检测过程中，超声波传感器实时测量传感器与煤层上表面的距离，根据传感器到输煤皮带的固定距离，从而计算出煤层厚度；再通过煤水分与微波参数和厚度的数学模型来确定煤水分含量，从而实现厚度补偿。针对堆密度影响，由于没有直接测量煤炭堆密度的仪器，只能通过间接

法测量出堆密度，德国BERTHOLD公司设计了采用透射γ射线实时测量煤层的堆密度[6-7]，但射线源有辐射危险，必须设计有严格的防护措施，使用和维护不方便。

从安装位置角度考虑，微波水分仪若安装在破碎机后的输煤皮带上，能有效减小堆密度变化的影响。煤炭经过破碎后粒径分布稳定，堆密度变化很小，从而能有效补偿堆密度的影响。对于煤层上表面形状的影响，应尽可能保持输煤皮带上煤层形状不变，在微波水分仪前面安装一整形板，来煤通过整形板时自动刮平煤层，从而实现对煤层形状影响的补偿。