CN107870166A - 一种无需燃烧的煤炭发热量快速测量装置 - Google Patents

一种无需燃烧的煤炭发热量快速测量装置 Download PDF

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卢伟业
姚顺春
李越胜
卢志民
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Abstract

本发明公开了一种无需燃烧的煤炭发热量快速测量装置，主要包括给粉模块、工业平板电脑、控制执行模块、激光器、光谱仪、收光模块和CCD相机等。其中，激光器用于激发煤粉获得光谱信号，工业平板电脑内置有用于处理光谱数据的多元回归模型，给粉模块是利用重力输送煤粉的上下相连双漏斗结构，整体结构简单，无需另外的生产线安装设备，同时满足了无污染快速测量和离线测量的需求。且当断电时，本装置也能利用蓄电池为激光器和分析设备供电，确保装置的正常使用。

Description

一种无需燃烧的煤炭发热量快速测量装置
技术领域
本发明涉及煤质分析技术领域，具体涉及一种无需燃烧的煤炭发热量快速测量装置。
背景技术
煤炭发热量作为煤炭质量分析的重要指标,煤炭发热量测定结果的准确性具有非常重要的理论和实际意义。CN105277531A公布了一种基于分档的煤质特性测量方法，该方法可在线求得工业生产过程中输送带上的煤炭中各元素的浓度及煤炭的发热量、灰分、挥发分，属于对输送带上不同煤的煤质特性的实时变化进行监控的领域。而CN1912588A公布了一种基于激光感生光谱和神经网络技术的煤质在线分析设备，该设备具体来说是一种用于工业生产过程中煤质的元素分析和工业分析指标的在线测量的仪器和系统，克服了在煤种变化情况下由元素分析向工业分析结果转换过程中的不确定性。以上两项发明都解决了煤质特性在线测量分析的难题，但由于在线测量是在生产过程中实施的，所以不能实现生产前取样测量不同地区的不同原煤的发热量的离线分析工作，而对于焦化厂、电厂等用煤大户，在采购前需要了解不同煤种的发热量时，显然，上述两种发明不能满足其需求。
而传统的煤炭发热量的离线测量主要采用氧弹量热法进行测量，把煤样放在充有过量氧气的氧弹内燃烧，测量前有时需将煤粉进行压饼，测量完后还需对氧弹内各部位进行全面清洗。该方法程序繁琐复杂且耗时较长，测量过程消耗易耗品，且需要专业的操作人员才能进行测量的试验。在需要对大量样品进行发热量的快速测量时，该方法既浪费易耗品，又无法满足快速得到测量结果的需求。
发明内容
本发明的目的在于同时解决煤炭发热量传统离线测量时间长、易耗品消耗多或激光可快速测量却没有离线测量装置进行生产前的分析工作等不足，提供一种无需燃烧的煤炭发热量快速测量装置，可同时实现激光测量且离线分析的有益效果，且装置无需设置在生产线的安装设施，节约成本，使用方便；且激光器不是像裸露在生产线上直接作用于输送带上的煤粉，而是安装在箱体内部，操作安全性较高。
为解决上述问题，本发明提供了一种无需燃烧的煤炭发热量快速测量装置。
该装置呈长方箱体结构，包括给粉模块、工业平板电脑、控制执行模块、光谱仪、激光器、收光模块，各部件都组装在箱体里面，各部分连接关系简单，一体化程度较高，整体呈箱体状，可放置在任意平面空地上工作，无需另外的安装设备，且激光器安装在箱体内部，不对分析人员产生直接危险，操作安全性较高。
所述工业平板电脑和所述控制执行模块进行连接，所述工业开关电源通过运行高频开关技术将输入的较高的交流电压(AC)转换为工业平板电脑工作所需要的较低的直流电压(DC)，所述控制执行模块可执行所述工业平板电脑的指令使所述给粉模块内部煤粉样品自由下落形成均匀的沉降流流出，所述工业开关电源可包括蓄电池，停电时仍可使装置正常工作，煤粉采用利用重力作自由落体的输送方式，无需付出额外的能耗，在停电时不需另外供电给输送机构便可正常工作。所述控制执行模块驱动所述激光器发射脉冲激光激发煤粉沉降流，所述收光模块收集所述煤粉样品被激发后所发出的光谱信号，所述光谱仪将所述光谱信号转换为数据信号传输到所述工业平板电脑中，激光工作部分的组成模块相互之间结构紧凑。所述工业平板电脑利用其内置的煤样数据模型进行分析计算得到所述煤粉样品的发热量。
优选地，所述煤样数据模型为多元回归模型，输入参数是碳、氢、氧、硅、铝、铁、钙等煤质元素在200-1000nm范围内的所有特征谱线的强度和，可快速计算输出煤炭发热量的数值。
优选地，所述激光器包括激光器电源、水箱和激光头，所述水箱用于为激光头供给循环冷却水进行工作降温。
优选地，所述工业平板电脑设置有触控屏，用户可通过所述触控屏设置激光器和光谱仪的工作参数，所述触控屏还用于显示煤粉热值测量结果和测量装置的工作状态。
优选地，所述快速测量装置还包括CCD相机，所述CCD相机用于拍摄煤粉被激光激发后的等离子照片，并通过光纤传输到工业平板电脑中，所述照片可显示于所述触控屏上，用户可实时观察煤粉样品的变化状况。
优选地，所述工业平板电脑用于控制并设置激光头与光谱仪的工作参数，至少包括激光强度与脉冲频率、光谱采集的延时与门宽。工作时，激光强度的范围为10-100mJ，脉冲频率为2-5Hz，光谱采集的延时为0.5-10μs，门宽为0.01-2ms。
优选地，所述给粉模块呈上下相连双漏斗型的结构，上漏斗大于下漏斗，控制煤粉样品的自由下降的流速，从而形成均匀的沉降流。
优选地，所述的废样收集模块是带有圆形把手的抽屉结构，位于给粉模块的正下方，方便收集废料，减少污染。
优选地，所述的测量装置安装有紧急停止开关，装置故障时可及时停机，减少危险的发生；还可设置USB接口，用于导出原始光谱数据和测量结果；网线接口，用于传输和在线分享测量数据。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明对煤炭发热量的测量既实现了无污染快速测量的效果，又达到了离线测量的目的，解决了现有技术只能满足其中之一的缺陷。同时，对输送方式的优化采用了上下相连的双漏斗型结构，煤粉样品的输送无需额外能耗；对结构的改进则是将各部件以一定的连接关系安装在装置箱体内部，使得装置一体化程度较高，装置可直接放置在平地上，无需像在线测量时需要配置安装在生产线的安装设施，简单使用步骤，节约成本；另外，由于激光器装置在箱体内部，箱体密封性较好和起到一定的保护作用，可延长使用寿命和提高工作的安全性。另外，工业开关电源和蓄电池的组合保证了在停电情况下装置仍能正常工作，进一步优化了离线测量的使用条件。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中：工业平板电脑1；控制执行模块2；工业电源3；光谱仪4；激光器电源5；水箱6；激光头7；废样收集模块8；CCD相机9；收光模块10；给粉模块11；装置启动开关12；紧急停止开关13；状态指示灯14；USB接口15；网线接口16；触控屏17。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，下面结合附图和具体实施发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
如图1所示，本发明提供了一种无需燃烧的煤炭发热量快速测量装置。
该装置呈长方箱体结构，包括给粉模块11、工业平板电脑1、控制执行模块2、光谱仪4、激光器、收光模块10，各部件都组装在箱体里面，各部分连接关系简单，一体化程度较高，整体呈箱体状，可放置在任意平面空地上工作，无需另外的安装设备，且激光器安装在箱体内部，不对分析人员产生直接危险，操作安全性较高。
所述工业平板电脑1和所述控制执行模块2进行连接，所述控制执行模块2可执行所述工业平板电脑1的指令使所述给粉模块11内部煤粉样品自由下落形成均匀的沉降流流出，所述工业开关电源3可包括蓄电池，停电时仍可使装置正常工作，且煤粉是采用利用重力作自由落体的输送方式，无需付出额外的能耗，在停电时不需另外供电给输送机构便可正常工作，故克服了一般的在线测量停电时仍需为输送带供电才能传输测量的煤粉样品的问题，更凸显了离线测量相比较在线测量的优势。
所述控制执行模块2驱动所述激光器发射脉冲激光激发煤粉沉降流，所述收光模块10收集所述煤粉样品被激发后所发出的光谱信号，所述光谱仪4将所述光谱信号转换为数据信号传输到所述工业平板电脑1中，激光工作部分的组成模块相互之间结构紧凑，收光模块10位于激光头7的正前方，放置在发出激光束的垂直面，有效地收集更全面的光谱信息，所述工业平板电脑1利用其内置的煤样数据模型进行分析计算得到所述煤粉样品的发热量。
所述煤样数据模型为多元回归模型，输入参数是碳、氢、氧、硅、铝、铁、钙等煤质元素在200-1000nm范围内的所有特征谱线的强度和，可快速计算输出煤炭发热量的数值。
所述激光器包括激光器电源5、水箱6和激光头7，所述水箱6用于为激光头7供给循环冷却水进行工作降温。
所述工业平板电脑1设置有触控屏17，用户可通过所述触控屏17设置激光器和光谱仪4的工作参数，所述触控屏17还用于显示煤粉热值测量结果和测量装置的工作状态。
所述快速测量装置还包括CCD相机9，所述CCD相机9用于拍摄煤粉被激光激发后的等离子照片，并通过光纤传输到工业平板电脑1中，所述照片可显示于所述触控屏17上，用户可实时观察煤粉样品的变化状况。
所述工业平板电脑1用于控制并设置激光头7与光谱仪4的工作参数，至少包括激光强度与脉冲频率、光谱采集的延时与门宽。工作时，激光强度的范围为10-100mJ，脉冲频率为2-5Hz，光谱采集的延时为0.5-10μs，门宽为0.01-2ms。
所述给粉模块11呈上下相连双漏斗型的结构，上漏斗大于下漏斗，控制煤粉样品的自由下降的流速，从而形成均匀的沉降流。
所述的废样收集模块8是带有圆形把手的抽屉结构，位于给粉模块11的正下方，方便收集废料，减少污染。
所述的测量装置安装有紧急停止开关13，装置故障时可及时停机，降低危险；USB接口15，用于导出原始光谱数据和测量结果；网线接口16，用于传输和在线分享测量数据。
基于上述实施例的快速测量装置，其发热量测量步骤如下：
1)按下装置启动开关12开启整个装置，通过工业平板电脑1的二级界面设置光谱仪4和激光器等模块的参数，设置的步骤包括把激光强度范围设置为10-100mJ，把脉冲频率设置为2-5Hz，把光谱采集的延时与门宽分别设置为0.5-10μs和0.01-2ms；待测的煤粉样品通过给粉模块11以均匀的沉降流形式自由下落。同时，激光器以预先设置的强度值与频率值发射脉冲激光，直接作用于煤粉沉降流，在聚焦点产生等离子体，向外发射光谱信号；
2)收光模块10实时收集激发产生的辐射光谱信号，通过光纤并经过光谱仪4处理后转换成信号数据而被工业平板电脑1采集；
3)转换后的光谱数据由工业平板电脑1进行分析，由内置的多元回归模型分析计算快速地得到发热量，并将测量结果显示在工业平板电脑1的触控屏7的主界面上。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无需燃烧的煤炭发热量快速测量装置，其特征在于，所述测量装置包括给粉模块(11)、工业平板电脑(1)、控制执行模块(2)、光谱仪(4)、激光器和收光模块(10)；所述工业平板电脑(1)和所述控制执行模块(2)进行连接，所述控制执行模块(2)可执行所述工业平板电脑(1)的指令使所述给粉模块(11)内部煤粉样品自由下落形成均匀的沉降流流出，所述控制执行模块(2)驱动所述激光器发射脉冲激光激发煤粉沉降流，所述收光模块(10)收集所述煤粉样品被激发后所发出的光谱信号，所述光谱仪(4)将所述光谱信号转换为数据信号传输到所述工业平板电脑(1)中，所述工业平板电脑(1)利用其内置的煤样数据模型进行分析计算得到所述煤粉样品的发热量。
2.根据权利要求1所述的一种无需燃烧的煤炭发热量快速测量装置，其特征在于，所述煤样数据模型为多元回归模型。
3.根据权利要求1所述的一种无需燃烧的煤炭发热量快速测量装置，其特征在于，所述快速测量装置还包括水箱(6)，所述水箱(6)用于为激光器的激光头(7)供给循环冷却水进行降温。
4.根据权利要求1所述的一种无需燃烧的煤炭发热量快速测量装置，其特征在于，所述工业平板电脑(1)设置有触控屏(17)，用户可通过所述触控屏(17)设置激光器和光谱仪(4)的工作参数，所述触控屏(17)还用于显示煤粉热值测量结果和测量装置的工作状态。
5.根据权利要求4所述的一种无需燃烧的煤炭发热量快速测量装置，其特征在于，所述快速测量装置还包括CCD相机(9)，所述CCD相机(9)用于拍摄煤粉被激光激发后的等离子照片，所述照片可显示于所述触控屏(17)上，用户可实时观察煤粉样品的变化状况。
6.根据权利要求4所述的一种无需燃烧的煤炭发热量快速测量装置，其特征在于，所述工作参数至少包括激光强度、脉冲频率、光谱采集的延时与门宽；其中，激光强度的范围为10-100mJ，脉冲频率为2-5Hz，光谱采集的延时为0.5-10μs，门宽为0.01-2ms。
7.根据权利要求1所述的一种无需燃烧的煤炭发热量快速测量装置，其特征在于，所述给粉模块(11)呈上下相连双漏斗型的结构，用于将煤粉样品形成均匀的沉降流。
8.根据权利要求1所述的一种无需燃烧的煤炭发热量快速测量装置，其特征在于，所述快速测量装置还包括废样收集模块(8)，所述废样收集模块(8)是带有圆形把手的抽屉结构，位于给粉模块(11)的正下方。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种无需燃烧的煤炭发热量快速测量装置，其特征在于，所述快速测量装置还设置有紧急停止开关(13)、USB接口(15)和网线接口(16)。
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