王 春 晶

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室，北京 100013；3.煤基節(jié)能環(huán)保炭材料北京市重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

煤炭在我國能源消費結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位，根據(jù)國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)，2022年原煤在一次能源生產(chǎn)的占比為67.4%，在能源消費總量中的比重為56.2%。為使得煤炭資源能被高效合理利用，在實際生產(chǎn)和加工運輸過程中通過煤質(zhì)工業(yè)分析研究其性質(zhì)，其中水分是重要的指標(biāo)之一[1]。除做燃煤使用外，將一部分煙煤用于煉焦生產(chǎn)焦炭以供給煉鐵、有色金屬冶煉和化工等工序[2]，稱其為煉焦煤。國內(nèi)優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源緊張，常使用配煤煉焦以節(jié)約資源并實現(xiàn)降本增效[3]。

配合煤中的水分取決于單種煤中的水分，水分含量及其穩(wěn)定性不僅影響焦炭質(zhì)量，還會降低焦?fàn)t等設(shè)備的壽命。入爐的配合煤水分控制在7%～12%，水分含量增加會延長煉焦過程中的結(jié)焦時間并增加耗熱量[4]，同時使得火道溫度波動變化較大，影響焦?fàn)t溫度的控制，導(dǎo)致焦餅不熟或過火從而降低焦炭強(qiáng)度[5-7]；煤入爐初期，煤料水分含量越高會導(dǎo)致炭化室墻面向煤料迅速傳熱而自身溫度驟降，其降低至600 ℃以下時會顯著損壞硅磚，影響爐體壽命[8]。當(dāng)水分含量過低時，0.5 mm以下的微粉易出現(xiàn)起塵現(xiàn)象，使得粗焦油渣含量增多、炭化室爐墻以及上升管結(jié)石墨現(xiàn)象加劇并堵塞煤氣冷卻凈化系統(tǒng)[9-11]；同時煤粉塵對人員身體有害，當(dāng)空氣中的濃度不斷增加時會加劇機(jī)械設(shè)備的表面腐蝕和磨損[12-13]；作為可燃性的粉塵，在生產(chǎn)車間濃度達(dá)到一定范圍內(nèi)容易發(fā)生粉塵爆炸事故，溫度升高后會引發(fā)連環(huán)生產(chǎn)事故[14]，故煉焦生產(chǎn)對煤炭的水分控制有較為嚴(yán)苛的要求[15]。

目前在實際生產(chǎn)中對于煤中全水分的測定主要依賴于人工法，即通過取樣、制樣、烘箱干燥后稱量其質(zhì)量差異，從而計算得出煤的全水分值。但對于連續(xù)生產(chǎn)，人工法存在耗時較長、測量結(jié)果滯后性嚴(yán)重、無法實時匹配原料性質(zhì)等問題，且煉焦時的配煤成本較高，故亟需獲取煤炭中含水量的實時數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行分析，根據(jù)測量結(jié)果調(diào)整工藝配比以保證焦炭質(zhì)量，即在實際連續(xù)生產(chǎn)中要求實現(xiàn)對煤中全水分的在線快速檢測。

1 煤中水分形態(tài)及全水分國標(biāo)測試方法分析

1.1 煤中水分的賦存形式

煤中水分可分為游離水和化合水(結(jié)晶水)，其中游離水是指吸附在煤內(nèi)部或附著在煤表面的水分，而化合水是指與煤中的礦物質(zhì)以化合方式結(jié)合的水分，如高嶺土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、硫酸鈣(CaSO4·2H2O)和綠礬(FeSO4·7H2O)中的結(jié)晶水。游離水可分為外水和內(nèi)水[16]，外水指吸附在煤顆粒表面上或非毛細(xì)孔穴中的水分，其穩(wěn)定性低且易受外界環(huán)境的影響，在低于40 ℃的空氣干燥箱中干燥至質(zhì)量恒定即可除去；內(nèi)水即吸附或凝聚在煤顆粒內(nèi)部毛細(xì)孔中的水分，常溫下較穩(wěn)定，需在105～110 ℃的干燥箱中加熱除去[17]。

1.2 煤中全水分的國標(biāo)測試方法

在標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3715—2022《煤質(zhì)及煤分析有關(guān)術(shù)語》中，全水分的定義為“煤的外在水分和內(nèi)在水分之和”，但由于化合水難以精確測量，故常指外水和內(nèi)水含量的總和，是實際應(yīng)用中需要測量的水分[18]。標(biāo)準(zhǔn)GB/T 211—2017《煤中全水分的測定方法》規(guī)定了煤中全水分測定的相應(yīng)方法，可分為一步法和兩步法，可分別在空氣或氮氣流中干燥除去水分后稱量計算可得，測定條件及步驟見表1[19]。

表1 國標(biāo)中的煤中全水分測定方法比較

兩步法中的A1和A2法僅在內(nèi)水測試時干燥箱的氣氛不同，其余步驟均相同，其中方法A1為仲裁法。一步法中的B1和B2法也僅存在干燥時氣氛不同的差別，對于6 mm煤樣，方法B1和B2均適用，對于13 mm煤樣建議使用方法B1。其中微波干燥法因其在煤樣粒度過大或混有各類雜質(zhì)(極性物質(zhì)或干草)時容易發(fā)生燃燒等現(xiàn)象，在國標(biāo)中僅補(bǔ)充作為參考方法，在資料性附錄[20-21]中給出。

2 煤中全水分測量研究現(xiàn)狀

目前對煤中全水分的測量方法繁多，大致可分為直接法和物理量測試間接法(簡稱間接法)，如圖1所示。直接法是指將煤中全水分除去后，基于重量變化進(jìn)行水分測定的方法，包括干燥法、蒸餾法和化學(xué)法3大類；間接法是指通過測量與水分有關(guān)的物理量變化，間接推導(dǎo)出物料的水分含量，可分為射線法和電測法。

圖1 煤中全水分測量方法

2.1 干燥法

國標(biāo)GB/T 211—2017將烘箱干燥作為煤中全水分測量的標(biāo)準(zhǔn)方法，稱取一定質(zhì)量的煤樣后，將其置于烘箱中去除水分，通過精密天平測出干燥前后被測煤樣的重量變化以計算含水量。減壓干燥法則是通過將煤樣置于密閉容器中，再降壓至真空以迅速蒸發(fā)水分；輻射加熱法則是利用輻射源直接對樣品進(jìn)行加熱以驅(qū)趕水分，目前包含微波干燥法和紅外線干燥法[22]。使用烘箱干燥法時，其測量時間較長，不利于實現(xiàn)快速檢測，且烘箱對煤樣的形狀和大小有一定要求，不適用于復(fù)雜形狀和大塊煤樣的測定；減壓干燥法的操作復(fù)雜，要求在密閉容器中進(jìn)行，常用于測定高溫下易揮發(fā)物質(zhì)的含水量；而輻射加熱法對含有黏土和礦物質(zhì)等雜質(zhì)的煤樣可能會出現(xiàn)誤差，需要修正[23-24]。

2.2 蒸餾法

蒸餾法是通過加入不溶于水的有機(jī)試劑與煤中全水分形成共沸混合物，收集加熱分餾后分層的液體水分，通過稱量或讀取體積可得水分含量，但在冷凝過程中易凝結(jié)成水珠而導(dǎo)致其測量精度降低。

2.3 化學(xué)法

卡爾·費休法是采用化學(xué)方法除去煤樣中全水分的方法，將含水物料加入到碘與二氧化硫的反應(yīng)中，在吡啶和甲醇存在時，單質(zhì)碘與水分子以等摩爾比被消耗生成氫碘酸吡啶和甲基硫酸吡啶。電解池中單質(zhì)碘在陽極循環(huán)產(chǎn)生從而使得氧化還原反應(yīng)不斷進(jìn)行，直至水分耗盡，最后通過電解池的耗電量間接測得物質(zhì)的含水量[25]。作為經(jīng)典的測量方法其具有較高的準(zhǔn)確性，但卡氏試劑屬于有毒試劑且揮發(fā)性較強(qiáng)，對人體有害且難以保存，測量成本較高[26]。

2.4 射線法

(1) 紅外法。紅外法即紅外線吸收法，原理是基于物料中水分對特定波長的紅外線存在選擇性吸收，含水量與被吸收的紅外光呈正比關(guān)系，通過測量反射或透射光的衰減間接計算出物質(zhì)的含水量。由于紅外線的穿透能力較弱，常用于測量物料表面水分，多以反射式為主。物料中水分的紅外光譜吸收曲線如圖2所示，水分在近紅外波段區(qū)域有多個吸收峰，分別為1.22、1.43、1.94、2.95 μm[27]。

圖2 物料中水分的紅外光譜吸收曲線

物料中水分的近紅外吸收峰對比見表2，綜合其特點和適用范圍，常選擇使用1.43 μm或1.94 μm作為測量波長，也可同時使用形成綜合檢測方案。紅外法測量時不與被測物質(zhì)接觸，水分測量范圍較大且速度快，可實現(xiàn)實時在線檢測；但其受生產(chǎn)環(huán)境(蒸汽、粉塵和照度等)影響較大，且物料形狀對其也有影響，同時被測物中含有的其他物質(zhì)對紅外線也有吸收能力，影響測量精度。對其方法的改進(jìn)為增加參比波長，在測量波段附近選擇對水分吸收率較小的波段對比以排除干擾，目前已研發(fā)有二波長或三波長紅外水分儀[28]。

表2 物料中水分的近紅外吸收峰比較[27]

(2)微波法。微波是頻率為300 MHz～300 GHz的電磁波，其波長短，穿透能力較強(qiáng)。水作為極性分子，介電常數(shù)高達(dá)78，物料含水后其介電常數(shù)明顯增加[29]。微波法利用微波衰減原理測量物料含水率，水分子在微波的作用下，除產(chǎn)生位移和取向極化外，高速旋轉(zhuǎn)的水分子可將微波場能轉(zhuǎn)化為熱能，即表現(xiàn)為能量的衰減，同時微波的相位移也會發(fā)生改變，可通過檢測微波功率的衰減和相位移的改變程度間接測出含水率[30]。

微波檢測法主要分為透射法、反射法和腔體微擾法。透射法是基于微波電場強(qiáng)度與物料介電常數(shù)的冪率規(guī)律衰減原理，檢測能量和微波參數(shù)(幅值、相位、頻率)變化間接得出含水量[31]；反射法是記錄被反射微波的電磁能量大小并通過電路處理轉(zhuǎn)化為含水率的測值；腔體微擾法是記錄微波諧振腔內(nèi)有無物料情況下的頻率偏移ΔF和傳輸系數(shù)變化ΔT，通過其與顆粒介電特性的關(guān)系導(dǎo)出粉狀顆粒物料的含水量，但一般不用作在線測量[32]。

微波法對于煤樣中全水分的檢測，由于其波長短，可穿透物料表面測量全水分，精度高且可實現(xiàn)實時在線檢測，且其受生產(chǎn)環(huán)境的影響微小。

(3)中子法。中子法測水的原理是中子源發(fā)射的快中子與物質(zhì)發(fā)生相互作用后，改變運動軌跡并損失部分能量成為慢中子，通過測定慢中子的數(shù)量檢測含水率[33]。由于氫原子核與中子的質(zhì)量相近，散射截面大，與中子作用后產(chǎn)生的衰減遠(yuǎn)大于其他原子，減速作用明顯，故可通過檢測慢中子的數(shù)量以確定物質(zhì)中的水分值[29]。中子法測量屬于無損檢測且測量速度快，但由于煤樣中含有較多含氫元素的有機(jī)物，使得煤樣中氫原子含量遠(yuǎn)大于理論中的水中氫原子的含量，測量結(jié)果偏差較大。同時由于其制造成本高，且中子源有放射性輻射危險，導(dǎo)致其實際在線檢測應(yīng)用受限，趨于淘汰[31]。

2.5 電測法

(1)電導(dǎo)(阻)式。水的導(dǎo)電性遠(yuǎn)好于煤中其他物質(zhì)，通過此特性利用電導(dǎo)或電流電阻隨物料的含水量變化而變化的原理展開間接測量，電導(dǎo)式在線水分儀測量原理如圖3所示。在使用中可分為離線和在線測量，離線式即將煤樣破碎制成特定規(guī)格，展開電阻測量，其耗時長且精度低；而在線式是將探頭插入物料中實時檢測，對探針耐磨度要求較高且與物料接觸的緊實度也會對測值穩(wěn)定性造成影響[34]。

圖3 電導(dǎo)式在線水分儀測量原理[35]

(2)電容式。水的介電常數(shù)較大，煤樣中全水分含量的改變會導(dǎo)致介電常數(shù)發(fā)生變化[33]。在極板間電壓值恒定的情況下，電容式法以煤樣為電介質(zhì)置于兩極板中間，通過測量極板上電荷量的改變測出介電常數(shù)的變化間接得出被測物的含水量[31]。電容式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單且成本較低，但測量精度易受溫度、物料密度等因素的影響，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

3 煤中全水在線檢測設(shè)備的應(yīng)用方向

配合煤水分的變化嚴(yán)重影響焦炭質(zhì)量和焦化工藝。當(dāng)配合煤水分增加1%時，煉焦耗熱量增加約30 kJ/kg，結(jié)焦時間延長10～15 min[36]。當(dāng)將在線檢測全水設(shè)備應(yīng)用于膠帶輸送等連續(xù)生產(chǎn)過程中時，傳統(tǒng)的干燥法和化學(xué)法由于其測量的滯后性均不能滿足要求，而電測法則易受到外部環(huán)境的影響，故只有射線法中的微波法能滿足廠家對煤中全水分進(jìn)行在線檢測的要求。

微波水分儀可安裝于上倉膠帶、配煤膠帶、煤塔料倉和裝煤車料倉等位置，用于對煤料全水分的實時監(jiān)測，同時可與輸煤膠帶秤數(shù)據(jù)聯(lián)動并與中控DCS系統(tǒng)集成通訊，依據(jù)工藝配煤量的要求，自動調(diào)整下料量以實現(xiàn)干基配煤方案。而針對輸煤膠帶的全水分檢測可聯(lián)通煤調(diào)濕測控系統(tǒng)，依托其實現(xiàn)對加水的實時控制，平穩(wěn)入爐煤水分。

4 結(jié) 論

(1) 煤中全水分含量波動影響配煤煉焦工藝及焦炭質(zhì)量，且會損壞焦?fàn)t設(shè)備及管道。目前根據(jù)國標(biāo)采用的干燥法，由于測量結(jié)果滯后，無法對入爐煤進(jìn)行實時在線檢測并進(jìn)行工藝調(diào)整，無法滿足生產(chǎn)調(diào)控要求。

(2) 直接法通過去除水分稱量后測試，間接法通過與水分有關(guān)的物理量進(jìn)行分析。經(jīng)討論，采用紅外或微波射線對煤樣進(jìn)行全水分檢測可以滿足在線測試的要求，其中微波法由于其穿透效果更強(qiáng)，受環(huán)境影響較小，更適合應(yīng)用于對煤炭全水分的測試。

(3) 將微波水分儀與膠帶秤的稱量數(shù)據(jù)聯(lián)動后上傳中控DCS集成分析，依據(jù)工藝要求自動調(diào)整下料量，可進(jìn)行干基配煤；反饋全水分測量數(shù)據(jù)并與煤調(diào)濕技術(shù)聯(lián)動后可平穩(wěn)入爐煤水分，實現(xiàn)水分控制的目標(biāo)。