光散射法和筛分法测量煤粉粒度对比与转化研究

2022-11-15金其文陈锡炯富海渊周永刚吴学成

能源工程 2022年5期

金其文，陈锡炯，李培，富海渊，周永刚，吴学成

（1.浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，浙江杭州 310027；2.浙能长兴发电有限公司，浙江湖州 313100）

0 引言

入炉煤粉粒度是燃煤电厂锅炉运行的关键参数之一，对制粉能耗、设备磨损、锅炉效率以及污染物排放等有重要的影响[1]。准确地测量表征煤粉粒度是对锅炉进行优化调整的基础。

粉体颗粒粒度测量方法主要有筛分法、光散射法[2，3]、光脉动法[4]、图像法[5]、数字全息法[6，7]、超声波法[8]、静电法[9]等，这些方法都已经在燃煤电厂或实验室尺度下应用于煤粉粒度的在线或离线测量表征。筛分法原理最简单，是应用最广泛的煤粉粒度测试方法，也是电力行业标准《DL/T 567.5 -1995 煤粉细度的测定》和《DL/T 467 -2004 电站磨煤机及制粉系统性能试验》中指定的标准方法。基于光散射技术的激光粒度仪是最常用的颗粒粒度测试仪器，近几十年得到了长足的发展，在煤粉粒度表征中也得到了一定的应用。

燃煤电厂工程技术人员往往主要关注用来表征煤粉粗细的R90和R200等参数，这些参数是基于筛分法定义的。由于测量原理的不同和煤粉颗粒形貌的不规则性，采用不同测量方法得到的细度结果一般有所差异，将其他方法的测量结果转化为对应的筛分法结果则可直接指导工程实践，且有利于研发在线测量仪器并增强其适用性。目前关于筛分法和激光粒度仪测量不规则颗粒粒度的结果对比的研究主要集中于地质颗粒[10，11]、锅炉飞灰[12]、洗煤泥[13]等，针对燃煤电厂煤粉的研究报道较少。已有学者对激光粒度仪和筛分结果的关联性和转化方法开展了研究。杨竞等[14]通过大量样品数据建立了砂岩颗粒粒度回归方程，将筛分结果修正后更接近激光粒度仪结果。王慎文等[15]分析了河道砂颗粒形状的测量结果差异的影响，在统计结果的基础上提出了校正公式。孟召兰等[16]对两种方法得到的砂岩岩心粒径进了行回归分析，建立了S 型曲线转换模型。

本文针对燃煤电厂一次风煤粉颗粒粒度的测量表征，对比了筛分法和激光粒度仪测量结果的差异性，研究了两种方法粒度分布的相关性，并建立了基于经验公式的粒度结果转化方法，可为电厂煤粉细度的化验、数据分析提供一定的参考价值。

1 材料与方法

1.1 实验材料

采用的实验材料为从某电厂四台330 MW 机组不同磨煤机一次风管道内取得的24 份煤粉样品，编号#1 ～#24，取样方法依照《DL/T 467 -2004 电站磨煤机及制粉系统性能试验》。煤粉样品R90范围为3.79% ～28.70%。一般认为煤粉颗粒的粒度分布服从Rosin-Rammler（RR）公式：

其中F（x）为颗粒粒径累积分布，大于x的颗粒占比Rx=1 -F（x），n 为均匀性指数，xe为特征尺寸，与煤粉的粗细程度有关，F（xe） =0.632。公式两边取对数可变换为：

令X=ln x，Y=ln{ -ln[1 -F（x）]}，b=-n ln xe，上式可写为：

将实验得到的粒度分布数据代入上式即可根据线性拟合直线斜率和截距求得n 和xe。

1.2 筛分法

筛分法的优点是原理简单、成本低廉。颗粒在振筛机的振动下发生平动和转动，在重力作用下以某种姿态通过筛孔，通过筛孔的颗粒粒径被认为小于筛孔尺寸，无法通过的则粒径大于筛孔尺寸，将多个筛子自上而下、从大到小组合使用则可表征颗粒的粒径分布。实际上颗粒通过筛孔的数学模型是十分复杂的，可通过颗粒“三轴径”即长轴、中轴和短轴来简化筛分粒度与颗粒形状的关系。可以认为，在理想条件下，长轴与筛分结果无太大关联，中轴和短轴影响较大。筛分法对于小粒径（如＜45 μm）的煤粉颗粒可靠性较低，主要原因是小颗粒间的团聚效应较强，容易成团影响筛分的准确性。

实验采用筛孔尺寸为75 μm、90 μm和200 μm的三种标准筛。首先对标准筛进行显微拍照以验证筛孔尺寸大小以及形状规则度，其中200 μm标准筛显微图像如图1 所示，结果表明三种标准筛基本符合标称尺寸，且筛孔无明显变形。测试时为了避免样品水分造成颗粒团聚影响筛分效果，先用烘箱烘干煤样，三种标准筛按照200 μm、90 μm、75 μm的顺序从上至下排列，称取适量煤样置于200 μm筛上，开启振筛机充分筛分后，分别称量各筛上剩余煤粉质量，计算得到R200、R90和R75结果。

图1 标准筛显微图像

1.3 光散射法

激光照射颗粒时会发生散射现象，散射参数与颗粒的粒径密切相关，激光粒度仪根据这一现象实现颗粒粒度分布测量。一般可以近似认为光散射法测量的是颗粒的等效体积直径，但实际上不规则颗粒的散射参数和其等效球体的散射参数是有差异的，而且会因颗粒的空间状态而具有一定的随机性，使得粒度分布峰形展宽[15]。因此，从筛分法和光散射法的原理来看，两者测量煤粉颗粒结果注定会有较大的差异。实验采用如图2 所示的Bettersize3000Plus激光粒度仪测量煤粉粒度分布，该仪器基于Mie射理论，采用双镜头斜入射光学系统扩大探测角度，粒度测试范围为0.01 ～3500 μm，采用超声分散方式以避免煤粉颗粒的团聚。

图2 激光粒度仪

2 结果与分析

2.1 结果对比

以#1 ～#4 样品为例，将煤样筛分得到的R75、R90和R200结果代入公式，线性回归拟合得到的直线如图3 所示，相关性系数均在0.96 以上，说明筛分结果与RR分布模型吻合度较高。根据直线斜率和截距可得n 和xe，进而得到四个煤样的粒度累积分布和频度分布如图4 所示。其余样品均按此方法处理。

图3 RR分布拟合

图4 粒度累积分布曲线

激光粒度仪可直接输出煤样的粒度分布，由于激光粒度仪的粒径间隔与筛分法不一致，采用插值方法计算R75、R90和R200结果。两种方法的结果对比如图5 所示，其中#1 ～#4 样品的粒度分布对比如图6 所示。对于绝大多数样品，激光粒度仪测量的R75、R90和R200参数均小于筛分法的测量结果，三个参数的平均绝对偏差分别为5.72%、3.50%和0.39%，且部分样品激光粒度仪无法检出200 μm以上的煤粉颗粒。由#1 ～#4 样品粒度分布曲线可以明显看出在小粒径（＜20 μm）范围内，激光粒度仪测量值均大于筛分结果。其他样品的对比结果均如此，因此，激光粒度仪会高估小颗粒的分量，造成整体测量结果偏细。如果燃煤电厂直接基于激光粒度仪结果来调整煤粉细度，可能会造成实际煤粉细度偏粗从而增加飞灰含碳量、降低锅炉效率。

图5 两种方法R200、R90 和R75 结果及相关性

图6 筛分法与激光粒度仪测量的粒度分布对比

2.2 相关性分析

首先对筛分法和激光粒度仪测量的R200、R90和R75结果进行相关性分析，如图5 所示，R200的相关性系数非常小，仅有0.23，说明在200 μm筛余量上两种方法不具可比性。 R90和R75的相关性系数均在0.8 以上，相关性较强，可以根据线性规划的拟合公式互相转化。进一步对不同粒径x下的筛余分量Rx进行筛分法和激光粒度仪的相关性分析，相关性系数与粒径的关系如图7 所示，随着粒径的增大相关性系数呈现先增大（0 ～56 μm）后减小（56 ～245 μm）再增大（＞245 μm）的趋势。粒径过小或过大的区域内，相关性均较小，相关性系数大于0.8 时为强相关，则在粒径为25 ～96 μm范围内可以认为筛分法和激光粒度仪的Rx结果是线性相关的。即可用如下经验公式描述两者关系：

图7 不同粒径下筛分法与激光粒度仪的相关性

其中i为所选取的数据集粒径范围起点，i+N为粒径范围终点。

图8 25 ～96 μm粒径范围内k与m与粒径的关系

2.3 粒度分布转化

筛分法和激光粒度仪测量结果的相关性分析已表明，在25 ～96 μm优选粒径范围内两种方法得到的Rx结果具有较强的线性相关性，因此可以通过公式描述的转化矩阵对激光粒度仪得到的Rx结果进行校正，再根据公式对校正后的数据进行线性拟合求取均匀性指数和特征尺寸，进而可得到全粒径分布范围内的粒度分布结果以及R200、R90和R75参数。

图9 展示了#1、#2、#3 和#4 四个煤样的筛分法粒度分布、激光粒度仪粒度分布以及激光粒度仪校正后的粒度分布，可以看出校正后的粒度分布与筛分法结果更为吻合，特别是#2 和#3 样品的分布曲线基本重合。对于#1 和#4 样品，激光粒度仪高估细颗粒分量的问题得到改善，峰值粒径与筛分法更为接近。图10 为激光粒度仪结果校正前后相对于筛分法的R90偏差对比，校正后大多数样品的R90偏差明显减小，R90最大偏差由8.91%降至5.87%。校正后的的R75、R90和R200参数平均绝对偏差分别为3.19%、2.25%和0.30%。无论校正前后，R200参数均与筛分法差别较大，说明激光粒度仪得到的煤粉细度R200结果可能是极不可靠的。