CN107632107B - 一种煤粉燃烧特性快速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤粉燃烧特性快速检测方法，其包括如下步骤：S1.选取多种不同的标准煤，分别对每种标准煤进行拉曼光谱测试及热重分析，获得拉曼光谱特征参数和煤粉燃烧特征参数，计算拉曼光谱特征参数与煤粉燃烧特征参数的映射关系，建立拉曼光谱特征参数与煤粉燃烧特性特征参数关联数据库；S2.对待检测原煤进行拉曼光谱测试，获得与其拉曼光谱特征参数并将其与关联数据库进行比对，根据相应的映射关系，获得待检测原煤的煤粉燃烧特性参数。有益效果为：检测快速，可同时获得多个煤粉燃烧特性参数，全面且准确；建立好数据库后，每次仅需要对待测原煤进行拉曼光谱检测即可得到煤粉燃烧特性参数，后期成本较低且效率高，适用于工程运用。

Description

一种煤粉燃烧特性快速检测方法

技术领域

本发明专利属于煤粉燃烧特性检测领域，更具体的，涉及一种煤粉燃烧特性快速检测方法。

背景技术

煤炭在中国的一次能源中占比65％左右，而其中大部分的煤炭用于燃烧发电供能。在煤炭燃烧过程中，煤炭的燃烧特性是影响锅炉的燃烧效率及污染物的关键因素，因此提前预测煤粉的燃烧特性对锅炉燃烧调整及其高效清洁燃烧至关重要。

目前在燃煤电厂，煤粉的燃烧特性并未直接检测，而是直接通过工业分析元素分析获得煤粉的煤质参数，再根据经验公式，进行计算预测的，准确度不高。一方面煤粉的元素分析工业分析，需要参照国标进行，虽准确，但是耗时较长，不利于参数的快速获得，与此同时，煤粉的燃烧特性不仅仅与工业分析元素分析的参数有关，更与煤粉的化学结构密切关联，尤其是苯环的浓缩程度，含氧官能团的多少，烷烃支链的多少以及交联作用的强弱，因此往往通过元素分析工业分析参数进行预测煤粉的燃烧特性具有一定的局限性。

专利CN201510680107.X公开了一种检测锅炉炉膛内煤粉燃烧动力特性的方法和系统，根据预设的煤粉从燃烧器喷口喷入到离开炉膛的总燃烧时间以及二次风配风状态,对煤粉燃烧过程进行离散化处理,得到若干个氧浓度区间、若干个温度区间、各个氧浓度区间的第一燃烧时间以及各个温度区间的第二燃烧时间，再根据热重要模拟相应的条件来预测煤粉在各区间的燃烧特性，但是该方法并不能快速且准确的检测出煤粉的燃烧特性；专利CN200610046105.6公开了一种煤粉燃烧性能检测方法及其装置，该方法通过制取煤样、使煤燃烧,燃烧过程中煤粉处于静止状态,同时在线连续检测燃烧过程产生的有关气体含量,并对结果进行分析。该发明主要是根据燃烧废气的产生过程,判断煤粉燃烧状态，但是该方法也无法实现快速检测。专利CN201610600182.5公开了一种基于拉曼光谱分析的煤质快速检测方法，煤质与煤粉的燃烧特性之间虽有一定的联系，但如前段内容所述通过煤质预测煤粉的燃烧特性准确度不高，原因为煤粉的燃烧特性与煤粉的化学结构密切相关，煤质却无法准确反映煤粉的化学结构，因此煤质与煤粉的燃烧特性的相关性难以保证；另外，根据上述分析可得出如下结论：专利CN201610600182.5虽公开了一种基于拉曼光谱分析的煤质快速检测方法，但是本领域的技术人员并不能以“拉曼光谱→煤质→煤粉燃烧特性”建立煤粉的快速检测，因为煤质至煤粉燃烧特性之间关联性只有经验公式可用，并且已经证实其准确度不高，因此现有技术中仍然缺乏行之有效的煤粉燃烧特性的快速检测方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种煤粉燃烧特性快速检测方法，其目的在于提供一种快速、可靠、操作简单且能同时获得煤粉的着火温度、燃尽温度、活化能和指前因子等煤粉燃烧特性相关参数。该方法可适用于燃煤电厂等的煤粉燃烧特性的检测，也适用于实验室研究过程中的煤燃烧特性的检测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种煤粉燃烧特性快速检测方法，其包括如下步骤：

S1.拉曼光谱特征参数与煤粉燃烧特性特征参数关联数据库建立：

选取多种不同煤阶、不同灰分的标准煤，分别对每种标准煤进行拉曼光谱测试及热重分析，获得每种标准煤的拉曼光谱特征参数和煤粉燃烧特征参数，计算拉曼光谱特征参数与煤粉燃烧特征参数的映射关系，建立拉曼光谱特征参数与煤粉燃烧特性特征参数关联数据库，

其中拉曼光谱特征参数包括：D峰、V峰、G峰、2D峰、2G峰、(G+D)峰和2S峰的峰位置P_D、P_V、P_G、P_2D、P_2G、P_(G+D)、P_2S及其组合P_(G-D),峰宽W_D、W_V、W_G、W_2D、W_2G、W_(D+G)和W_2S，峰面积I_D、I_V、I_G、I_2D、I_2G、I_(D+G)和I_2S，一阶拉曼光谱总峰面积与二阶拉曼光谱总峰面积S₁、S₂及其相应组合I_D/S₁、I_V/S₁、I_G/S₁、I_2D/S₂、I_2G/S₂、I_(D+G)/S₂、S₁/S₂、I_V/I_2D、I_2D/I_2S、I_(D+G)/I_2S和I_(D+G)/I_2S，具体操作时，根据对数据库精度的不同要求，可全部获取上述参数，也可仅获取上述参数中的一部分；煤粉燃烧特性特征参数包括：着火点(T_i)，最大失重温度(T_m)，燃尽温度(T_b)，燃尽率(B_n)，活化能(E)和指前因子(K)；

S2.煤粉燃烧特性快速检测：

使用与S1相同的方式及基准对待检测原煤进行拉曼光谱测试，获得与S1相对应的拉曼光谱特征参数并将其与S1已建立的关联数据库进行比对，根据关联数据库中对应的拉曼光谱特征参数与煤粉燃烧特性特征参数的映射关系，获得待检测原煤的煤粉燃烧特性参数。也即对待检测原煤进行拉曼光谱测试，并对拉曼光谱图进行解析，获得待检测原煤的拉曼光谱相关特征参数，并输入已建立的煤粉燃烧特性-拉曼光谱关联数据库，通过数据库中相关拉曼光谱特征参数与煤粉燃烧特性的映射关系，可计算得到待检测原煤的T_i、T_m、T_b、B_n、E、K等煤粉燃烧特性特征参数，便可获得待检测煤粉的燃烧特性。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以有如下进一步的具体选择。

具体的，选取的标准煤的数量至少有10种，所选标准煤均为原矿煤且为代表性不同的煤种。标准煤为非混煤且其选择不仅限于褐煤到无烟煤等常规煤种，还包括不同煤阶、不同灰分、不同水分的标准煤。

具体的，拉曼光谱检测范围选择800-3400cm^-1谱段，一阶拉曼峰的谱段为800-1800cm^-1，二阶拉曼峰的谱段为1800-3400cm^-1。即对拉曼光谱图进行解析时，对拉曼光谱进行解析不仅包括了一阶波段(800-1800cm^-1)也包括了二阶波段(2100-3400cm^-1)，且可采用五个峰也可采用十个峰来进行分峰拟合，且峰形可以是高斯峰也可以是洛伦兹峰。

具体的，S1中的映射关系用于反映拉曼光谱特征参数与单一煤粉燃烧特性特征参数之间关联或反映拉曼光谱特征参数与多个煤粉燃烧特性特征参数之间的关联。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明检测快速，可同时获得煤粉的着火温度，最大失重温度，燃尽温度，活化能以及指前因子等参数，全面且准确。

2.本发明所建立的拉曼光谱特征参数与煤粉燃烧特性参数关联数据库，煤种齐全，数据充分，作为强大的数据库可反复使用，理论上可覆盖所有的原矿煤的煤粉燃烧特性的快速检测，并为检测的准确性提供了保证。

3.本发明建立好数据库后，仅需要对待检测原煤进行拉曼光谱检测即可相应的快速得到煤粉燃烧特性参数，测试简单，后期成本较低且效率高，适用于工程运用。

附图说明

图1为本发明提供的煤粉燃烧特性快速检测方法的流程示意图；

图2为从热失重曲线中获取煤粉燃烧特性参数T_i、T_m和T_b的方法示意；

图3为典型10种标准煤的拉曼光谱原图；

图4为拉曼光谱特征参数峰位置P_(G-D)与煤粉燃烧特性参数T_i的映射关系示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

煤粉的燃烧特性主要取决于煤粉的特性(内在条件)及燃烧条件(外在条件)，通常而言外在燃烧条件可以根据内在煤粉特性而进行调整，从而实现燃烧条件，因此在相同的外在条件下内在的煤粉特性决定的燃烧特性对燃煤电厂的燃烧调整及优化至关重要。而煤粉的特性中主要包括物理结构、化学结构及碱金属碱土金属含量等。对于大部分煤粉而言，碱金属碱土金属的含量都较少，因此对于大部分不同煤而言，碱金属碱土金属的影响较小。而通常而言，煤粉的初始粒径相同时，物理结构如孔隙率、比表面积等是相似的，相同条件下，初始的物理结构差异不大。因此煤粉的特性中，化学结构是一个主要决定煤粉燃烧特性的因素。因此如果能准确、快速的表征煤粉的化学结构是对煤粉的燃烧特性预测的关键。

拉曼光谱是一种非弹性散射光，激光打到物质表面时，物质表面的分子会产生特征的拉曼光谱形成拉曼峰，因此拉曼光谱中特征峰能表征物质中特定的化学结构。由于拉曼光谱对碳结构非常灵敏，因此其对煤的化学结构的改变非常敏感。一般而言，煤的拉曼光谱中1350cm^-1附近的D峰可以反映煤中大芳香环结构而位于1580cm^-1附近的G峰能反映煤中石墨晶体的强度，而1500cm^-1附近的V峰则能反映煤中的无定型碳及甲基亚甲基等小环结构。而位于2400cm^-1左右的2S峰则能反映交联作用强度或含氧冠能团多少等。通过对这些峰的变化的定量化分析，就可以获得煤中这些化学结构的变化，能够高效准确的表征煤的化学结构。此外，由于拉曼光谱是一种光的非弹性散射光谱，其形成及记录可以非常迅速，因此，拉曼光谱的测试也是一个较为迅速的过程，效率较高。可以说拉曼光谱技术可以高效准确的记录煤的化学结构。

基于以上原理，本发明的提供了一种煤粉燃烧特性快速检测方法，该方法的流程示意图如图1所示，具体包括如下步骤：

S1.拉曼光谱特征参数与煤粉燃烧特性特征参数关联数据库建立：

选取多种不同煤阶、不同灰分的标准煤，分别对每种标准煤进行拉曼光谱测试及热重分析，获得每种标准煤的拉曼光谱特征参数和煤粉燃烧特征参数，计算拉曼光谱特征参数与煤粉燃烧特征参数的映射关系，建立拉曼光谱特征参数与煤粉燃烧特性特征参数关联数据库，

其中拉曼光谱特征参数包括：D峰、V峰、G峰、2D峰、2G峰、(G+D)峰和2S峰的峰位置P_D、P_V、P_G、P_2D、P_2G、P_(G+D)、P_2S及其组合P_(G-D),峰宽W_D、W_V、W_G、W_2D、W_2G、W_(D+G)和W_2S，峰面积I_D、I_V、I_G、I_2D、I_2G、I_(D+G)和I_2S，一阶拉曼光谱总峰面积与二阶拉曼光谱总峰面积S₁、S₂及其相应组合I_D/S₁、I_V/S₁、I_G/S₁、I_2D/S₂、I_2G/S₂、I_(D+G)/S₂、S₁/S₂、I_V/I_2D、I_2D/I_2S、I_(D+G)/I_2S和I_(D+G)/I_2S；煤粉燃烧特性特征参数包括：着火点，最大失重温度，燃尽温度，燃尽率，活化能和指前因子；

S2.煤粉燃烧特性快速检测：

使用与S1相同的方式及基准对待检测原煤进行拉曼光谱测试，获得与S1相对应的拉曼光谱特征参数并将其与S1已建立的关联数据库进行比对，根据关联数据库中对应的拉曼光谱特征参数与煤粉燃烧特性特征参数的映射关系，获得待检测原煤的煤粉燃烧特性参数。

下面介绍本发明的第一实施例，以及一个基于第一实施例的应用实例。

(1)建立煤粉燃烧特性-拉曼光谱关联数据库

包括选取不同煤阶，高灰分，高水分原煤，并将标准煤进行机械研磨，获得粒径为74-105μm的煤粉，并分别对这些煤粉进行热重分析及拉曼光谱分析。

(1a)对标准煤的拉曼光谱进行解析获得D峰、V峰、G峰、2D峰、2G峰、(G+D)峰、2S峰等峰峰位置P_D、P_V、P_G、P_2D、P_2G、P_(G+D)、P_2S及其组合P_(G-D),峰宽W_D、W_V、W_G、W_2D、W_2G、W_(D+G)、W_2S，峰面积I_D、I_V、I_G、I_2D、I_2G、I_(D+G)、I_2S，一阶拉曼光谱总峰面积与二阶拉曼光谱总峰面积S₁、S₂及其相应组合I_D/S₁、I_V/S₁、I_G/S₁、I_2D/S₂、I_2G/S₂、I_(D+G)/S₂、S₁/S₂、I_V/I_2D、I_2D/I_2S、I_(D+G)/I_2S、I_(D+G)/I_2S等拉曼光谱特征参数。

在对拉曼光谱进行解析的过程中，包括拉曼光谱的预处理和拉曼光谱的分峰计算，预处理包括将拉曼光谱进行分段处理，分为一阶拉曼峰和二阶拉曼峰，为保证光谱的真实性，不对拉曼光谱进行平滑等会改变拉曼光谱形状的处理。对拉曼光谱进行分峰时，对一阶谱段，可分别进行两峰，三峰及十峰分峰解析，对二阶谱段，可以采用三峰和八峰等不同的分峰方法，目的是用不同的方法获得尽可能多的拉曼光谱特征参数。

(1b)通过热重分析可以获得煤粉随着温度的变化，其自身质量的变化，通过对热失重曲线的计算机处理，可以获得煤粉的着火温度(T_i)、最大失重温度(T_m)、燃尽温度(T_o)、燃尽率(B_n)、活化能(E)、指前因子(K)。

在计算煤粉的燃烧特性特征参数时采用切线法可获得相应的特征温度及燃尽率，采用动力学计算可获得活化能(E)及指前因子(K)。

(1c)分别建立(1a)中拉曼光谱特征参数与(1b)中各煤粉燃烧特性特征参数之间的关系，建立其两者参数之间的映射关系，从而建立煤粉燃烧特性-拉曼光谱特征参数关联数据库。

更具体的是以任一个拉曼光谱特征参数为横坐标，其中一个煤粉燃烧特性特征参数未纵坐标，绘制两者之间的映射关系图，并进行拟合计算获得关联关系式。在获得的关联关系式中，拟合系数较高的作为优先使用的关联关系式。在最终获得的映射关系中，可能一个拉曼光谱参数可以与一个或者几个煤粉燃烧特性特征参数进行映射，也可能几个拉曼光谱特征参数与一个煤粉燃烧特性特征参数较好的关联，因此在建立数据库时可以尽可能多的寻找这种映射关系并记录入数据库。

(2)待测煤粉燃烧特性快速检测

(2a)对待测煤进行拉曼光谱检测

由于研磨不会对煤粉的化学结构产生改变，因为拉曼检测之前一般不需要对待测煤进行研磨。此外对于待测煤的拉曼检测所使用的参数与(1)中相同。获得待测煤的拉曼光谱后，对拉曼光谱进行如(1)中的解析并获得相应的拉曼光谱特征参数。

(2b)待测煤拉曼光谱特征参数比对数据库

将(2a)中获得的待测煤的拉曼光谱特征参数与(1)中获得的煤粉燃烧特性特征参数-拉曼光谱特征参数的关联数据库进行比对，便可获得着火温度(T_i)、最大失重温度(T_m)、燃尽温度(T_o)、燃尽率(B_n)、活化能(E)、指前因子(K)等煤粉燃烧特性特征参数，从而确定待测煤的燃烧特性。

在比对的过程中，当遇到多个拉曼光谱特征参数均对应一个燃烧特性特征参数时，可将多个拉曼光谱特征参数均代入相应的关联式中，获得多个值并取平均值提高预测精度。

下面是一个基于第一实施例的应用实例。

1)选取40种标准煤，标号为1-40，并分别研磨筛分获得粒径为74-105μm的煤粉，在热重上进行热分析。热分析的升温程序如下表：

表1热分析温度程序

2)通过切线法(如图2所示)及动力学分析，获得40种煤的燃烧特性特征参数，为表达简便，这里及后续例子只列举其中典型的10种标准煤的相关数据，如表2所示。

表2标准煤燃烧特性特征参数

3)对40种标准煤进行拉曼光谱测试，获得标准煤的拉曼光谱图，其中十种的典型谱图如附图3所示，拉曼光谱测试条件如表3所示：

表3拉曼光谱测试条件

激光波长	激光功率	目镜倍数	扫描时间	扫描范围
					532.16nm	5mW	×50	15s	800-3400cm<sup>-1</sup>

4)对拉曼光谱进行解析，获得标准煤的拉曼光谱特征参数，其中十种的标准煤的拉曼光谱特征参数，如表4所示：

表4标准煤拉曼光谱特征参数

5)将所获得的煤粉燃烧特性特征参数与煤粉的拉曼光谱特征参数进行关联，建立煤粉燃烧特性-拉曼光谱特征参数关联数据库，其中典型关系G峰位-D峰位与煤粉着火特性的关联关系如图4所示。

6)获得待测煤，并重复步骤3)步骤4)获得待测煤的拉曼光谱特征参数如表5所示：

表5待测煤拉曼光谱特征参数

7)将待测煤拉曼光谱特征参数代入步骤5)中建立的煤粉燃烧特性-拉曼光谱特征参数关联数据库，获得待测煤的燃烧特性特征参数如表6所示：

表6待测煤燃烧特性特征参数

8)运用热重分析仪对待测煤进行燃烧特性实验，计算其实际燃烧特性特征参数如表7所示：

表7待测煤实际燃烧特性特征参数

通过对比可以看出，通过本方法测得的待测煤燃烧特性特征参数与其实际燃烧特性差值较小，误差在2％以内，进一步说明了本方法的可行性，同时也证明了其准确性较高。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种煤粉燃烧特性快速检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.拉曼光谱特征参数与煤粉燃烧特性特征参数关联数据库建立：

选取多种不同煤阶、不同灰分的标准煤，分别对每种标准煤进行拉曼光谱测试及热重分析，获得每种标准煤的拉曼光谱特征参数和煤粉燃烧特征参数，计算拉曼光谱特征参数与煤粉燃烧特征参数的映射关系，建立拉曼光谱特征参数与煤粉燃烧特性特征参数关联数据库，

其中拉曼光谱特征参数包括：D峰、V峰、G峰、2D峰、2G峰、(G+D)峰和2S峰的峰位置P_D、P_V、P_G、P_2D、P_2G、P_(G+D)、P_2S及其组合P_(G-D),峰宽W_D、W_V、W_G、W_2D、W_2G、W_(D+G)和W_2S，峰面积I_D、I_V、I_G、I_2D、I_2G、I_(D+G)和I_2S，一阶拉曼光谱总峰面积与二阶拉曼光谱总峰面积S₁、S₂及其相应组合I_D/S₁、I_V/S₁、I_G/S₁、I_2D/S₂、I_2G/S₂、I_(D+G)/S₂、S₁/S₂、I_V/I_2D、I_2D/I_2S、I_(D+G)/I_2S和I_(D+G)/I_2S；煤粉燃烧特性特征参数包括：着火点，最大失重温度，燃尽温度，燃尽率，活化能和指前因子；

S2.煤粉燃烧特性快速检测：

使用与S1相同的方式及基准对待检测原煤进行拉曼光谱测试，获得与S1相对应的拉曼光谱特征参数并将其与S1已建立的关联数据库进行比对，根据关联数据库中对应的拉曼光谱特征参数与煤粉燃烧特性特征参数的映射关系，获得待检测原煤的煤粉燃烧特性参数。

2.根据权利要求1所述的一种煤粉燃烧特性快速检测方法，其特征在于，选取的标准煤的数量至少有10种，所选标准煤均为原矿煤且为代表性不同的煤种。

3.根据权利要求1所述的一种煤粉燃烧特性快速检测方法，其特征在于，拉曼光谱检测范围选择800-3400cm^-1谱段，一阶拉曼峰的谱段为800-1800cm^-1，二阶拉曼峰的谱段为1800-3400cm^-1。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种煤粉燃烧特性快速检测方法，其特征在于，S1中的映射关系用于反映拉曼光谱特征参数与单一煤粉燃烧特性特征参数之间关联或反映拉曼光谱特征参数与多个煤粉燃烧特性特征参数之间的关联。