一种快速检测煤质灰分和热值的装置及方法

摘要

本发明提供一种快速检测煤质灰分和热值的装置及方法，包括：氧弹、压力检测单元、高压控制单元、节流单元、CO2检测单元、PLC控制单元、上位机，电子分析天平及电源；还包括一种快速检测煤质灰分和热值的装置及方法：用煤质燃烧前后质量比值确定灰分、用压力稳定后CO2浓度值与峰值压力确定煤质干基高位热值，用煤质干基高位热值确定煤质空气干燥基低位热值及用煤质空气干燥基低位热值等确定煤质收到基的低位热值，本发明对测试环境要求不高，测试快速、稳定。

说明书

技术领域

本发明属煤质质量检测、分析领域，具体的涉及一种用于快速检测煤质样品灰分和热值的装置和方法。

背景技术

煤的工业分析是了解煤质特性的重要指标，也是评价煤质的基本标准。根据工业分析测定煤中的水分、灰分、挥发分、固定碳的计算结果，硫含量，及其发热量的计算，可初步判断煤的性质，种类。各种煤的加工利用效果及其工业用途。工业分析测定的各个数据，是决定煤炭工业方向的理化指标。能真实反应煤自身特性的工业分析结果对煤的合理开发及科学有效利用具有可靠的指导意义。

现有技术采用马弗炉测量灰分，在实际测试中，为了达到效果，需要反复多次测量，试验要求高，测试时间长，不利于快速测量。

现有技术采用量热仪测量热值，具体方法是在氧弹量热仪中测定，取一定量的煤样，放于充有氧气的氧弹热量计中完全燃烧，氧弹筒浸没在盛有定量水的容器中，待煤样燃烧后放出的热量使得氧弹热量计量热系统的温度升高，通过测定水的温度升高值，即可计算热值，这种方法需要在水中测量，测量设备不便于移动，仅限于在实验室使用，对测试环境的要求高，不利于快速实时测量。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种能够实时同时测量煤样的热值和灰分，方法是通过测量煤质在过量氧气中燃烧发生的气体压力变化，检测待压力变化达到相对稳定的状态时的，通过煤质燃烧前后的质量比计算煤质灰分；以及通过CO2的体积浓度来计算煤质干基的高位热值，以及计算出煤质在空气中干燥后的低位热值，最终通过测量煤质收到基的水分、煤质空气干燥基的水分进行换算，最终得到煤质收到基的低位发热量。本发明对测试环境要求不高，测试快速、稳定。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种快速检测煤质灰分和热值的装置，其特征在于，包括：

氧弹：具有一个燃烧腔室的本体，可为不锈钢材质，充满氧气后用于煤质燃烧测试；

压力检测单元：实时监测氧弹腔室内压力变化；

高压控制单元：用于控制腔室与CO₂检测单元的连通和关闭；

节流单元：用于控制压力大小；

CO₂检测单元：实时监测氧弹内的腔室内的CO₂的浓度变化；

PLC控制单元：与氧弹、压力检测单元、高压控制单元、节流单元、CO₂检测单元连接，用于控制氧弹、压力检测单元、高压控制单元、节流单元、CO₂检测单元；

上位机：上位机与PLC连接，用于存储数据并进行分析；

电子分析天平：与上位机连接用于测量被测煤质在燃烧前后的质量，并将质量数据传输给上位机；

电源：给整个装置供电。

上述的一种快速检测煤质灰分和热值的装置，其特征在于，所述氧弹的燃烧腔室内设置两电极柱，以及固定在两电极柱内的点火丝；放置在燃烧腔室内用于盛放被测煤质的盛具，以及与两电极柱连接的电压源。

上述的一种快速检测煤质灰分和热值的装置，其特征在于，所述的盛具为坩埚；压力检测单元为压力传感器；高压控制单元为高压电磁阀；节流单元为减压阀。

上述的一种快速检测煤质灰分和热值的装置，其特征在于，所述的CO2检测单元包括CO2传感器和恒温盒；所述恒温盒内设有一个温度传感器，恒温盒内壁铺有保温棉，保温棉内置有加热膜，CO2传感器紧贴加热膜，且加热膜与CO2传感器的电连线设置在恒温盒外。

还包括一种快速检测煤质灰分和热值的方法，其特征在于，包括：

步骤1、将煤质进行干燥，并用电子分析天平测量空坩埚质量，通过上位机读取电子分析天平数据并记录，坩埚质量记录为m₀；

步骤2、在坩埚中放入煤质，用电子分析天平称量此时坩埚和煤质的总质量，通过上位机读取数据，记录为煤质燃烧前质量为m₁；

步骤3、煤质放置在氧弹中，将点火丝两端固定在氧弹中的两个电极柱上，保证点火丝和煤质良好接触，点火丝不能触碰坩埚侧面和底部，拧紧氧弹盖，并向氧弹中充入氧气，此刻氧弹中的压力为F，给氧弹点火丝两端施加交流电压，点燃点火丝，同时煤质被点燃；燃烧时，压力传感器实时监测氧弹中的气体压力，并通过上位机记录压力数据；

步骤4、当压力数据达到峰值F_max后开始下降，根据上位机输出的压力变化图谱，待压力值稳定时，打开高压电磁阀，将氧弹中的气体通过减压后传输给CO2传感器，上位机显示CO2体积浓度的变化，当CO2体积浓度值稳定后，记录并保存数据，稳定后CO2体积浓度值为C_x；

步骤5、取出氧弹中燃烧后的煤质，用电子分析天平称量此时坩埚和剩余成分的总质量，通过上位机读取数据，记录为煤质燃烧后质量为m₂；

步骤6、则煤质燃烧前后质量比：压力稳定状态下峰值压力与CO2体积浓度比值：P＝F_max×C_X；

步骤7、计算煤质灰分：

Y＝aX³+bX²+cX+d，a、b、c、d为自然数；

步骤8、计算煤质干基的高位热值：

M＝AP²+BP+C，A、B、C为自然数；

步骤9、计算煤质在空气中干燥后的低位热值：

N＝EM²+FM+G，E、F、G为自然数。

上述的一种采用快速检测煤质灰分和热值的方法，其特征在于，所述步骤1中，具体是：取粒度小于0.2mm的煤质放置于干燥箱中鼓风干燥1h，温度为105～110℃。

上述的一种采用快速检测煤质灰分和热值的方法，其特征在于，所述步骤2中，在坩埚中加入约1g±0.05g已干燥好的煤质，进行测量。

上述的一种采用快速检测煤质灰分和热值的方法，其特征在于，所述步骤3中，氧弹中点火丝一端固定在电极，另一端悬空，氧弹中充入氧气浓度为99.99％，燃烧时F的范围保证在：2.9MPa≤P≤3.1MPa，并给氧弹点火丝两端施加交流24V电压，煤质的燃烧时间t＞10S。

因此，本发明具有如下优点：能够实时同时测量煤质的热值和灰分，对测量环境要求不高，测试快速、稳定。

附图说明

附图1是本发明的硬件连接结构示意图。

附图2是本发明实施例中上位机输出的压力变化数据图谱。

附图3是本发明实施例中灰分与煤样燃烧前后质量比的关系曲线图。

附图4是本发明实施例中煤质干基的高位热值与热态CO2体积浓度的的关系曲线图。

附图5是本发明实施例中煤质空气干燥基低位热值与煤质干基的高位热值的关系曲线图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

一、首先介绍一下本发明采用的分析装置。

本发明包括：氧弹、压力检测单元、高压控制单元、节流单元、CO2检测单元、PLC控制单元、上位机、电子分析天平及通讯单元。

氧弹可为自行设计的不锈钢本体，容积可为285ML，也可根据设计要求定制，包括点火丝、两电极柱、坩埚；氧弹中注入99.99％的氧气，压力保持在2.9—3.1MPa之间；

压力检测单元为压力传感器，可为CY3018的隔离性压力变压器，也可为功能相同、相似的，可通过其他方式及硬件实现的其他压力变压器；

高压控制单元为高压电磁阀，可为ZCF01-1B-50型的高压电磁阀，压力范围为0.1—5MPa，也可为也可为功能相同、相似的，可通过其他方式及硬件实现的其他高压电磁阀，通过压力传感器检测压力，配合减压节流阀，调节氧弹内压力，保证初始压力平稳。

节流单元为减压阀：用于控制压力大小。

CO2检测单元为CO2传感器与恒温盒，其中恒温盒内安装温度传感器，内衬为保温棉并内置加热膜，安装时CO2传感器紧贴加热膜，并且加热膜与CO2传感器的电连线布置在恒温盒外，保证出口的密封性，使得CO2传感器的工作环境始终维持在50℃，避免由于测试环境不稳定导致的测试偏差，提高测试的准确性和稳定性；

PLC控制单元与氧弹、压力检测单元、高压控制单元、节流单元、CO2检测单元连接，用来采集压力检测单元信号，同时控制高压控制单元的开闭，还能输出点火信号和控制电话时间，保证样气通过节流单元减压阀是的压力控制在较低范围，保证进气流量在一个相对稳定的范围，例如0.75—1ML，以满足进气要求。

上位机与PLC连接，用于测试控制、数据采集、传输及数据分析，可通过RS232串口读取CO2传感器传输的CO2数据、氧弹内压力数据及电子分析天平数据。

电子分析天平与上位机连接，用于在测试煤样燃烧前后的质量，避免手动记录、可准确快速分析数据。

二、以下为一种采用快速检测煤质灰分和热值的方法，包括：

步骤1、取粒度小于0.2mm的煤样放置于干燥箱中鼓风干燥1h，温度为110℃；

步骤2、干燥结束后将煤样取出，放入密闭容器中，冷却至室温；

步骤3、用电子分析天平称量空坩埚质量，通过上位机记录为m₀，往坩埚中加入已干燥好的煤样1g±0.05g，称量煤样和坩埚的总记录，通过上位机读取数据，记录为煤样燃烧前质量m₁；

步骤4、煤样放置在氧弹中，将点火丝两端固定在氧弹中的两个电极柱上，保证煤样与点火丝良好接触，点火丝不能碰触坩埚侧面和底部，拧紧氧弹盖，将氧弹通过快速高压接头与压力检测装置连接，通过充氧器向氧弹中充入99.99％的氧气，此刻氧弹中的压力为P，其燃烧时F的范围为：2.99MPa≤F≤3.1MPa，达到点火条件，给氧弹点火丝两端施加交流24V电压，点燃点火丝，同时煤样被点燃，燃烧时间t＞10S，保证氧弹不漏气；

步骤5、点燃后，氧弹中的气体压力迅速升高，压力传感器测试压力变化，上位机记录压力数据；

步骤6、当压力数据达到峰值F_max后开始下降，根据上位机输出的压力变化图谱，待压力值稳定时，打开高压电磁阀，将氧弹中的气体通过减压后传输给CO2传感器，上位机显示CO2体积浓度的变化，当CO2体积浓度值稳定后，记录并保存数据，稳定后CO2质量浓度值为C_x；

步骤7、取出氧弹中燃烧后的煤样，用电子分析天平测试煤样燃烧后质量，通过上位机输出数据，煤样燃烧后质量为m₂；

步骤8、按以上步骤测试10次，上位机输出的压力变化数据图谱见图2，根据图2显示，当压力峰值为F_max之后，压力开始下降，在F_x区间趋于稳定，在该稳定状态下，测量CO2质量浓度值；

步骤9、按以上步骤测试10次(测试次数根据要求设定，不受限)，每次测量采用不同的煤样，得到如表一数据：

表一

步骤10、根据以上测得的实验数据，结合标准煤样的标准参数值，寻找热值、灰分与测量数据之间的可靠关系，根据以上测试值对应的标准，查询出理论热值与灰分标准值，见表二：

表二

步骤11、对比数据，发现灰分与煤样燃烧前后质量比存在类似关系,根据表三的数据可以得到图3的曲线：

表三

公式：Y＝aX³+bX²+cX+d，通过以上数据及方法，可求得：

系数：a＝0.0001；b＝-0.0116；c＝1.3176；d＝0.1016

可得到如下公式：

Y＝0.0001X3-0.0116X2+1.3176X+0.1016

其中煤样Y灰分值，X为煤样燃烧前后质量比。

根据公式，计算煤质灰分，并进一步验证计算灰分值与理论灰分值的差距，见表四：

表四

由表四结果可以看出，实验计算值与理论值误差小。

以上计算出的Y值为煤质的干基灰分，然后通过一种快速检测煤质灰分和热值的装置配合干燥箱，可快速分析出煤样收到基水分Mar、空气干燥基水分Mad(据GBT-2001-2013焦炭工业分析测定方法)，运用干基与收到基灰分转换公式：

A_ar＝A_d(100-M_ar)/100

A_d＝Y——煤质干基灰分

可快速计算出煤样收到基灰分Aar。

步骤12、同样的，热值也可以通过类似的方式确定，在保证初始煤样质量相同、初始氧弹压力相同的情况下，煤质的热值与测得的CO2体积浓度存在正比关系，根据表五的数据可以得到图4的曲线：

表五：

公式：M＝AP²+BP+C，通过以上数据及方法，可求得：

系数：A＝-0.0029；B＝0.6648；C＝-3.712

可得到如下公式：

M＝-0.0029P²+0.6648P-3.712

其中M为煤质干基的高位热值，P为热态CO2质量浓度。

根据公式，计算煤质干基的高位热值，并进一步验证计算值与理论值Q_gr.d的差距，见表六：

表六

由表六结果可以看出，实验计算值与理论值误差小。

根据煤质干基、煤质空气干燥基之间高位热值转换经验公式：

(二)Q_net.ad＝(Q_gr.ad-206H)-23M_ad

Q_gr.ad——煤质空气干燥基高位热值

Q_gr.d——煤质干基高位热值

M_ad——煤质空气干燥基含水量

H——煤质中H元素含量

Q_net.ad——煤质空气干燥基低位热值

选取5种标准煤质，对煤质干基高位热值Q_gr.d与煤质空气干燥基低位热值Q_net.ad进行对比分析，见表七：

根据表七的数据可以得到图5的曲线：

公式：N＝EM²+FM+G，通过以上数据及方法，可求得：

系数：E＝-0.0098；F＝1.3925；G＝-4.9751

得到如下公式：

N＝-0.0098M2+1.3925M-4.9751

其中N为煤质空气干燥基低位热值。

根据公式，计算煤质空气干燥基低位热值，并进一步验证计算值与理论值Qnet.ad的差距，见表八：

表八

由表八结果可以看出，实验计算值与理论值误差小。

通过本发明一种快速燃烧煤质分析装置，并配合干燥箱可快速分析出煤质收到基水分Mar、煤质空气干燥基水分Mad(GBT-2001-2013焦炭工业分析测定方法)，并运用低位热值转换经验公式计算煤质收到基的低位热值：

r——水的汽化潜热：2500KJ/KG

M_ar——煤质收到基含水量

Q_net.ar——煤质收到基的低位热值

通过以上公式，可快速计算出煤质收到基的低位热值。

本发明主要创造改进点包括:

1、技术改进点一：硬件部分增加西门子PLC控制：

1.1、原采用数据采集板，现更换为西门子PLC，西门子PLC可靠稳定；

1.2增加西门子PLC模拟量输入扩展模块，通过4-20mA的方式读取压力变送器、温度变送器和CO2传感器数据；

1.3通过编写西门子PLC的程序，合理的控制电磁阀的动作，并能实现加热膜的恒温控制；

1.4西门子PLC与电脑PC机连接，完成上位机的通讯；

达成效果：西门子PLC与上位机数据采集频率可以达到50Hz；通过西门子PLC控制恒温盒温度，无需温控器和固态固态继电器，节省空间；模拟量信号采集频率提高，更快的反应压力变化曲线；

2、技术改进点二：上位机软件以及PLC软件修改：

2.1增加点火前压力检测功能，通过控制电磁阀调制氧弹初始压力；

2.2增加温度控制防抖功能，防止恒温盒温度控制在临界点是频繁动作；

2.3上位机软件增加压力曲线绘制，并能自动读取起始压力、最大压力、CO2浓度数据并参与计算；

达成效果：可以保证每次试验的初始压力相同；增加温度控制的可靠性，提高温度控制继电器的使用寿命；使上位机操作更简便，降低出错率。

3、技术改进点三：CO2传感器增加恒温盒：

3.1增加120*200*75mm恒温盒，并内衬保温棉；

3.2保温盒内置加热膜，将CO2传感器紧贴加热膜；

3.3将加热膜和传感器连接线分别引线置盒外，注意保证出线口的密封性；

达成效果：恒温盒能有效的控制传感器的工作环境始终维持在50℃，避免传感器因为温度的原因导致测量数据出现偏差，提高传感器数据准确性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。