水煤漿濃度測量技術(shù)綜述

杜興團，劉培峰，崔紅林，程 旭

（1.河南心連心化學(xué)工業(yè)集團有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453700；2.北京北分麥哈克分析儀器有限公司，北京 100095）

0 引言

水煤漿濃度指其中所含固體的質(zhì)量分數(shù)，水煤漿濃度直接影響氣化裝置的整體負荷和能耗指標，對于指導(dǎo)生產(chǎn)運行具有重要意義[1]。

根據(jù)氣化工藝及原料的區(qū)別，水煤漿加壓氣化工藝通常要求煤漿濃度≥58%，以實現(xiàn)氣化裝置的經(jīng)濟運行[2]。鄒杰等人研究了水煤漿濃度變化對氣化工藝能耗的影響，結(jié)果表明煤漿濃度的提高能夠顯著降低比氧耗、比煤耗[3]。張慧峰[4]、武林智[5]、李智[6]等人研究了水煤漿提濃對氣化效果的影響，結(jié)果表明煤漿濃度提高后，氣化有效氣量增加，提濃產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益。

水煤漿濃度參數(shù)對于生產(chǎn)運行，節(jié)能降耗，降本增效具有積極意義，因此水煤漿濃度測量具有重要價值。

1 水煤漿濃度測量方法

1.1 水煤漿濃度測定

根據(jù)術(shù)語定義，煤漿濃度C，單位為%[7]。煤漿濃度指標反映了煤漿中固體組分的質(zhì)量分數(shù)，即“固含量分數(shù)”。

煤漿濃度的試驗方法參照GB/T 1 8856.2-2008《水煤漿試驗方法 第2 部分：濃度測定》標準的規(guī)范要求，屬于烘干干燥法，取一定的煤漿樣品，烘干至恒重后，烘干前后的質(zhì)量比即為煤漿濃度。其計算公式為：

式（1）中：C 是水煤漿濃度，以質(zhì)量分數(shù)表示（%）；m1是干燥后的質(zhì)量，單位為克（g）；m0是取樣質(zhì)量，單位為克（g）。

烘干法的測量結(jié)果準確，目前仍是各化工企業(yè)的常態(tài)化測量手段。但取樣測定的時間較長，測量結(jié)果滯后，難以對生產(chǎn)運行產(chǎn)生實時的指導(dǎo)意義。烘干法的測量結(jié)果通常作為在線儀器的校準和驗證依據(jù)。

1.2 放射性同位素法

放射性同位素法，是根據(jù)射線與物質(zhì)作用后，射線的強度衰減來進行測量的[8]。該方法主要通過放射源釋放的γ 射線作為測量基準，當γ 射線通過物質(zhì)時，其強度公式滿足：

其中：E 是探測器接收到的γ 射線強度；E0是發(fā)射器發(fā)射出的γ 射線強度；B 是校正系數(shù)，在低能γ 射線情況下，近似為大于1 的常數(shù)；μ 是質(zhì)量吸收系數(shù)（cm2/g）；ρ是物料的密度（g/L）；d 是γ 射線通過的物料厚度。

對于確定的被測物質(zhì)，E0，B，ρ，d 均為常數(shù)，因此式（1）可寫為：

其中，a、b 為常數(shù)。

由式（2）可知，對于確定的被測物料，濃度c 的大小僅與被檢測到的γ 射線強度E 相關(guān)，且隨著物料濃度c 的增大，射線強度E 減弱。因此，可以通過γ 射線強度間接測量出物料濃度。

放射性同位素法的優(yōu)點是可以實現(xiàn)濃度的連續(xù)在線測量，但缺點是存在安全風(fēng)險，操作維護復(fù)雜。而且在長期配煤等情況下，系數(shù)a 難以保持穩(wěn)定，因此也會影響測量效果。同時，放射源的安全隱患大，維護成本高，經(jīng)濟性、安全性及長期穩(wěn)定性都難以滿足先進測量技術(shù)的要求。

1.3 超聲波法

超聲波在液固兩相流介質(zhì)中傳播，聲速、聲衰減等超聲量與介質(zhì)特性及狀態(tài)有關(guān)。因此，超聲波法通常將聲速或聲衰減作為測量參數(shù)[9]。對于水煤漿這類高濃度介質(zhì)，基于水動力學(xué)，耦合了聲速及聲衰減信號的測量模型如下：

式（4）中：復(fù)波數(shù)k=ω/c(ω) +iα(ω)；ω是超聲波頻率；c(ω)為聲速；α(ω)為聲衰減；參數(shù)S 是連續(xù)相密度、粘度，顆粒相粒度、體積濃度的函數(shù)[10]。

在物料特性穩(wěn)定的情況下，可通過對聲速和聲衰減量的檢測，測量出料漿濃度。但超聲波法的特性，決定了其濃度測量過程會受到密度、粘度、粒度的影響，同時工作溫度、工作壓力也會顯著改變超聲波的傳播特性，影響到濃度測量結(jié)果。

1.4 壓差法

壓差法的測量原理是：在一定的溫度條件下，認為濃度C 與煤漿密度ρ之間存在函數(shù)關(guān)系，即C=f1(ρ)。而煤漿密度ρ可以從漿液柱的壓差?p來得到，即C=f1(ρ)=f2(?p)，只要根據(jù)函數(shù)關(guān)系f1或f2就可測量出漿液濃度C[11]。

沿豎直方向布置至少兩個壓力傳感測點：p1、p2，其中?h是固有安裝尺寸，如圖1 所示。

圖1 壓差法原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of pressure difference method principle

圖2 電磁波透射波譜法原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the principle of electromagnetic wave transmission spectrum method

則煤漿密度ρ滿足：

其中，g 是當?shù)氐闹亓铀俣取?/p>

煤漿濃度C 可以通過煤漿密度ρ進行換算，換算公式為：

其中：ρm是煤漿密度，根據(jù)差壓法計算得到數(shù)據(jù)；ρs是干煤的真密度，由化驗室給出數(shù)值；ρw是水的密度，為常數(shù)。

壓差法測量煤漿濃度的原理比較簡單，測量的過程數(shù)值也比較容易獲取。但其測量過程受密度的影響非常大，如配煤引起干煤的真密度ρs的變化，溫度、壓力等工況變化造成的煤漿密度波動，制漿用水來源復(fù)雜導(dǎo)致水的密度ρw波動，這些因素都會影響壓差法的測量效果。

1.5 電磁波波譜分析法

電磁波波譜分析法基于原子吸收理論，不同樣品對同一波長的吸收能力不同。通過定向發(fā)射寬頻電磁波信號，即可得到介質(zhì)關(guān)于“頻率—吸收強度”的波譜模型[12]。

水煤漿中不同物質(zhì)在波譜圖中有不同的吸收峰，吸收峰的位置表征了物質(zhì)類型，吸收峰的高度和面積表征了物質(zhì)的數(shù)量。通過波譜分析，計算出不同物質(zhì)的數(shù)量、用煤的量/煤漿的量，就可以得到煤漿濃度。

電磁波波譜分析法是一種直接測量方法，測量過程與溫度、壓力等工況參數(shù)無關(guān)，且無需中間變量直接計算得到煤漿濃度。同時在配煤、制漿水變化等情況下，各物質(zhì)的吸收峰位置相對固定，不影響濃度測量，因此能夠避免配煤和制漿水變化的影響。

現(xiàn)場使用情況分析見圖3。

圖3 現(xiàn)場安裝、使用照片F(xiàn)ig.3 Photos of on-site installation and use

圖3 為現(xiàn)場使用情況照片，3 臺電磁波波譜濃度在線分析儀分別安裝在氣化裝置A、B、C 高壓煤漿管線上。在手動分析取樣時，在同一時間點讀取在線分析儀煤漿濃度讀數(shù)并記錄，與手動分析進行比對，每3h 取樣一次，3 臺濃度儀同時測試，得到表1 對比數(shù)據(jù)。

表1 手動分析與在線分析數(shù)據(jù)分析表Table 1 Data analysis table for manual and online analysis

表2 各測量技術(shù)的對比Table 2 Comparison of various measurement techniques

SD 標準偏差計算公式為：

其中，N 為總?cè)哟螖?shù)；xi為第i 次取樣時，在線分析儀的讀取數(shù)據(jù)；yi為第i 次取樣的手動分析數(shù)據(jù)。

標準偏差SD 值結(jié)果分別為A：0.29%；B：0.39%；C：0.40%。

同時，分析了A、B 線手動分析和在線測量結(jié)果，得到趨勢對比圖，見圖4。在線值與化驗值整體趨勢跟隨一致，在線值和化驗值兩條曲線的絕大部分點重合。

圖4 趨勢對比圖Fig.4 Trend comparison chart

基于該方法開發(fā)的煤漿濃度在線分析儀已在部分水煤漿氣化爐上應(yīng)用，取得了較好的使用效果，具有良好的應(yīng)用前景。

2 結(jié)語

本文分析了水煤漿濃度參數(shù)的重要意義，同時對目前水煤漿濃度測量的相關(guān)方法進行了綜述對比。影響煤漿濃度測量的因素有很多，包括配煤、粒徑、制漿水變化、溫度、壓力等工況參數(shù)變化的影響，實際測量時需綜合考慮這些影響因素。電磁波波譜分析法在業(yè)內(nèi)已具備一些應(yīng)用案例，且能夠解決各類工況變化的影響，具有良好的應(yīng)用前景。