水煤漿濃度測量技術綜述

杜興團，劉培峰，崔紅林，程 旭

（1.河南心連心化學工業集團有限公司，河南 新鄉 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量分數，水煤漿濃度直接影響氣化裝置的整體負荷和能耗指標，對于指導生產運行具有重要意義[1]。

根據氣化工藝及原料的區別，水煤漿加壓氣化工藝通常要求煤漿濃度≥58%，以實現氣化裝置的經濟運行[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，結果表明煤漿濃度提高后，氣化有效氣量增加，提濃產生了顯著的經濟效益。

水煤漿濃度參數對于生產運行，節能降耗，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

根據術語定義，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量分數，即“固含量分數”。

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，以質量分數表示（%）；m1是干燥后的質量，單位為克（g）；m0是取樣質量，單位為克（g）。

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

1.2 放射性同位素法

放射性同位素法，是根據射線與物質作用后，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是發射器發射出的γ 射線強度；B 是校正系數，在低能γ 射線情況下，近似為大于1 的常數；μ 是質量吸收系數（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，E0，B，ρ，d 均為常數，因此式（1）可寫為：

其中，a、b 為常數。

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，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點是可以實現濃度的連續在線測量，但缺點是存在安全風險，操作維護復雜。而且在長期配煤等情況下，系數a 難以保持穩定，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，經濟性、安全性及長期穩定性都難以滿足先進測量技術的要求。

1.3 超聲波法

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

式（4）中：復波數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S 是連續相密度、粘度，顆粒相粒度、體積濃度的函數[10]。

在物料特性穩定的情況下，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之間存在函數關系，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)，只要根據函數關系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 是當地的重力加速度。

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，根據差壓法計算得到數據；ρs是干煤的真密度，由化驗室給出數值；ρw是水的密度，為常數。

壓差法測量煤漿濃度的原理比較簡單，測量的過程數值也比較容易獲取。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，制漿用水來源復雜導致水的密度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。通過定向發射寬頻電磁波信號，即可得到介質關于“頻率—吸收強度”的波譜模型[12]。

水煤漿中不同物質在波譜圖中有不同的吸收峰，吸收峰的位置表征了物質類型，吸收峰的高度和面積表征了物質的數量。通過波譜分析，計算出不同物質的數量、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、壓力等工況參數無關，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。

現場使用情況分析見圖3。

圖3 現場安裝、使用照片Fig.3 Photos of on-site installation and use

圖3 為現場使用情況照片，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 對比數據。

表1 手動分析與在線分析數據分析表Table 1 Data analysis table for manual and online analysis

表2 各測量技術的對比Table 2 Comparison of various measurement techniques

SD 標準偏差計算公式為：

其中，N 為總取樣次數；xi為第i 次取樣時，在線分析儀的讀取數據；yi為第i 次取樣的手動分析數據。

標準偏差SD 值結果分別為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

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

2 結語

本文分析了水煤漿濃度參數的重要意義，同時對目前水煤漿濃度測量的相關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內已具備一些應用案例，且能夠解決各類工況變化的影響，具有良好的應用前景。