煤质在线分析仪在Shell煤气化装置中的应用研究
李树杰，刘 军
（天津渤化永利化工股份有限公司，天津 300254）
[摘 要] 通过对CNA3煤质在线分析仪结构功能的分析及在线测量系统技术原理的具体阐述，得出CNA3煤质在线分析仪具有最先进、最安全且测量煤炭元素种类多（达12种）、性能长期稳定无漂移等优点；将CNA3煤质在线分析仪的分析结果与实验室手动分析结果对比得出，煤种切换前后在线分析仪与手动分析的分析结果的整体变化趋势基本一致，除铁含量、钙含量均值相差较大外，其他如全水分、灰分、硫含量、硅铝比、钾钠和均值等指标均较为接近；同时指出，目前CNA3煤质在线分析仪使用过程中还存在一些问题，通过对分析数据进行加权平均处理及延长分析时间后，测量精度和准确度有较好转变。研究结果表明，CNA3煤质在线分析仪能实现配煤煤质在线监测目标且为气化炉平稳运行提供一定的技术指导。
[关键词] 煤质；CNA3煤质在线分析仪；技术原理；Shell煤气化装置；应用研究
[中图分类号] TQ 544 [文献标志码] B [文章编号] 1004-9932（2017）02-0073-04
1 煤质在线测量技术概况
我国的能源特点是“富煤、贫油、少气”，煤炭储量丰富，分布地域广，煤质差异较大。煤炭在转化的过程中，其成分和特性对煤炭高效转化的经济性、安全性和环境保护有着极其重要的影响[1]。Shell干粉煤加压气化技术是当今世界较为先进的洁净煤气化技术，具有自动化程度高、操作安全、煤种适应性广、单炉生产能力大、碳转化率高、比氧耗低、运转周期长和环境效益好等优点，但Shell气化炉的运行状况又与原料煤煤质特性密切相关，原料煤配制的稳定性对装置运行的平稳性和经济性具有明显的取向性[2]。目前燃煤及气化用煤的煤质分析普遍采用离线的分析方法，要经过采样、缩分、制样、检验等环节，此过程一般耗时较长，导致大量的原煤是在缺乏煤质数据的状况下被燃烧和气化，或者在煤种变化较大的情况下未及时进行必要的运行调整和采取相应的措施，从而可能造成严重的后果[3]。而在线分析技术是一种实时分析的技术，无需取样、制样，能随时预测过程的发展趋势，给过程控制和调整提供准确的依据，而且分析结果具有极大的代表性，从而为工业自动化控制和产品质量监测带来了革命性的手段。煤炭工业中，可利用在线煤质分析仪对整个煤炭生产、加工、转化过程中的水分、灰分、硫分、灰成分、发热量等数据进行实时监测和控制[4]。目前国际上流行的煤质在线分析技术通常有微波技术、双能的γ射线衰减技术、中子感生瞬发γ射线技术、快速γ中子活化分析技术[5]。国外关于煤质在线测量技术研究较早且技术已经比较成熟，大都采用核技术，具体有双能γ射线穿透法、60 keV的γ射线散射法、电子对法和中子活化分析法，尤其是快速γ中子活化煤质在线分析技术，始于20世纪70年代中期，现已经得到普遍应用[6]。美国Gamma-Metrics研制的煤质在线分析仪已形成包括 CQM、ECA、1812C 等不同精度等级的系列产品，已得到广泛应用[7]。如今，国内自主研发的煤质在线监测仪技术已比较成熟，自动化程度也很高。燃煤电厂使用的煤质在线分析仪大多采用双能射线穿透法的原理研制。西安262厂拥有双能射线穿透法分析仪器这方面的产品[8]。纵观国内外对煤质在线分析仪的研究及应用发现，主要集中于燃煤电厂，而应用于煤气化生产过程中的鲜有报道。以下介绍脉冲可控中子活化在线煤质分析系统（CNA3）的技术原理，重点考察煤质在线分析仪在Shell煤气化装置中的应用。
2 CNA3煤质在线分析仪的构造及技术原理
2.1 CNA3煤质在线分析仪的构造
可控中子活化在线煤质分析仪（CNA3）主要由测量单元、电控柜、辐射防护模块、操作站4个部分构成。
测量单元主要包括防护中子、中子发射子系统和γ探测子系统、滑轨。中子发射子系统主要由中子发射模块—中子发生器及相关电子设备组成；γ探测子系统包括γ探测器以及相关电子设备和温度控制硬件，γ探测器收集材料所发出的γ信号，然后通过数字电子技术处理该信号并发送到PC（通过电控柜）进行数据分析。电控柜主要为测量模块电子设备提供电源，以及为中子发射模块—中子发生器提供超高压电源，并且还承担以太网通信中心、硬件安全系统、输入/输出信号用户接口、测量室温度控制的功能。自动辐射防护系统（APR）可靠的电气安全回路连接到一个限制区域的通道门，建筑物本身或仪器周围的铁丝栅栏构成了该限制区域，如果有人闯入，中子发射自动关闭。操作台通过以太网电缆连接到iService电控柜的远程电脑，进行CNA3的操作和数据存储，并整理数据和显示测量结果。
2.2 CNA3煤质在线分析仪的技术原理
CNA3煤质在线中子分析仪采用中子活化分析（NAA）测量煤炭成分，与20世纪80年代开发的核同位素分析仪的区别主要表现为：SODERN的控制中子分析仪（CNA）采用14 MeV中子，是在采用锗酸铋氧化物晶体测量γ射线能量时采用中子发生器用电气产生的中子。基于脉冲快热中子分析（PFTNA）原理，当中子被吸收到原子的原子核中，该原子的原子核暂时变得不稳定，然后通过发射γ射线重新趋于稳定，原子核返回到稳定状态时，每个元素发射1个唯一的γ射线标志，通过测量原料中包含的每个伽马元素的能量对材料进行定性和定量分析。PFTNA 可以在线和实时测量二氧化硅、氧化铝、铁、钙、硫、钠、钾、氯、钒、磷、锰、钛、镍、钴、铬、氢和氮的数量，通过元素组成，CNA3可以准确地提供各元素氧化物、工业分析指标和水分数据。
3 CNA3煤质在线分析仪的应用分析
为考察CNA3煤质在线分析仪的应用情况，我公司对Shell煤气化装置中同一煤样分别采用实验室手动分析和CNA3煤质在线分析仪分析，并采集一段时间内（数据采集期内煤样进行过切换，切换时间为2015年11月8日）煤样的工业分析（水分、灰分）、元素分析（硫）、煤灰化学组成［Fe2O3、CaO、Si/Al、（K+Na）］、发热量（Qnet.ar、Qgr.d）检测结果进行对比，具体如下。
更多内容详见《中氮肥》2017年第2期