便攜式煤質(zhì)分析儀的分析與設(shè)計VIP

1、摘要 由于現(xiàn)在不法分子對煤質(zhì)摻假的各種手法與各個需及時測得煤質(zhì)的地方的需求，因此及時而又準確的檢測煤質(zhì)既是眾多用煤大戶急需解決的問題，也是眾多工業(yè)儀器制造廠家能否立足于競爭市場的一個關(guān)鍵因素。但當(dāng)前便攜式煤質(zhì)灰分分析儀的測試不便、低精度與輻射危害性，對企業(yè)的生產(chǎn)造成了很大的影響。經(jīng)過查閱大量國內(nèi)外文獻，發(fā)現(xiàn)目前市面上的便攜式煤質(zhì)分析儀大多利用射線、紅外光譜分析、激光感生等新的測試方法，雖然測試時間短，但在測試原理上仍不成熟，測試結(jié)果不穩(wěn)定、波動大，可靠性差，還有輻射危害；而傳統(tǒng)煤質(zhì)檢測技術(shù)，如熱分析技術(shù)，雖然能保證測試精度，但測試時間長，且此類儀器大多體積龐大，不便攜帶。由于某些原因，沒有上傳

2、完整的畢業(yè)設(shè)計（完整的應(yīng)包括畢業(yè)設(shè)計說明書、相關(guān)圖紙CAD/PROE、中英文文獻及翻譯等），此文檔也稍微刪除了一部分內(nèi)容（目錄及某些關(guān)鍵內(nèi)容）如需要的朋友，請聯(lián)系我的叩扣:二二壹五八玖一壹五一 為了保證測試結(jié)果的穩(wěn)定性和準確性，本論文所研究的儀器采用應(yīng)用最廣的熱重分析技術(shù)。在快速檢測上，提出了一種基于國家標準 GB/T212-2008的簡化測試工藝方案；省卻降溫時段，在815條件下進行試樣稱量，簡化測試步驟。其次，為了提高多試樣檢測效率，根據(jù)煤質(zhì)熱解特性和 GB/T 212-2008標準,提出了一種新型煤質(zhì)分析儀設(shè)計方案，其加熱爐膛為單爐膛結(jié)構(gòu)，可能夠?qū)崿F(xiàn)多試樣的同時檢測；由于傳統(tǒng)加熱爐采用的

3、是電阻絲加熱，升溫時間長和能源成本高，不便與快速測試，因此本文采用磁控管微波加熱，以減少升溫時間和加熱時間。文章最后就新型便攜式煤質(zhì)快速分析儀器的架構(gòu)設(shè)計和工藝流程作了詳細的闡述和詳細說明。 本論文的意義在于提出了一種不同于現(xiàn)在市面上有的新型便攜式快速分析儀器的設(shè)計方案。由于煤質(zhì)工業(yè)分析的復(fù)雜性，本論文選灰分做為測試煤質(zhì)的重要參數(shù)。 關(guān)鍵詞：便攜性；微波加熱；熱重分析；架構(gòu)設(shè)計 ABSTRACT Now due to illegal coal adulterated various means and each need timely measured coal place needs tim

4、ely and accurate detection, so many large coal coal quality is the urgent problem needed to be solved, but also many industrial equipment manufacturers can be based on competitive market a key factor.But the current portable coal ash analyzer test inconvenience and safety, to the production of the e

5、nterprise have a great impact on.After consulting a large number of domestic and foreign literature, found that the current market of portable coal quality analyzer are using gamma ray, infrared spectrum analysis, laser induced and new testing methods, although the test time is short, but in the tes

6、t principle is still not mature, the test results not stable, fluctuation, poor reliability, and radiation hazards; and traditional coal quality detection technology, such as thermal analysis technology, although can ensure the precision, but the long testing time, and such instruments are bulky, in

7、convenient to carry. In order to ensure the stability and accuracy of the test results, the paper studies on the instrument using the most widely used thermogravimetric analysis technique.In the rapid detection of, proposed one kind based on the national standard GB / T212-2008 simplify the testing

8、process; save cooling slots, at higher than room temperature under the conditions of the weighing, simplified test procedure.Secondly, in order to improve the efficiency of multiple samples, according to the coal pyrolysis characteristics and GB / T 212-2008 standard, put forward a kind of new type

9、coal quality analyzer design, the heating furnace is a single hearth structure, can realize the multi sample while testing; and due to the traditional heating furnace using resistance wire heating, ashing time is long and the cost of energy high, so this paper, microwave heating, reduce the heating

10、time and heating time. Finally, new portable coal rapid analysis of the architecture design and process of theinstrument gave a detailed exposition and detailed instructions. The significance of this paper is to propose the design of a new portable rapidanalytical instruments. Due to the complexity

11、of the analysis of the coal industry, TheSelected Papers of the ash as an important parameter of the test coal. The significance of this paper is to propose a new portable fast analytical instrument design.As a result of coal proximate analysis complexity, this paper selected ash as important parame

12、ters test of coal.Key words: portability; microwave heating; thermogravimetric analysis; architecture design引 言 煤是我國現(xiàn)階段的主要能源之一，是冶金、電力、化工等行業(yè)的主要燃料，為提高生產(chǎn)效率，如何高效的進行煤炭檢測是相關(guān)企業(yè)普遍關(guān)注的問題。隨著現(xiàn)代工業(yè)化的快速進程，對煤的需求量不斷增長，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2011年1-11月，全國煤炭產(chǎn)量累計34.62億噸，同比增長11.6%，2012年可能破37.9億噸。而另一方面，煤（焦）質(zhì)分析的快速性、準確性和安全性并不能滿足生產(chǎn)的需要。由于檢測

13、時間過長，煤的質(zhì)量指標常常需要第二天才能反饋到用煤部門，嚴重影響了后續(xù)工藝的安排，甚至可能產(chǎn)生嚴重事故。目前國內(nèi)仍然有不少煤炭企業(yè)利用汽車運輸?shù)姆绞綇拿旱V把商品煤拉運到集裝站后,再通過火車運輸?shù)竭_港口或直接到達銷售用戶, 但就是在煤 礦到集裝站的運輸過程中,由于在利益的驅(qū)使下,存在部分承運商對汽車上站煤在運輸中途進行換煤或摻假的現(xiàn)象,即把好煤全部卸下或卸下一部分,然后換為劣質(zhì)煤或摻入劣質(zhì)煤以牟取暴利。目前換煤或摻假煤用煤泥水處理后短時間內(nèi)很難發(fā)現(xiàn),而過一段時間后上站煤與大煤堆混合,即使發(fā)現(xiàn)換煤或摻假,也根本找不出作假車輛,故不能有效進行處理。針對上述情況, 為有效控制上站煤運輸過程中的換煤作假

14、現(xiàn)象, 確保上站煤質(zhì)量, 各集裝站臺應(yīng)配備了1至2臺便攜式快速煤質(zhì)分析儀，測試煤質(zhì)的灰分以確保煤的質(zhì)量。 早在20世紀60年代，世界各主要產(chǎn)煤國就先后開始研究煤質(zhì)快速測灰技術(shù)。特別是近20年來, 煤質(zhì)監(jiān)測技術(shù)（包括在線技術(shù)）的研究取得了突破性進展,并已在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外目前針對于煤炭、焦炭的灰分的分析儀器主要包括三類：一是基于射線的工業(yè)分析儀，此類儀器都是采用射線或者雙能射線來探測煤的灰分含量。目前國內(nèi)的便攜式煤質(zhì)分析儀幾乎都是采用這種技術(shù)，如HB-YTYMF-6000型和M284361。其缺點是：放射性大，對分析人員的身體構(gòu)成嚴重威脅，而且，這類方法的分析精度與煤種及測試煤層厚度

15、有很大相關(guān)性，精度波動較大?；谒舶l(fā)伽瑪中子活化分析法PGNAA（ Prompt -ray Neutron Activation Analysis)的投資大，技術(shù)復(fù)雜，不易標定。此類技術(shù)是目前市面上的便攜式煤質(zhì)分析儀利用最廣的技術(shù)。二是基于熱分析技術(shù)的煤質(zhì)分析儀，這也是當(dāng)前國內(nèi)外研究的一個重點。目前國內(nèi)的此類儀器都是基于國家標準GB/212-2008而研制的，其缺點儀器操作過于復(fù)雜，檢測時間長，對于多個試樣的檢測，特別是揮發(fā)分的檢測，需要循環(huán)的進行測試，效率低，檢測速度慢。三是基于紅外光譜的分析技術(shù)和激光感生技術(shù)，在煤質(zhì)分析應(yīng)用方面，目前仍停留在研究階段，且其對煤種及煤種顆粒大小、顆粒密實程度

16、有很大的要求。是基于射線的工業(yè)分析儀，此類儀器都是采用射線或者雙能射線來探測煤的灰分含量。目前國內(nèi)的便攜式煤質(zhì)分析儀幾乎都是采用這種技術(shù)，如HB-YTYMF-6000型和M284361。其缺點是：放射性大，對分析人員的身體構(gòu)成嚴重威脅，而且，這類方法的分析精度與煤種及測試煤層厚度有很大相關(guān)性，精度波動較大?；谒舶l(fā)伽瑪中子活化分析法PGNAA（ Prompt -ray Neutron Activation Analysis)的投資大，技術(shù)復(fù)雜，不易標定。此類技術(shù)是目前市面上的便攜式煤質(zhì)分析儀利用最廣的技術(shù)。 從以上敘述可以看出，實現(xiàn)煤質(zhì)在規(guī)范精度下的便攜式快速準確并且安全的檢測是一個非常復(fù)雜的

17、問題。本文從便攜式煤質(zhì)分析儀的機構(gòu)設(shè)計著手進行探討和研究。文章首先通過分析前人研究的結(jié)果及其實驗數(shù)據(jù)，總結(jié)了煤質(zhì)熱解的相關(guān)特性。同時，通過基于熱分析技術(shù)的具體實驗數(shù)據(jù)分析，得出保證精度條件下可以通過簡化測試程序來縮短檢測時間的結(jié)論。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，本文所研究的便攜式煤質(zhì)灰分快速分析儀器采用熱分析技術(shù)，其爐膛為單爐膛結(jié)構(gòu)，每個稱重桿下都連有一個稱重傳感器。本文所設(shè)計的煤質(zhì)快速分析儀器的主要工藝流程為：升溫至81515后加熱至樣品重量恒定。通過本文的闡述，作者在以下方面取得了突破。首先，采用微波加熱，減少升溫時間，省卻降溫時段，簡化測試步驟，從而能夠縮短整個測試時間。其次，通過新的儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得

18、多試樣能夠同時測試，并且可同時全程監(jiān)控樣件質(zhì)量，大大縮短多試樣測試時間，并且大大的減少爐膛的體積。本文中提出的便攜式煤質(zhì)分析儀可提高煤質(zhì)檢測的速度與檢測的范圍，加快燃料環(huán)節(jié)的運行效率，提高煤的品質(zhì)監(jiān)控，這不僅具有可觀的經(jīng)濟效益，也具有良好的社會效益。第一章 緒論 煤碳的工業(yè)分析是煤炭在勘探、開采、洗選、供銷、加工和利用過程中對煤質(zhì)進行分類、計質(zhì)和計價的重要依據(jù)。工業(yè)上通常通過對煤的工業(yè)分析對煤質(zhì)進行評價，可以為改善鍋爐等用煤設(shè)備的設(shè)計、運行經(jīng)濟性提供重要的參考；而灰分是工業(yè)分析中的重要參數(shù)，是煤的質(zhì)量的重要指標，故本文選取煤的灰分作為儀器測試的參數(shù)指標。1.1 煤質(zhì)分析技術(shù)的發(fā)展動態(tài) 早在60

19、年代，世界各主要產(chǎn)煤國就先后開始了快速測灰技術(shù)的研究。特別是近20年來, 煤質(zhì)監(jiān)測技術(shù)（包括在線技術(shù)）的研究取得了突破性進展, 并已在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 1.1.1 基于射線灰分監(jiān)測技術(shù) 目前, 世界上已開發(fā)出的測灰儀（包括在線）幾乎都采用放射性同位素測量方法。根據(jù)被檢測射線的生成方式,可分為以下幾種方法:、射線反散射法；、雙能射線透射法；、瞬發(fā)伽瑪中子活化分析法(PGNAA )；、天然射線法。 1.1.1.1 射線反散射法，主要用于離線監(jiān)測 射線反散射法的原理是，照射到被測物體表面的低能射線，在物體內(nèi)經(jīng)多次反散射后而反射出。而其強度隨被測物體組成成分原子系數(shù)的變化而有較大變化。煤可以看作

20、由可燃物和非可燃物兩部分組成。其中，可燃物主要是碳、氫、氧、氮、硫等，平均原子系數(shù)約為6；非可燃物成分主要是硅、鋁、鈣、鎂、鐵等，平均原子系數(shù)約13。這樣，當(dāng)煤的灰分變化時，就必然引起其平均原子系數(shù)變化。因此，通過測量反射射線強度就可確定煤中灰分多少。 其缺陷是：放射性，危害操作人員，測量結(jié)果不穩(wěn)定，波動大，一般只用作定性分析。 1.1.1.2 雙能射線透射法，主要用于在線監(jiān)測 這種方法采用的低能射源是241Am，高能射源是137Cs。低能射線的透射強度取決于煤的灰分和面積質(zhì)量(即煤層的松散度和荷重)；而高能射線的透射強度主要取決于透射煤層的面積質(zhì)量。其中高能射線測量用來克服膠帶運輸機上煤量變

21、化對測灰的影響。 其缺點是，由于低能射線的反散射和透射對重元素尤為敏感，其測量精度受煤炭中重成灰礦物(主要是鐵)含量波動的影響很大，制約了測量精度的提高，一般只用作定性分析。 1.1.1.3 天然射線法 由于與煤共生的礦物質(zhì)含少量的鈾、釷和鉀等元素，而這些元素有天然的射線輻射。在特定地層中，這些元素在礦物質(zhì)中有恒定含量。通過測量天然射線的輻射強度以及物質(zhì)質(zhì)量就可以確定煤的灰分。英國、澳大利亞、波蘭等先后開展了采用天然射線進行測灰技術(shù)的研究，并已達到工業(yè)應(yīng)用。 天然射線測灰儀缺點是，只適用于礦物質(zhì)中含放射性物質(zhì)較高的煤灰測量,測量精度約為2%。 1.1.1.4 瞬發(fā)伽瑪中子活化分析法(PGNAA

22、 )這是80年代初發(fā)展起來的一種先進的煤質(zhì)元素分析技術(shù)。工作原理是，以原子吸收一個中子后的反應(yīng)為基礎(chǔ)，當(dāng)不同的原子吸收一個中子后，放射出特定能量和強度的射線。并通過探測器檢測這些射線進而確定各種元素的量，包括礦物質(zhì)和可燃物化學(xué)組成的元素量。也就可以計算出煤的灰分、水分、硫分和發(fā)熱量。 其缺點是，該法技術(shù)復(fù)雜，投資大，且不易標定。 1.1.2 我國煤質(zhì)檢測技術(shù)的發(fā)展 在我國，煤質(zhì)檢測技術(shù)還很落后，與產(chǎn)煤大國地位不相配，不能滿足煤炭工業(yè)發(fā)展需要，許多企業(yè)的檢測設(shè)備選用昂貴的國外產(chǎn)品。目前，對于煤質(zhì)工業(yè)分析儀器，國內(nèi)的研究方法主要集中在基于射線的分析儀研究、激光感生光譜研究、熱分析技術(shù)。而熱分析技術(shù)

23、具有穩(wěn)定性高和可大批量測樣等特點，采用快速法，可用于單次測定和批量測定，同時具有自動化程度高，分析快速等特點。而便攜性煤質(zhì)分析儀大都數(shù)用得是射線技術(shù)。1.2 熱分析技術(shù) 熱分析是用以描述物質(zhì)相變的最重要的手段之一。熱分析技術(shù)是研究物質(zhì)在加熱或冷卻過程中產(chǎn)生某些物理變化和化學(xué)變化的技術(shù)。根據(jù)國際熱分析聯(lián)合會 ICTAC 命名委員會對“熱分析”的定義為：“在程控溫度下，測量物質(zhì)與溫度關(guān)系的一類技術(shù)”。根據(jù) ICTAC 的定義，熱分析技術(shù)必須滿足三個條件：一為測量物質(zhì)的某種物理性質(zhì)；二為測量的物理量可直接或間接表示為溫度的關(guān)系；三為被測量的物理量在程控溫度下測定。 1.2.1 熱分析技術(shù)的發(fā)展歷程

24、熱分析技術(shù)的方法較多，比如：差熱分析 DTA （Differential ThermalAnalysis)是在程控溫度下，測量物質(zhì)和參比物之間的溫度差與溫度關(guān)系的技術(shù)；差示掃描量熱法 DSC（Differential Scanning Calorimetry)是在程控溫度下，測量輸入到物質(zhì)和參比物之間的功率差與溫度關(guān)系的技術(shù)；熱重分析 TGA（Thermogravimetry Analysis)是在程控溫度下，測量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度關(guān)系的技術(shù)。其它尚有熱膨脹法、熱電學(xué)法、熱光學(xué)法、熱發(fā)聲法、熱磁法、導(dǎo)數(shù)熱重量分析、熱機械分析、質(zhì)譜差示分析等等。 熱分析技術(shù)的發(fā)展歷史悠久，早在古埃及時代就已有熱重

25、法的雛形，真正將物理變化與熱聯(lián)系起來，還是在 1780 年英國 Higgins 在實驗室加熱石灰過程中第一次用天平測量其重量變化開始，到 1786 年英國 Wedgnood 在研究粘土?xí)r測得了第一條熱重曲線，1887 年 LeChatelier 提出差熱分析，至今熱分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、石油、化工、建材、橡膠、塑料、生化、高分子合成、食品、地球化學(xué)等領(lǐng)域，形成了一門獨立的學(xué)科。 1.2.2 熱分析技術(shù)在煤質(zhì)分析中的應(yīng)用 熱分析技術(shù)在煤質(zhì)分析中的應(yīng)用最多的是用熱重分析法來進行煤的工業(yè)分析。煤的工業(yè)分析，又叫煤的技術(shù)分析或?qū)嵱梅治?，是評價煤質(zhì)的基本依據(jù)。在國家標準中，煤的工業(yè)分析包括煤的

26、水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳等指標的測定。通常煤的水分、灰分、揮發(fā)分是直接測出的，而固定碳是用差減法計算出來的。利用熱重分析測定煤的工業(yè)分析流程是先測水分后測揮發(fā)分最后測灰分，國內(nèi) 外的儀器均如此，差異在于加熱溫度和升溫速率。按照中國的國標GB/T212-2008，煤樣在氮氣氣氛中加熱至 110左右并且加熱至恒重測定水分，然后在氮氣氣氛中升溫至 900左右并且保持 7 分鐘測揮發(fā)分，最后降溫至 815并且通入氧氣加熱至恒重測定灰分。根據(jù)測定結(jié)果可以計算出固定碳。按照美國的 ASTM 標準，煤樣在氮氣氣氛中加熱至 106左右并且加熱至恒重測定水分，然后在氮氣氣氛中升溫至 950左右并且保持 7 分

27、鐘測揮發(fā)分，最后降溫至 750并且通入氧氣加熱至恒重測定灰分。 本文中主要利用國標GB/T212-2008，測定煤的灰分。 目前，國內(nèi)采用熱分析技術(shù)來研制煤質(zhì)分析儀器的廠家多達幾十家。如長沙開元、長沙友欣、三德實業(yè)、鶴壁華泰、青島勝方、雞西智龍及南京電力環(huán)境保護科學(xué)研究所等等。1.3 基于熱分析技術(shù)的儀器的基本結(jié)構(gòu) 目前，市面上基于熱分析技術(shù)的煤質(zhì)分析儀器，其結(jié)構(gòu)形式主要有兩類：1、雙爐膛，單試樣輪流測試；2、多段溫度區(qū)，單試樣輪流測試。對應(yīng)的基本工藝流程是：1、水分同時測試揮發(fā)分輪流測試循環(huán)揮發(fā)分測試灰分同時測試（見圖 1.1，工藝流程 1）；2、單試樣水分測試單試樣揮發(fā)分測試單試樣灰分測試

28、循環(huán)試樣（見圖 1.2，工藝流程 2）。 這類儀器的缺點是，對于多試樣測試，時間長，速度慢，而且這類儀器的開發(fā)維護費用高，技術(shù)擴展性差，數(shù)據(jù)檢測精度低。 圖1.3是一種快速灰分測定儀，1為管式電爐，2是傳送帶，3是控制儀 對應(yīng)的工藝流程是：樣品放于一端，由傳送帶帶入電爐中灰化，當(dāng)從另一端出來時樣品已經(jīng)灰化完。儀器的缺點：自動化程度低，操作復(fù)雜，只能測試單件。圖1.4是一種其加熱爐膛為雙爐膛一體結(jié)構(gòu)，由測試水分的下爐體和測試揮發(fā)分灰分的上爐體組成，能夠?qū)崿F(xiàn)多試樣全過程的同時檢測的煤質(zhì)分析儀。 儀器的缺點是：體積大，不便攜帶，而且這類儀器的開發(fā)維護費用高。 1.4 基于射線分析技術(shù)儀器的基本結(jié)構(gòu)

29、圖1.5是目前市面上最常見的便攜式煤質(zhì)分析儀樣式，它利用同位素技術(shù)和微波技術(shù)測試煤的灰分與熱量；優(yōu)點：測試時間短，體積小。 儀器的缺點：有輻射，對人體有輻射傷害，嚴重影響了操作人員的身體健康。這類儀器的分析精度與煤種及測試煤層厚度有很大相關(guān)性，精度波動較大。 1.5 本章小結(jié) 本章首先對現(xiàn)有的煤質(zhì)分析用的技術(shù)做了詳細的介紹，并指出其優(yōu)缺點。通過分析，可以看出基于射線的測試方法均對人體有輻射傷害，嚴重影響了操作人員的身體健康。且這類測試方法的測試精度與煤種及測試煤層厚度有很大相關(guān)性，精度波動較大。基于瞬發(fā)伽瑪中子活化分析法(PGNAA )的投資大，技術(shù)復(fù)雜，不易標定。采用熱分析技術(shù)的測試是研究的

30、一個重點，但目前采用熱分析技術(shù)的儀器測試時間過長，特別是多試樣檢測時。第二節(jié)介紹了熱分析技術(shù)的概念，并就其在煤質(zhì)分析技術(shù)中的應(yīng)用做了概述。第三節(jié)介紹了當(dāng)前基于熱分析技術(shù)儀器的基本結(jié)構(gòu)并指出其缺點。第四節(jié)介紹了當(dāng)前便攜式煤質(zhì)分析儀的基本樣例，并指出其缺點。第二章 煤質(zhì)灰分分析的理論與實驗 本文中，煤質(zhì)的灰分分析方法利用的是國標GB/T212-2008，該國標為煤的工業(yè)分析標準。煤的工業(yè)分析也叫技術(shù)分析和實用分析，通常包括水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳四項。工業(yè)分析是一切工業(yè)用煤的基礎(chǔ)資料，也是了解和研究煤質(zhì)的最基本的特性參數(shù)，特別是水分、灰分、揮發(fā)分?；曳肿鰹槊嘿|(zhì)量的最重要的參數(shù)，本文中取其為測試標

31、準參數(shù)。2.1 煤中礦物質(zhì)和煤的灰分及其重要性 煤中礦物質(zhì)是除水分外所有無機物質(zhì)的總稱。主要成分一般有黏土、高嶺石、黃鐵礦、方解石等。煤的灰分（ash）是指煤中所有可燃物質(zhì)完全燃燒時，煤中礦物質(zhì)在一定溫度下經(jīng)過一系列分解、化合等剩下的殘渣（A%），灰分是煤在規(guī)定操作下的變化產(chǎn)物，由氧化物和相應(yīng)的鹽類組成，既不是煤中固有的，更不能看成是礦物質(zhì)的含量，稱為灰分產(chǎn)率更確切。煤在作為燃料或加工轉(zhuǎn)化的原料時，幾乎都是利用煤中的有機質(zhì)。 煤中礦物質(zhì)一般有三個來源：原生礦物質(zhì)、次生礦物質(zhì)和外來礦物質(zhì)。煤高溫燃燒時，大部分礦物質(zhì)發(fā)生多種化學(xué)反應(yīng)，與未發(fā)生變化的那部分礦物質(zhì)一起轉(zhuǎn)變成灰分。煤灰分主要是由金屬和非

32、金屬的氧化物和鹽類組成，在工業(yè)生產(chǎn)中，煤灰是指煤用作鍋爐燃料和氣化原料時得到的大量灰渣。 灰分的影響：、影響燃燒過程，隨著灰分的增加，著火速度推遲，燃燒溫度下降，熄火溫度上升，燃燒穩(wěn)定性下降。、影響鍋爐熱損失的大小，隨著灰分的增加，鍋爐的機械不完全燃燒損失，飛灰和爐渣帶走的物理熱損失、排煙熱損失等將增加。、影響排灰量的多寡，隨著灰分的增高，除塵設(shè)備和排渣設(shè)備的能力、儲灰場容量均需增加。、影響鍋爐熱效率，隨著灰分的增加，鍋爐熱效率下降，特別是當(dāng)灰分超過 40時，熱效率與灰分將以反比線性關(guān)系急劇下降。、影響安全運行，隨著灰分的增高，備煤系統(tǒng)等相關(guān)設(shè)施的部件磨損將大幅增加、管路腐蝕加劇，從而造成安全

33、隱患。 2.2 基于煤質(zhì)熱解特性的分析儀升溫速率的探討 2.2.1 同一升溫速率下的熱解特性分析 煤的熱解是指煤在隔絕空氣或惰性氣體中持續(xù)加熱升溫且無催化作用的條件下發(fā)生的化學(xué)和物理變化，在這一過程中化學(xué)鍵的斷裂是最基本的行為。煤的熱解機理、產(chǎn)物的性質(zhì)及分布情況受到煤的性質(zhì)、加熱速率、傳熱和熱解氣氛等特定條件的顯著影響。煤在隔熱空氣條件下加熱時，煤的有機質(zhì)隨溫度升高發(fā)生一系列變化，形成氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)產(chǎn)物。國外學(xué)者 van Krevelen和后期的研究者曾用熱天平研究煤的熱解過程，我國學(xué)者郭樹才等也用熱重分析研究了煤的熱解歷程和和升溫速率的影響。這里引用我國學(xué)者桂秋，盧洪波的分析數(shù)據(jù)。實驗溫度

34、依據(jù)GB/T212-2008煤的工業(yè)分析方法快速測定法的溫度。煤樣在氮氣條件下，從室溫升至150后恒溫 10min，測得水分；然后繼續(xù)升溫至 900恒溫 7min，測得揮發(fā)分；接著將溫度降至815，加入氧氣，恒溫 40min 或灼燒至恒重，測得灰分。實驗條件：氮氣流量 80mlmin；加熱速率 50min；煤樣：粒度0.2mm，空氣干燥基 18±2mg。 2.2.2 不同升溫速率下的熱解特性分析實驗研究了幾種不同升溫速率對煤熱解 TGDTG 曲線的影響(圖 2.1)。由圖可以看出，隨升溫速率的增大，曲線峰值加大，反應(yīng)的起始溫度和終止溫度均增高，TG 曲線向高溫側(cè)移動，而且溫度區(qū)間有所

35、變小，最大失重速率增大，產(chǎn)生熱滯后現(xiàn)象。因為煤的熱解是吸熱反應(yīng)，同時煤的導(dǎo)熱性能差，故反應(yīng)的進行和揮發(fā)分的析出需要一定的時間。當(dāng)升溫速率增加時，由于部分樣品來不及揮發(fā)、部分結(jié)構(gòu)來不及分解，需要在更高的溫度下?lián)]發(fā)和分解，而產(chǎn)生熱滯后現(xiàn)象。實驗還發(fā)現(xiàn)熱滯后現(xiàn)象并不與升溫速率成正比增長，當(dāng)升溫速率過快時，TG 曲線的起始溫度和終止溫度增高反而不明顯。升溫速率過快 DTG 曲線出現(xiàn)明顯的雙峰，析出物質(zhì)開始發(fā)生變化。雖然熱解在不同升溫速率下，其過程有所不同，然而，熱解達 900終溫時，失重曲線趨于一致，即煤樣的最終失重幾乎不變，說明熱解溫度達 900終溫時，煤熱解的最終失重不隨升溫速率的變化而改變，僅與

36、終溫有關(guān)。 2.2.3 熱解轉(zhuǎn)化率分析 利用模擬煤進行熱解轉(zhuǎn)化率分析，實驗裝置為 PRT-1 型熱重分析儀，實驗條件：常壓氣氛，流量 65ml/min，樣品量 100200mg，升溫速率為 10/min，終溫為 900。表 2.2 為模擬煤的組成，表 2.3 為 6 種模擬煤在不同溫度下的熱解轉(zhuǎn)化率。分析表中數(shù)據(jù)，可以認為在 900溫度下，揮發(fā)分可以全部釋放出來。定義熱轉(zhuǎn)化率為：m/m×100，m 表示在熱解過程中某時刻之前產(chǎn)生的揮發(fā)分的質(zhì)量（g）；m表示在整個熱解過程中產(chǎn)生的揮發(fā)分的質(zhì)量（g）。 表 2.2 模擬煤的組成 編號 鏡質(zhì)組 惰質(zhì)組 殼質(zhì)組 編號 鏡質(zhì)組 惰質(zhì)組 殼質(zhì)組

37、1 26.67 6.67 66.66 4 34.84 4.34 60.82 2 17.29 21.74 60.87 5 25.79 16.11 58.09 3 12.95 29.08 57.97 6 44.45 18.53 37.03 2.2.4 最終恒溫時間的影響 在 900(恒溫)條件下考察煤種(神府、榆林、大同、淄博和潞安煤)對快速熱解影響。煤粒度 0.15mm0.3mm，煤樣用量 7.5mg10mg，其快速熱解反應(yīng)見圖 2.2。由此圖 2-2 可知，不同煤種在 900下的失重是不同的，但是它們的熱解表現(xiàn)出相似規(guī)律，都是在很短的時間內(nèi)（約 8 秒鐘）快速析出揮發(fā)分，然后的失重很緩慢，其熱

38、解曲線基本成水平狀態(tài)。 2.2.5 結(jié)論與指導(dǎo)意義 2.2.5.1 結(jié)論 (1)在同一升溫速率下，不同煤的熱解過程有所不同，隨升溫速率的增加和煤化程度的提高，熱解起始溫度相應(yīng)增加，揮發(fā)分主要集中在 400500之間揮發(fā)出來，揮發(fā)分最大析出速率溫度在 480555之間。 (2)升溫速率對熱解過程有很大影響：增加升溫速率，揮發(fā)分的析出會產(chǎn)生熱滯后現(xiàn)象。然而，熱解達 900終溫時，失重曲線趨于一致，即煤樣的最終失重幾乎不變，煤熱解的最終失重不隨升溫速率的變化而改變，僅與終溫 900有關(guān)。 (3)最終失重與升溫速率無關(guān)，它僅與熱解終溫相關(guān)聯(lián)，不同煤化程度煤均呈現(xiàn)同一規(guī)律。 (4)煤的最大失重速率溫度與

39、氧含量以及最終失重與煤的揮發(fā)分有良好的相關(guān)性。 2.2.5.2 指導(dǎo)意義 以上結(jié)論對于研究新型儀器的意義在于：確定最佳的升溫曲線和升溫速率，指導(dǎo)加熱爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計和溫度場的控制，實現(xiàn)精確條件下的快速檢測。2.3 實驗數(shù)據(jù)分析及回歸處理 為了進行數(shù)據(jù)分析及回歸處理，在此引用陳剛的實驗數(shù)據(jù)。為了能夠盡量縮短煤質(zhì)檢測的時間，提高本儀器的檢測速度，以下實驗利用韶山氮肥有限公司相關(guān)設(shè)備，以 GB/T 212-2008為依據(jù)進行了灰分在不同步驟下了的實驗。 此實驗采用的煤樣為漣源煤，設(shè)備有長沙儀器儀表廠 704-5 型電熱鼓風(fēng)干燥箱、長城電爐廠 SX-4-10 電阻爐、精確度為 0.0001g 湘儀天平各一

40、臺。 2.3.1 灰分測試 測試步驟 1：用干燥過的坩堝稱取試樣，煤粉粒度小于 0.2mm；將煤樣放于分析儀中進行灼燒，溫度：815±10，灼燒時間 40 分鐘；將煤樣取出，空冷 5min 后，移入干燥箱中冷卻至室溫，時間約 20min。稱量記錄結(jié)果。 測試步驟 2：用干燥過的坩堝稱取試樣，煤粉粒度小于 0.2mm；將煤樣放于分析儀中進行灼燒，溫度：815±10，灼燒時間 40 分鐘；然后移至溫度為 110左右的環(huán)境中直接稱量，記錄結(jié)果。采用 4 組煤樣進行實驗，分析結(jié)果見表 2.10。 2.3.2 結(jié)果分析與數(shù)據(jù)回歸處理 由上面灰分成分的各組數(shù)據(jù)顯示，步驟 1 與步驟 2

41、 的檢測結(jié)果存在一定的差異。這是由于熱態(tài)下物質(zhì)具有很強的吸濕性的原因,當(dāng)溫度急劇下降時，因稱量瓶內(nèi)產(chǎn)生微負壓而吸入潮濕空氣，從而影響測試結(jié)果。 2.3.2.1 一元線性回歸方程的確立根據(jù)以上實驗數(shù)據(jù)的觀察，可以看出 X、Y 之間存在一定的關(guān)系，即 Y+X+，、是未知參數(shù)，是隨機變量。為了確定未知參數(shù)、的值，可以根據(jù)以上數(shù)據(jù)樣本（X1,Y1）、（X2,Y2）、（X3,Y3）、（X4,Y4）找到、的估計值 ,則經(jīng)驗回歸函數(shù)為： 稱為回歸系數(shù)，可以利用最小二乘法來確定，即： 2.3.2.2 灰分數(shù)據(jù)分析及處理 表 2.10 數(shù)據(jù)對比顯示，測試步驟的改變影響了最終的測試成分，但影響程度趨于一致化。根據(jù)

42、公式（2.4）、（2.5），可以算出：則一元線性回歸方程：Y=-0.05%+X。而此時，數(shù)據(jù)間最大偏差0.55-0.460.09<0.20%，回歸后數(shù)據(jù)的最大偏差0.550.50.05<0.20%，均滿足測定要求。其中 0.20為灰分重復(fù)性誤差最小值，參見表 2.5。2.3.2.3 結(jié)論 根據(jù)以上實驗數(shù)據(jù)的變化趨勢，本課題擬采用測試步驟 2 來設(shè)定測試程序，這將縮短測試時間25min 左右。同時通過以上的數(shù)據(jù)分析，可以看出可以采用數(shù)據(jù)回歸的方法來進行數(shù)據(jù)處理，從而保證了數(shù)據(jù)的準確性，并且符合 GB/T2122008國家標準。2.4 本章小結(jié) 本章第一節(jié)詳細介紹了煤質(zhì)分析的灰分及其重

43、要性。第二節(jié)分析和闡述了前人研究的結(jié)果及其具體的實驗，得出了煤質(zhì)熱解的相關(guān)特性。第三節(jié)闡述了前人的實驗得出的煤質(zhì)熱解的相關(guān)特性，并確定簡化測試步驟可以縮短檢測時間25min 左右。通過本章分析，為本課題所研究的快速煤質(zhì)分析儀器提供了理論支持。 第三章 儀器的加熱系統(tǒng)研究 本實驗儀器的加熱爐是很關(guān)鍵的部件，文章從加熱爐的加熱機理出發(fā)，指出了結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性。3.1 加熱爐的基本理論 加熱爐是本儀器的一個很關(guān)鍵的部件。加熱爐的形狀結(jié)構(gòu)、加熱體的布置及爐體材料的選擇都對整個加熱爐的功效有很大的影響，本節(jié)將引入加熱爐的基本理論。 3.1.1 對流換熱 流動著的氣體、液體與其接觸的固體表面之間的熱交換稱

44、為對流換熱。如圖3.1 所示，加熱爐對流換熱的基本形式有三種。而影響對流換熱的因素包括：流體流動的原因、流動流動性質(zhì)、流體的物理性質(zhì)、加熱爐的形狀結(jié)構(gòu)和加熱爐的位置等。 3.1.1.1 平壁的自然對流換熱系數(shù)的確定 式中；：對流換熱系數(shù) W/(.K) t：流體和固體表面的溫度差 K K：系數(shù)，垂直表面 K=2.2 朝上水平面 K=2.8，朝下水平面 K=1.4 3.1.1.2 爐內(nèi)強制對流換熱系數(shù)的確定 式中：對：對流換熱系數(shù) W/(.K) v：爐氣的實際流速 m/s K：爐溫系數(shù)，100，K=4.8；200，K=4.18；300，K=3.47； 400，K=3.36；500，K=3.19；6

45、00，K=3.09 3.1.2 輻射換熱 任何溫度在絕對零度以上的物體都會產(chǎn)生熱輻射，即以電磁波的形式向四周傳播能量，其中波長范圍為 0.1100m 的紅外線和光波，可被物體吸收，并重新轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。物體受熱后一部分被吸收變?yōu)闊崮堋⒁徊糠直环瓷?、一部分被透過。 3.1.2.1 物體的輻射能力 根據(jù)斯蒂芬波爾茨曼定律，物體的輻射能力與其本身絕對溫度的四次方成正比，數(shù)學(xué)表達式為： 式中 E：物體的輻射能力 W/ C：物體的輻射系數(shù) W/(.） ：物體的黑度 ：絕對黑體的輻射系數(shù)，5.67W/(.）3.1.2.2 兩平行平面的輻射熱交換 式中:溫度的高的平面 1 向溫度低的平面 2 所輻射的熱量 W

46、:平面 1 的絕對溫度 K :平面 2 的絕對溫度 K F:輻射熱交換面積 ：輻射系數(shù) 5.67W/(.）3.1.3 多層圓筒壁的傳導(dǎo)傳熱 其計算的公式是： 界面溫度的驗算公式為： 式中 t:平均溫度 ：熱導(dǎo)率 W/m.K Q:傳熱量 W3.1.4 溫度梯度和溫度場表述物體內(nèi)具有相同溫度的各點所組成的面稱為等溫面。物體內(nèi)相鄰的兩個等溫面之間的溫度差t，與其沿法線方向距離n 的比值的極限稱為溫度梯度。 溫度梯度在三個坐標軸上的分量等于其相應(yīng)的偏導(dǎo)數(shù)，即，。溫度梯度是一個向量，從低溫到高溫的方向為正，反之為負。 溫度場是指傳熱過程中，在物體或傳熱體系內(nèi)，溫度在空間和時間上的分布情況。若溫度沿 x、

47、y、z 三個方向都有變化，稱為三向溫度場，即： t=f(x,y,z,) 式中：t：溫度，：時間若溫度只在一個方向上有變化，則稱為單向溫度場， 即 t=f(x,)這種隨時間而變化的溫度場稱為不穩(wěn)定溫度場。如果各點溫度不隨時間變化，稱為穩(wěn)定溫度場。單向穩(wěn)定溫度場表示為：t=f(x)。3.2 加熱爐溫度場分析 通過第一章的分析，我們知道當(dāng)前基于熱分析技術(shù)的煤質(zhì)分析儀器基本上都是采用分體雙爐膛加熱或者多溫段加熱。其中低溫爐膛進行水分和灰分的測量；而高溫爐膛進行揮發(fā)分的測量，但是揮發(fā)分測量只能進行單個試樣的加熱。也就是說在進行多試樣檢測時，需要按順序?qū)⒃嚇铀腿敫邷貭t膛，這種工藝流程不滿足快速測試的要求。

48、煤質(zhì)分析儀器中還沒有多試樣同時檢測的產(chǎn)品，若能將多個試樣的揮發(fā)分檢測同時進行的話，將縮短時間?；诳焖贆z測的思想，本論文提出了一種單爐多試樣同時檢測的煤質(zhì)分析儀加熱爐設(shè)計，其加熱爐采用微波加熱的技術(shù)，使得加熱時間大大減少。 基于現(xiàn)有的煤質(zhì)分析儀一般都如電阻絲類，其加熱緩慢，灰化過程往往要需要幾個小時甚至幾十個小時；若采用單磁控管加熱，可大大減少升溫時間和灰化時間。3.2.1 煤質(zhì)分析儀的基本架構(gòu)設(shè)計簡介（詳細見第四章） 圖3.2 本文設(shè)計的便攜式煤質(zhì)分析儀 3.2.1.1 基本結(jié)構(gòu) 為實現(xiàn)便攜型，本設(shè)計采用單爐體加熱的方法，以減小儀器的體積；并且將爐門設(shè)計在爐頂以減少爐內(nèi)空間，進而減小儀器體積

49、。為加快煤質(zhì)分析的速度，本文所設(shè)計的煤質(zhì)快速分析儀的基本思路是：采用微波加熱技術(shù)，采用多樣件同時加熱灰化。其最大的優(yōu)點是：多試樣同時測試，測試時間短，精度高。本課題研究的便攜式快速煤質(zhì)分析技術(shù)，技術(shù)測試標準符合 GB/T2122008，包括加熱系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)五大部分。其基本架構(gòu)如圖 3.2 所示。3.2.1.2 工藝流程簡介首先將樣品放于稱重桿上，合上爐門，稱重傳感器開始自動記錄重量；通電磁控管，開始加熱至（81510）；至樣件質(zhì)量恒定不變。 3.2.2 加熱爐溫度場有限元分析3.2.2.1 加熱爐導(dǎo)熱微分方程根據(jù)熱力學(xué)第一定律及付立葉定律，得到結(jié)構(gòu)熱平衡方程

50、為： 其中, 分別為三個坐標軸方向上熱傳導(dǎo)系數(shù)；q 為單位體積生熱率；c 為比熱容。 該熱平衡方程的邊界條件為：(1) 已知某些邊界上溫度條件(Ts)；(2) 已知某些邊界上熱流密度(Qs)；(3) 已知某些邊界上對流(h)和輻射條件。 3.2.2.2 溫度場有限元分析方程溫度場有限元分析方法核心為：將復(fù)雜結(jié)構(gòu)離散成互不重疊的形狀簡單的單元，在單元局域內(nèi)選取近似函數(shù)進行插值，然后疊加成最后控制方程，確定溫度場。由此得到有限元方程： 其中，Kk為熱傳導(dǎo)矩陣，Kk=vBTKBdv，B為形函數(shù)導(dǎo)數(shù) Bi= Ni；Kc為對流矩陣，Kc=Nsds；C=CNdv； Q為節(jié)點熱流矢量，Q=Qb+Qs+Qc，

51、Qb,Qs,Qc 分別為節(jié)點上當(dāng)量體與表面集中熱流、集中節(jié)點熱流輸入矢量；Qe為對流節(jié)點熱流輸入矢量，Qe=ds。 根據(jù)單元平衡控制方程進行擴展，并依據(jù)節(jié)點號進行組集，得到總體平衡方程；求解該方程組,從而得到瞬態(tài)溫度場；（2）式中溫度 T 為常數(shù)時,該式變?yōu)榉€(wěn)態(tài)溫度場方程。3.3 本章小結(jié)本章從加熱爐的加熱機理出發(fā)，介紹了加熱爐的基本理論。在采用熱重分析技術(shù)的前提下，這種加熱爐膛的設(shè)計具有快速檢測可行性，可以同時進行多試樣的灰分檢測。第四章 儀器的架構(gòu)設(shè)計 本課題所研究的煤質(zhì)（焦）快速分析儀，技術(shù)測試標準符合 GB/T2122008，包括加熱系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)五大

52、部分。4.1 便攜式煤質(zhì)分析儀的基本架構(gòu)設(shè)計 4.1.1 本儀器依靠國標GB/T212-2008 設(shè)計的主要指標 試 樣 數(shù)：8 個 試樣重量：煤樣 1±0.1g，精確至 0.0002g 最高爐溫：900 控溫精度：±3 分析時間：60min 功 率：1.4kW 測試精度：符合 GB/T212-2008 標準 4.1.2 本儀器的技術(shù)解決方案 此快速煤質(zhì)分析儀器采用熱重分析技術(shù)，爐膛為單爐膛結(jié)構(gòu)，爐中布置有多試樣與稱量桿，稱重桿下各連有一個稱重傳感器。便攜式快速煤質(zhì)分析儀器的主要工藝流程為：首先將樣品放于稱重桿上，合上爐門，稱重傳感器開始自動記錄重量；通電磁控管，開始加熱至

53、（81510）；至樣件質(zhì)量恒定不變。其最大特點是:多試樣同時測試,磁控管加熱，加熱時間少。 4.1.3 基于熱分析技術(shù)測試方法的比較 我們擬設(shè)計的煤質(zhì)分析儀器能夠?qū)崿F(xiàn)煤質(zhì)的安全快速分析和高精度的測試結(jié)果，其與現(xiàn)行的分析儀器的比較見下表 4.1。 表 4.1 本課題研究儀器與已有便攜式的儀器的對比項目已有儀器研究儀器解決問題機構(gòu)形式無爐膛，單爐膛采用熱重分析技術(shù)，提高精度檢測誤差大較小全過程監(jiān)測，減少誤差儀器技術(shù)利用射線技術(shù)熱重技術(shù)沒有輻射危害，購買更方便測試精度一次只能測一個地方或一個區(qū)域可同時測多分減小系統(tǒng)誤差，提高測試精度4.1.4 快速煤質(zhì)分析儀器的基本架構(gòu)設(shè)計 圖4-1 本文設(shè)計的便攜式煤質(zhì)分析儀1-磁控管 2-稱重傳感器 3、4-螺釘 墊片 5-托架 6-保溫腔 7-稱重桿 8-發(fā)熱體 9-爐門10-出氣孔11-外殼 12-合頁