微波在線檢測煤水分及其影響因素試驗的研究

(東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇 南京 210096)

0 引言

1 煤炭水分在線測量技術

目前應用于物料水分在線檢測的技術主要有中子法、近紅外法和微波法。這些方法各有其優(yōu)缺點。

中子法利用水分子中的氫原子核對快中子的慢化作用來測量物料水分，中子源發(fā)射出的快中子與氫原子相互碰撞而減速成慢中子，利用探測器檢測穿透物料后慢中子的密度，便能夠測出物料水分[3]。中子法的優(yōu)點是可以測量較大體積物料的水分，缺點是要求被測物料中除水以外不得再含有含氫物質(zhì)。由于煤炭揮發(fā)成分中含有氫且難以確定，故中子法不適用于煤炭水分檢測。

近紅外法利用水分子對特定波長的近紅外輻射有明顯強烈吸收作用來測量物料水分，水分含量不同對特定波長近紅外輻射的吸光度不同，測出特定波長的吸光度便可測量出物料水分[4]。近紅外用于在線檢測煤炭水分的優(yōu)點是可以同時對煤炭的多個參數(shù)進行分析；主要缺點是由于近紅外線穿透力弱，只能測量煤炭外在水分。

微波法通過空間輻射的方式穿過煤層[5]，不僅能夠測得煤炭外在水分，還能測得內(nèi)在水分，具有非接觸無損實時檢測、儀器無輻射危險、操作和使用安全等優(yōu)點。因此，微波測濕技術應用于煤炭水分在線檢測具有極大的技術優(yōu)勢。

2 微波測量煤炭水分原理

綜上所述，在一定條件下，煤炭水分、煤炭介電常數(shù)與微波強度衰減和相位偏移存在確定的數(shù)學關系，因此可以建立相關的數(shù)學模型來確定煤炭中的水分含量。在實際微波水分檢測技術中，通常越過介電常數(shù)，直接利用水分與強度衰減和相位偏移之間的數(shù)學模型來計算煤炭水分。

3 影響因素分析試驗

微波穿透煤層后的強度衰減和相位偏移不僅與煤炭水分有關，還同時與煤層厚度、堆密度、表面形狀等因素有關。這些因素變化時會對水分測量造成影響，因此有必要分別研究分析各因素的影響情況。

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3.1 試驗設備

試驗使用的設備主要有：安裝在輸煤皮帶上的微波水分儀、HN101鼓風干燥箱、淺盤、6 mm標準篩子、電子稱、分析天平、塑料容器、鐵鍬等。HN101鼓風干燥箱用來烘干試驗煤樣水分。根據(jù)烘干前后的質(zhì)量便可計算得到煤樣水分。塑料容器用來模擬工業(yè)輸煤皮帶。試驗過程中直接將煤樣倒入容器內(nèi)進行測量，容器內(nèi)部四周均標有刻度，試驗煤樣厚度能直接讀出。

微波水分儀的裝置示意圖如圖1所示。其測量過程為：微波振蕩器產(chǎn)生的微波經(jīng)同軸線傳輸至發(fā)射天線發(fā)出，向上穿透煤炭和容器后，被微波接收天線接收，微波數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)透射波前后的變化計算出強度衰減和相位偏移。

圖1 微波水分儀示意圖

3.2 試驗煤樣

試驗煤樣取自電廠煤場，煤種為煙煤。經(jīng)破碎、篩分、混合等工序使粒徑減小至6 mm以下，用淺盤稱取500 g煤樣，均勻攤平，放入已預先加熱至105～110 ℃的干燥箱中；干燥2～2.5 h后取出稱重，計算得到試驗煤樣的全水分值為15.28%。

3.3 試驗內(nèi)容

煤炭水分微波在線檢測過程中主要受到煤層厚度、堆密度和表面形狀的影響，下面分別通過相應的靜態(tài)試驗來研究分析各影響因素。

① 煤層厚度影響因素試驗

往容器中逐次添加煤樣并鋪平整,使煤層厚度從60 mm增加至200 mm，每次增加20 mm，記錄各個煤層厚度所對應的衰減和相移。

② 煤堆密度影響因素試驗

試驗過程采用壓實容器內(nèi)煤樣的方法增大煤樣的緊實度，從而增加煤樣的堆密度。先在容器內(nèi)鋪厚度為100 mm的平整疏松煤樣，壓實使厚度減至90 mm，測量90 mm平鋪壓實煤樣的衰減和相移；然后攪拌煤樣使其變疏松，取出一定量煤樣，測量90 mm平鋪疏松煤樣的衰減和相移，比較相同厚度的疏松和壓實煤樣的衰減和相移變化。按照以上操作，再分別測量出平整厚度為130 mm、170 mm的疏松和壓實煤樣的衰減和相移。

③ 煤層表面形狀影響因素試驗

試驗研究的煤樣形狀分別為平整、中間上凸20 mm、中間下凹20 mm。鋪中間上凸20 mm煤樣的方法是在平整煤樣中間堆積一中心高度20 mm的錐形煤樣，鋪中間下凹20 mm煤樣的方法是在平整煤樣中間挖去一中心深度20 mm的錐形煤樣。試驗時先后往容器內(nèi)平整鋪厚度為80 mm、120 mm的煤層，依次改變煤樣形狀，記錄各厚度下每個形狀的衰減和相移。

3.4 試驗結(jié)果及分析

煤層厚度對透射波衰減和相移影響的試驗結(jié)果如圖2和圖3所示。從圖2和圖3可以看出，衰減和相移與煤層厚度近似成二次函數(shù)關系，衰減和相移都隨著煤層厚度的增加而增大。微波水分儀發(fā)射出的微波在空間的傳輸路徑近似成一球體，其示意圖如圖4所示。試驗的厚度均小于球的中心厚度，隨著煤層厚度的增加，微波透射行程內(nèi)煤量和與微波電磁場相互作用的水分子電偶極子近似呈二次函數(shù)增加，因而表現(xiàn)出衰減和相移隨厚度近似呈二次函數(shù)增大。

圖2 煤層厚度對衰減的影響示意圖

圖3 煤層厚度對相移的影響示意圖

圖4 微波傳輸路徑示意圖

煤堆密度對衰減和相移的影響結(jié)果如表1所示。由表1可知，微波透射相同厚度的壓實煤樣的衰減和相移均比疏松煤樣大。由于壓實煤樣的堆密度比疏松煤樣的堆密度大，因此認為在其他影響因素不變的情況下，微波衰減和相移隨煤堆密度增大而增大。從絕對含水量的角度分析，對于相同厚度的同一品種煤樣，若堆密度增大，微波透射行程內(nèi)煤的絕對含水量增大，因而引起衰減和相移增大；從煤的相對復介電常數(shù)的角度分析，堆密度增大，煤混合物中空氣占的體積比減小，干煤和水占的體積比增大，因干煤和水的復介電常數(shù)比空氣的復介電常數(shù)大得多，所以煤的相對復介電常數(shù)增大，最終透射波的衰減和相移將增大。

表1 堆密度影響結(jié)果

煤層表面形狀因素分析試驗結(jié)果如表2所示。由表2試驗結(jié)果可知，與平整煤樣相比，中間上凸20 mm后衰減和相移將增大，中間下凹20 mm后衰減和相移將減小。分析其原因，煤層表面形狀由平整變?yōu)橹虚g上凸20 mm后，微波透射行程內(nèi)煤量增多，絕對含水量增多，因而衰減和相移將增大，中間下凹20 mm則恰好相反。

表2 煤層形狀的影響結(jié)果

4 影響因素補償措施

從以上試驗結(jié)果可以看出，煤層厚度、堆密度和形狀等因素變化會對衰減和相移產(chǎn)生影響，進而會對水分測量產(chǎn)生很大誤差。為了克服此影響，必須對各個影響因素制定補償措施。針對厚度影響，設計在微波水分儀的C形框架上臂安裝超聲波傳感器，利用超聲波測距技術實時測量煤層厚度。在線檢測過程中，超聲波傳感器實時測量傳感器與煤層上表面的距離，根據(jù)傳感器到輸煤皮帶的固定距離，從而計算出煤層厚度；再通過煤水分與微波參數(shù)和厚度的數(shù)學模型來確定煤水分含量，從而實現(xiàn)厚度補償。針對堆密度影響，由于沒有直接測量煤炭堆密度的儀器，只能通過間接

法測量出堆密度，德國BERTHOLD公司設計了采用透射γ射線實時測量煤層的堆密度[6-7]，但射線源有輻射危險，必須設計有嚴格的防護措施，使用和維護不方便。

從安裝位置角度考慮，微波水分儀若安裝在破碎機后的輸煤皮帶上，能有效減小堆密度變化的影響。煤炭經(jīng)過破碎后粒徑分布穩(wěn)定，堆密度變化很小，從而能有效補償堆密度的影響。對于煤層上表面形狀的影響，應盡可能保持輸煤皮帶上煤層形狀不變，在微波水分儀前面安裝一整形板，來煤通過整形板時自動刮平煤層，從而實現(xiàn)對煤層形狀影響的補償。

5 結(jié)束語

微波透射測濕技術具有快速非接觸式測量煤炭全水分、無輻射危險等優(yōu)點，與其他技術相比，該技術在煤炭水分在線檢測應用中更具有優(yōu)勢。同時，微波在線測量煤炭水分過程中會受到煤層厚度、堆密度、煤層形狀等因素影響，需要針對各個影響因素采取補償措施，才能實現(xiàn)煤炭水分的精確測量。

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