CN112557426A - X射线煤热值、灰分、水分、炭测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种“X射线煤热值、灰分、水分、炭测量仪及其测量方法”，它包括采集装置、测量装置、X射线源与X射线探测器、卸料装置和数据采集控制器。数据采集控制器接收X射线探测器信号U₀，U_i和静态煤质参数检测仪测量的信号Q_标、A_标、M_标、V_标，并按测量的数学模型计算煤质参数热值Q_测、灰分A_测、水分M_测、炭C_测。专利还公开了其测量方法。“X射线煤热值、灰分、水分、炭测量仪”可应用于煤炭生产、加工和利用的各个领域，实现对其生产工艺过程中煤的离线快速测量和在线的实时测量。它对提高产品煤的质量、提高煤的利用率以及燃烧效率、减小排放都有重要意义。

Description

X射线煤热值、灰分、水分、炭测量仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及煤质参数及煤热值的离线与在线测量，特别涉及采用X射线技 术对煤质参数和热值的测量。

背景技术

我国是煤炭生产大国，产量占世界第一位，煤炭是我国主要能源之一，以 煤炭为主要能源的格局在短期内难以改变，我国煤炭分布广、产地多、煤种多 样、煤质变化大，给煤炭生产、加工和利用带来许许多多困难，煤质参数的快 速检测和在线检测可为煤炭生产、加工、利用等多领域的自动控制提供必要的 煤质参数数据，对提高产品质量、精细化控制、提高煤炭利用率、减少消耗量、 减少污染排放量都具有重要意义。

早在上世纪九十年代，世界各国相继开展煤质参数在线检测工作，如美国 生产的CQM、ECA、1812C、UR中子活化法煤质分析系列产品，澳大利亚生产的 COALSA3500双能γ射线灰分在线检测仪，德国生产的LB400型双能γ射线型 以及清华大学的双能γ射线型炭粉在线检测，此外还有利用微波法测量煤水分 等，直至目前位置，尚未见到采用X射线方法对煤质参数：热值、灰分、水分、 炭等多煤质参数的测量。

发明内容

本发明解决的技术问题有：

1、根据煤质工业分析方法及射线与物质相互作用原理，建立煤质参数与 X射线测量之间的函数关系，并导出煤质参数(热值、灰分、水分、炭)对X_i的数学 模型；

2、建立煤质参数与测量参数数据库，采用自动跟踪、自动修正测量参数 方法，使测量参数K_Q、K_A、K_M、K_C随煤质静态测量参数Q_标、A_标、M_标、V_标 变化而变化，解决多煤种、煤质参数变化大的测量问题；

3、解决煤质参数的静态(离线)快速测量和实时在线测量的测量方法。

“煤质工业分析方法”给出煤由水分、灰分、炭、挥发分构成，还指出其 构成物质质量百分比关系：M+A+C+V＝1，“物质与射线相互作用定律” 给出物质对X射线吸收之多少与物质的质量和该物质的射线衰减系数μ_ρ之关 系，根据物质与射线相互作用定律，用X射线测量被测煤时有：

S——X射线测量被测煤时的测量面积；

如被测煤的总重量为W_总，则有：

1)挥发分是气体占有重量小，并且μ_ρ挥也很小，对X射线吸收来说可以 忽略不计。

2)被测煤对X射线吸收的多少是与构成煤的水分重量W_水、灰分重量W_灰、 炭重量W_炭有关或与单位质量下的水分M％、灰分A％和炭C％有关，即有 X_i＝f(W_水、W_灰、W_炭)或X_i＝f(M％、A％、C％)函数关系。

由此用静态煤质参数检测仪测量煤样的煤质参数Q_标、M_标、A_标、C_标、 V_标作为标准值对X_i进行标定可得测量参数K_Q、K_M、K_A、K_C，测量数学模型为：

Q_测＝K_Q×Q_计

Q_计＝C₀-K₁×M_测-K₂×A_测-K₃×V_标

式中，K_Q、K_M、K_A、K_C——标定系数；

C₀、K₁、K₂、K₃——热值计算公式系数；

其测量参数K_Q、K_M、K_A、K_C是自动跟踪Q_标、M_标、A_标、C_标并随 Q_标、M_标、A_标、C_标变化而变化。

综上本发明的技术特征在于，用一个X射线源和一个X射线探测器同时测 量出四个煤质参数Q_测、M_测、A_测、C_测，并且四个煤质参数的四个测量参数K_Q、K_M、K_A、K_C是随Q_标、M_标、A_标、C_标变化而变化的。

一种“X射线煤热值、灰分、水分、炭测量仪及其测量方法”，其特征包 括：

采集装置，用于采集被测煤，并将被测煤送至测量装置；

测量装置，用于将被测煤送至X射线测量区；

X射线源，用于发射X射线；

X射线探测器，用于接收X射线并将X射线转化成电信号U₀，U_i，X射线源 与X射线探测器一起构成X射线测量区；

卸料机构，用于将被测煤卸掉；

仪器外壳与支架，用于安装各个部件；

数据采集控制器，用于接收X射线探测器信号U₀，U_i和接收静态煤质参数 检测仪测量的Q_标、A_标、M_标、V_标信号；

数据采集控制器根据信号U₀，U_i和Q_标、A_标、M_标、V_标按以下数学模型， 计算出煤一个或多个煤质参数：

灰分

水分

炭

热值Q_测＝K_Q×Q_计…………(4)

其Q_计＝C₀-K₁×A_测-K₂×M_测-K₃×V_标…………(5)

式中，U₀-无物料时X射线探测器输出信号；

U_i-有被测物料时，X射线探测器输出信号；

K_A、K_M、K_C、K_Q-标定系数或称测量参数；

C₀、K₁、K₂、K₃-热值计算公式系数。

所述的“一种X射线煤热值、灰分、水分、炭测量仪及其测量方法”，其 特征是，所述标定系数K_A、K_M、K_C、K_Q是根据静态检测仪测量的煤质参数 Q_标、A_标、M_标、V_标，并对X_i进行标定而确定的，且采用数据库和数据处理方 法自动跟踪Q_标、A_标、M_标、V_标的变化自动修正K_A、K_M、K_C、K_Q值即 K_A、K_M、K_C、K_Q值随Q_标、A_标、M_标、V_标变化而变化。

所述的“一种X射线煤热值、灰分、水分、炭测量仪及其测量方法”，其 特征是，所述系数C₀、K₁、K₂、K₃是根据煤种热值计算公式确定或利用数据 库中Q_标、A_标、M_标、V_标及数据处理方法而确定。

所述的“一种X射线煤热值、灰分、水分、炭测量仪及其测量方法”，其 特征是，所述测量装置是输送机或是测量管或是测量杯；所述采集装置是煤样 采样器或是采样输送机或是落料料斗；所述卸料装置是输送机或是卸料机或是 闸门。

所述的“一种X射线煤热值、灰分、水分、炭测量仪及其测量方法”，其 特征是，所述X射线源的管电压＜100KV，管电流＜1mA；X射线探测器是闪烁 计数器或是电离室或是半导体探测器或是计数管。

所述的“一种X射线煤热值、灰分、水分、炭测量仪及其测量方法”，其 特征是，所述测量方法包括如下步骤：

步骤1，仪器初始化，输入各种常数及热值计算公式；

步骤2，标定K_A、K_M、K_C、K_Q；

步骤2-1，无被测煤时，测量零点U₀；

数据采集控制在无被测煤时接收X射线探测器输出信号U_i，并计算出

n₁-采集次数；

步骤2-2，输入被测煤进行测量；

数据采集控制器采集探测器信号U_i，并计算出

n₂-测量时间， 并在测量的同时，随机采集被测量过的煤的煤样，并将收集好煤样封存送检测 室进行测量；

步骤2-3，采用静态煤质参数检测仪测量采集的煤样参数Q_标、A_标和C_标、 M_标、V_标并将其输入数据采集控制器；

步骤2-4，数据采集控制器根据信号U₀，U_i计算出

再根据 Q_标、A_标、M_标、C_标对X_i进行标定，得出标定数据，标定数据存入数据库；

步骤2-5，对步骤2-4重复N次，数据库存有N次的标定数据，数据采集 控制器根据数据库存有的N次数据采用数据处理方法，计算出系数K_A、K_M、 K_C和K_Q，并将K_A、K_M、K_C、K_Q存入数据库，定为测量参数；

步骤3测量；

步骤3-1，在无被测煤时，测量零点U₀；

数据采集控制采集X射线探测器输出信号U_i，并计算出

n₁- 采集次数；

步骤3-2，输入被测煤进行测量；

数据采集控制器采集X射线探测器信号U_i，并计算

n₂-测量 时间的采集次数；

步骤3-3，数据采集控制器根据U₀，U_i计算出

并从数据库中 取出测量参数K_A、K_M、K_C、K_Q及热值计算公式计算出：

A_测＝K_A×X_i

M_测＝K_M×X_i

C_测＝K_C×X_i

Q_测＝K_Q×Q_计

Q_计＝C₀-K₁×M_测-K₂×A_测-K₃×V_标

以上给出一个测量时间的煤质参数值；

步骤3-4，重复步骤3-2，3-3，进行不断测量，实时给出煤质参数的检测 数据；

步骤3-5，随时标定检验仪器和检验测量准确度。

在测量过程中可随时采集被测煤的煤样。

采用煤质参数静态检测仪测量出煤样的Q_标、A_标、M_标、V_标，并将其输入 数据采集控制器，数据采集控制器根据新给定的Q_标、A_标、M_标、V_标及数据库 存有的标定的历史数据计算出新的测量参数K_A、K_M、K_C、K_Q存入数据库，实 现K_A、K_M、K_C、K_Q跟随Q_标、A_标、M_标、V_标变化而变化。

上述“X射线煤热值、灰分和炭、水分测量仪及其测量方法”可应用于煤 的生产、加工利用的各个领域，可实现煤质参数的离线快速测量和煤的生产、 加工、利用的生产工艺过程中的在线测量如图1、图2、图3、图4所示。

附图说明

图1 X射线煤热值、灰分、水分、炭在线测量仪应用于生产现场示意图。

1-1上料皮带输送机(用户现场设备)；

1-2接料料斗；

1-1，1-2二者构成采集装置；

2-用户生产现场皮带输送机，即测量装置；

3-X射线源；

4-X射线探测器；

7-数据采集控制器；

8-物料，即被测煤；

10-激光测厚仪。

图2 X射线煤热值、灰分、水分、炭离线测量仪构成示意图。

1-接料料斗，与人工上料一起构成物料采集装置；

2-测量管，即测量装置；

3-X射线源；

4X射线探测器；

5-闸门，即卸料装置；

6-仪器外壳与支架；

7-数据采集控制器；

8-物料，即被测煤；

11-破碎机。

图3采用重锤式取样器取样在线测量示意图。

1-1重锤式取样器(用户现场设备)；

1-2接料料斗；

1-1，1-2构成采集装置；

2-皮带输送机，即测量装置；

3-X射线源；

4-X射线探测器；

7-数据采集控制器；

8-物料，即被测煤；

10-角位式测厚仪。

图4采用螺旋输送机取样在线测量构成示意图。

1-1取料螺旋输送机；

1-2接料料斗；

1-1，1-2二者构成采集装置；

2-测量管，即测量装置；

3-X射线源；

4-X射线探测器；

5-卸料螺旋输送机，即卸料装置；

6-仪器外壳及支架；

7-数据采集控制器；

8-物料，即被测煤；

13-下料管(电厂制粉系统设备)

具体实施方式

本发明的“X射线煤热值、灰分、水分、炭测量仪”(以上简称“煤质 参数测量仪”)，可应用于煤炭的生产、加工和利用的各生产工艺过程的离线 与在线测量，由于各用户的生产工艺过程所用设备、条件值不同，所以本测量 仪的采集装置与测量装置的结构形式要随现场之条件不同所变化，以适应各现 场测量要求，但无论如何变化，其主要作用是将被测煤送至X射线测量区是不 变的，测量方法也是不变的，图1-图4给出各不同现场的应用实施例，下面 结合附图对专利实施作进一步阐述。

图1给出了“煤质参数测量仪”安装在用户生产现场皮带机上的示意图， 用户的皮带机作为“煤质参数测量仪”的测量装置，用户的前方输送机(1-1) 和本测量仪的料斗(1-2)构成采集装置，X射线源与X射线探测器安装在皮 带机的上方和下方，在皮带机的上方还设置一个激光测厚仪，用于测量皮带机 输送煤的厚度以对X_i进行修正，数据采集控制器接收X射线探测器信号U_i和静 态煤质参数检测仪测量的Q_标、A_标、M_标、V_标并按测量数学模型计算出 Q_测、A_测、M_测、C_测。

图2给出了“煤质参数测量仪”的离线快速测量构成示意图。测量管作为 测量装置，X射线源、X射线探测器安装在测量管两侧，闸门作为卸料装置， 测量时闸门关闭，X射线源-X射线探测器对测量管内被测煤进行测量，测量 完成后，开启闸门卸掉被测煤，如果人工采集的被测煤样粒度不均或太大，“煤 质参数测量仪”还可设置一个破碎机(11)，将采集的煤样先破碎，再人工将 破碎煤样倒入“煤质参数测量仪”进行测量。

该测量仪测量时间短(1-3分钟)，可及时指导生产工艺过程控制，此外 还可省掉现有灼烧法煤质参数测量的制样工序，节省时间、人力和物力。

图3给出了“煤质参数测量仪”在用户生产过程中对皮带机输送的煤中采 集出煤样，进行取样测量示意图，现有煤炭生产、加工、利用各生产工艺过程 中普遍采用重锤式取样器，对输送机输送的煤炭采集煤样，再用静态煤质参数 检测仪测量出Q_标、A_标、M_标、V_标。本“煤质参数测量仪”可取代静态煤质参 数检测仪，将测量仪置于重锤式取样器之后，接收取样器煤样，进行快速测量。

图中皮带输送机(2)作为测量装置，重锤式取样器(1-1)和料斗(1-2) 做采集装置，此外还设置一个角位移测厚仪(10)安装皮带输送机上方，用于 测量被测煤厚度，如果重锤式取样器采集煤样、粒度太大或不均，还可在重锤 式取样器与料斗之间设置一个破碎机，将煤样破碎，破碎后煤样进入“煤质参 数测量仪”进行检测。

图4给出“煤质参数测量仪”应用于燃煤电厂煤粉制备系统的示意图，“煤 质参数测量仪”安装在煤粉制备系统设备给煤机前方的下料管(13)处，对下 料管内燃煤取样进行测量。

取样螺旋输送机(1-1)和料斗(1-2)构成采集装置，如果燃煤粒度太大 也可在其之间设置破碎机，对煤样进行破碎；测量管(2)作为测量装置，X 射线源(3)和X射线探测器(4)安装在测量管两侧；卸料螺旋输送机(5) 作为卸料装置，“煤质参数测量仪”可实时测出下料管燃煤煤质参数，并同电 厂煤粉制备系统设备给煤机测出的燃煤重量一起实现燃煤热量的在线测量以 及实现入炉煤粉热量控制，对锅炉燃烧稳定性、提高燃烧效率、减少排放都有 重要意义。

本领域技术人员根据本专利技术特征和用户现场不同条件，可作出各种不 同的实施方案，可以测量出一个或多个煤质参数，但这些方案都是本专利技术 特征的具体体现，都属本专利保护范围。

Claims (6)

1.一种“X射线煤热值、灰分、水分、炭测量仪及其测量方法”，其特征包括：

采集装置，用于采集被测煤，并将被测煤送至测量装置；

测量装置，用于将被测煤送至X射线测量区；

X射线源，用于发射X射线；

X射线探测器，用于接收X射线并将X射线转化成电信号U₀，U_i，X射线源与X射线探测器一起构成X射线测量区；

卸料机构，用于将被测煤卸掉；

仪器外壳与支架，用于安装各个部件；

数据采集控制器，用于接收X射线探测器信号U₀，U_i和接收静态煤质参数检测仪测量的Q_标、A_标、M_标、V_标信号；

数据采集控制器根据信号U₀，U_i和Q_标、A_标、M_标、V_标按以下数学模型，计算出一个或多个煤质参数：

热值Q_测＝K_Q×Q_计…………(4)

其Q_计＝C₀-K₁×A_测-K₂×M_测-K₃×V标…………(5)

式中，U₀-无物料时X射线探测器输出信号；

U_i-有被测物料时，X射线探测器输出信号；

K_A、K_M、K_C、K_Q-标定系数或称测量参数；

C₀、K₁、K₂、K₃-热值计算公式系数。

2.根据权利要求1所述的“一种X射线煤热值、灰分、水分、炭测量仪及其测量方法”，其特征是，所述标定系数K_A、K_M、K_C、K_Q是根据静态检测仪测量的煤质参数Q_标、A_标、M_标、V_标，并对X_i进行标定而确定的，且采用数据库和数据处理方法自动跟踪Q_标、A_标、M_标、V_标的变化自动修正K_A、K_M、K_C、K_Q值即K_A、K_M、K_C、K_Q值随Q_标、A_标、M_标、V_标变化而变化。

3.根据权利要求1所述的“一种X射线煤热值、灰分、水分、炭测量仪及其测量方法”，其特征是，所述系数C₀、K₁、K₂、K₃是根据煤种热值计算公式确定或利用数据库中Q_标、A_标、M_标、V_标及数据处理方法而确定。

4.根据权利要求1所述的“一种X射线煤热值、灰分、水分、炭测量仪及其测量方法”，其特征是，所述测量装置是输送机或是测量管或是测量杯；所述采集装置是煤样采样器或是采样输送机或是落料料斗；所述卸料装置是输送机或是卸料机或是闸门。

5.根据权利要求1所述的“一种X射线煤热值、灰分、水分、炭测量仪及其测量方法”，其特征是，所述X射线源的管电压＜100KV，管电流＜1mA；X射线探测器是闪烁计数器或是电离室或是半导体探测器或是计数管。

6.根据权利要求1-5所述的“一种X射线煤热值、灰分、水分、炭测量仪及其测量方法”，其特征是，所述测量方法包括如下步骤：

步骤1，仪器初始化，输入各种常数及热值计算公式；

步骤2，标定K_A、K_M、K_C、K_Q；

步骤2-1，无被测煤时，测量零点U₀；

数据采集控制在无被测煤时接收X射线探测器输出信号U_i，并计算出

n₁-采集次数；

步骤2-2，输入被测煤进行测量；

数据采集控制器采集探测器信号U_i，并计算出

n₂-测量时间，并在测量的同时，随机采集被测量过的煤的煤样，并将收集好煤样封存送检测室进行测量；

步骤2-3，采用静态煤质参数检测仪测量采集的煤样参数Q_标、A_标和C_标、M_标、V_标并将其输入数据采集控制器；

步骤2-4，数据采集控制器根据信号U₀，U_i计算出

再根据Q_标、A_标、M_标、C_标对X_i进行标定，得出标定数据，标定数据存入数据库；

步骤2-5，对步骤2-4重复N次，数据库存有N次的标定数据，数据采集控制器根据数据库存有的N次数据采用数据处理方法，计算出系数K_A、K_M、K_C和K_Q，并将K_A、K_M、K_C、K_Q存入数据库，定为测量参数；

步骤3测量；

步骤3-1，在无被测煤时，测量零点U₀；

数据采集控制采集X射线探测器输出信号U_i，并计算出

n₁-采集次数；

步骤3-2，输入被测煤进行测量；

数据采集控制器采集X射线探测器信号U_i，并计算

n₂-测量时间的采集次数；

步骤3-3，数据采集控制器根据U₀，U_i计算出

并从数据库中取出测量参数K_A、K_M、K_C、K_Q及热值计算公式计算出：

A_测＝K_A×X_i

M_测＝K_M×X_i

C_测＝K_C×X_i

Q_测＝K_Q×Q_计

Q_计＝C₀-K₁×M_测-K₂×A_测-K₃×V_标

以上给出一个测量时间的煤质参数值；

步骤3-4，重复步骤3-2，3-3，进行不断测量，实时给出煤质参数的检测数据；

步骤3-5，随时标定检验仪器和检验测量准确度；

在测量过程中可随时采集被测煤的煤样；

采用煤质参数静态检测仪测量出煤样的Q_标、A_标、M_标、V_标，并将其输入数据采集控制器，数据采集控制器根据新给定的Q_标、A_标、M_标、V_标及数据库存有的标定的历史数据计算出新的测量参数K_A、K_M、K_C、K_Q存入数据库，实现K_A、K_M、K_C、K_Q跟随Q_标、A_标、M_标、V_标变化而变化。

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