CN110631948A - 一种原煤灰分检测装置以及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原煤灰分检测装置以及检测方法，检测装置包括安装座组件、重量检测组件、进样组件、出样组件以及上位机；所述重量检测组件安装在安装座组件上，所述上位机分别与重量检测组件、进样组件以及出样组件相连接；所述重量检测组件包括悬臂梁称重传感器、样品支架、样品坩埚、加热机构以及水平移动机构。本发明创造在原煤浮选过程中，利用进样组件将原煤输送至重量检测组件中，重量检测组件首先对原煤进行高温加热操作，之后再对原煤重量变化进行检测，对比高温加热前原煤重量，即可实时检测中原煤浮选过程中的灰分，从而实现自动化闭环控制，提高浮选后的煤炭质量。

Description

一种原煤灰分检测装置以及检测方法

技术领域

本发明涉及原煤检测技术领域，更具体地说涉及一种原煤灰分检测装置以及检测方法。

背景技术

灰分是煤炭中的一种重要的技术指标，国际标准ISO1171-2010规定了原煤灰分的测定标准，该国际标准测定流程需要耗费较长的时间。

煤炭中的灰分是指在一定条件下，一定重量的原煤燃烧至重量稳定之后的剩余物重量占原有重量的比重，是影响煤的燃烧特性重要物理指标之一，是煤炭中一种重要的物理属性。当前煤炭灰分的标准检测方法主要有灼烧称重法、天然放射性法、重力测定法、图像处理测灰法等等。其中灼烧称重法是标准测定方法，根据国际标准ISO1171-2010规定，灰分测定需将1g已称量精确至0.1mg的煤粉在炉中加热至500度，维持30分钟后再将温度升至815±10℃，至少保持这个温度60分钟。由此可以看出国际标准中原煤灰分检测方法耗费的时间比较长，在实际应用中并不能对煤炭的生产和加工及时做出指导。

在煤炭的生产和加工中，采用浮选工艺可以回收大量的低灰分精煤，有效净化选煤用循环水，并提高其它后续工艺环节的效果，是目前公认的用于细粒煤泥脱硫降灰最经济、最有效的分选技术和方法之一，也是选煤厂取得最佳经济效益、社会效益和环境效益的有效技术途径。但是由于缺乏浮选尾矿的灰分自动化快速检测装置，无法形成自动化闭环控制，导致煤矿的浮选过程中，还需根据岗位工人的经验去根据煤质情况调节煤泥加药量，无法真正实现浮选过程的自动控制和加药。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种原煤灰分快速检测装置以及检测方法。

本发明解决其技术问题的解决方案是：

一种原煤灰分检测装置，包括：

安装座组件，用于提供安装位置；

重量检测组件，用于对原煤进行加温并对原煤重量进行检测；

进样组件、出样组件，分别用于将原煤输入至重量检测组件以及将原煤从重量检测组件输出；

以及上位机；

所述重量检测组件安装在安装座组件上，所述上位机分别与重量检测组件、进样组件以及出样组件相连接；

所述重量检测组件包括悬臂梁称重传感器、样品支架、样品坩埚、加热机构以及水平移动机构，所述水平移动机构设置在安装座组件上，所述悬臂梁称重传感器设置在水平移动机构上，所述样品支架设置在悬臂梁称重传感器上，所述样品坩埚设置在样品支架上，所述进样组件以及出样组件分别用于将原煤输入至样品坩埚上以及将原煤从样品坩埚中输出，所述上位机分别与悬臂梁称重传感器、水平移动机构以及加热机构相连接，所述水平移动机构驱动样品坩埚进出加热机构内部。

作为上述技术方案的进一步改进，所述样品支架包括依次连接的第一架设段、隔热段以及第二架设段，所述样品支架的第一架设段与悬臂梁称重传感器固定连接，所述样品坩埚设置在样品支架的第二架设段上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述样品坩埚是碗型坩埚。

作为上述技术方案的进一步改进，重量检测组件中，所述水平移动机构与悬臂梁称重传感器之间设置有减震垫。

本发明的有益效果是：本发明所述检测装置在原煤浮选过程中，利用进样组件将原煤输送至重量检测组件中，重量检测组件首先对原煤进行高温加热操作，之后再对原煤重量变化进行检测，对比高温加热前原煤重量，即可实时检测中原煤浮选过程中的灰分，从而实现自动化闭环控制，提高浮选后的煤炭质量。

本发明同时还公开一种原煤灰分检测方法，包括：

步骤100，对原煤进行燃烧反应动力学分析，建立灰分计算拟合模型；

当温度较低时，原煤燃烧的化学反应速度较低，而扩散到原煤表面的氧气比消耗的氧气多，此时原煤的燃烧速度主要决定于化学反应动力因素，氧气扩散速度影响小，此时原煤燃烧反应区域处于动力燃烧区；当原煤燃烧时样的供应速度大于化学反应中氧的消耗速度，原煤的燃烧反应充分进行，原煤燃烧反应区域处于动力学控制区；

原煤燃烧属于气固反应，由碰撞理论和建立在统计学、量子力学、物质结构的反应速率常数的计算方法以及质量作用定律控制的动力学方程

得到原煤燃烧反应的化学反应速率计算式如下：

其中k表示反应速率常数，与温度相关，

f(α)表示反应机理函数，T表示温度，A表示指前因子，E表示反应活化能，R表示气体常数，t表示时间，α表示原煤的转化率，指已燃的可燃物占原煤中可燃物的总含量的百分比，根据原煤的热重曲线得到，其定义为：

m₀表示加热前原煤的重量，m_t表示加热过程中t时刻原煤的重量，m_∞表示加热结束后原煤的重量；

原煤的燃烧过程中，令f(α)＝(1-α)ⁿ反应级数形式表示反应机理，选取n＝1，原煤燃烧反应的化学反应速率表示为：

当原煤开始燃烧时，原煤开始燃烧，且未燃烧完全，此时m_t≠m_∞，原煤燃烧反应的化学反应速率为：

由上式得到：

其中C为常数，当时间t＝0，m_t＝m₀，将上式转化为：

得可失重百分比为：

由式6和式7得到：

由式8得到：

式9表示重量为m₀-m_∞的原煤在温度为T下的重量变化规律，由式9得到当m_t≠m_∞时原煤灰分如式10所示，

步骤200，由式8得到原煤在燃烧中的重量变化呈指数衰减的形式减少，通过指数衰减曲线拟合得到煤炭灰分变化曲线；

步骤200包括以下步骤：

步骤210，将原煤输送至原煤灰分检测装置中，分别记录多个时刻下原煤质量的变化，得到可失重百分比变化曲线，通过拟合曲线得出式8的参数；

步骤220，将所得式8中的参数代入式9中，对原煤灰分进行预测。

本发明的有益效果是：本发明所述检测方法，对原煤进行燃烧反应动力学分析，建立灰分计算拟合模型，动力学的提出和不同模型的建立，最终目的都是用简单的方程来预测反应的进程，从而更好的控制和高效利用实际燃烧过程。在实际应用中，在原煤开始燃烧之后，测量燃烧过程中原煤重量随时间变化的关系，对实验所得数据进行拟合，即可在原煤尚未焚烧完毕前测得原煤的灰分，从而有效减少测定时间，极大提高测试速率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是本发明创造的装置结构示意图；

图2是本发明创造的控制模块框架图；

图3是本发明创造的检测方法流程示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本申请的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本申请的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本申请保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。最后需要说明的是，如文中术语“中心、上、下、左、右、竖直、水平、内、外”等指示的方位或位置关系则为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

参照图1和图2，本申请公开了一种原煤灰分检测装置，其主要与原煤浮选装置匹配使用，其第一实施例包括：

安装座组件100，用于提供安装位置；

重量检测组件，用于对原煤进行加温并对原煤重量进行检测；

进样组件300、出样组件400，分别用于将原煤输入至重量检测组件以及将原煤从重量检测组件输出；

以及上位机；

所述重量检测组件安装在安装座组件100上，所述上位机分别与重量检测组件、进样组件300以及出样组件400相连接；

所述重量检测组件包括悬臂梁称重传感器210、样品支架220、样品坩埚230、加热机构240以及水平移动机构250，所述水平移动机构250设置在安装座组件100上，所述悬臂梁称重传感器210设置在水平移动机构250上，所述样品支架220设置在悬臂梁称重传感器210上，所述样品坩埚230设置在样品支架220上，所述进样组件300以及出样组件400分别用于将原煤输入至样品坩埚230上以及将原煤从样品坩埚230中输出，所述上位机分别与悬臂梁称重传感器210、水平移动机构250以及加热机构240相连接，所述水平移动机构250驱动样品坩埚230进出加热机构240内部。

具体地，本实施例中所述加热机构240主要用于对原煤进行加热操作，使原煤在加热机构240内充分燃烧，且所述加热机构240中的加热温度受上位机的控制；所述悬臂梁称重传感器210主要用于对加热前后样品坩埚230及其所装有的样品进行重量检测；所述进样组件300以及出样组件400，分别用于将原煤输入至重量检测组件以及将原煤从重量检测组件输出，实际应用中，所述进样组件300可以选择机械手进样方式或者蠕动泵进样方式，所述出样组件400可以选择机械手出样方式或者负压吸出方式；本实施例在原煤浮选过程中，利用进样组件300将原煤输送至重量检测组件中，重量检测组件首先对原煤进行高温加热操作，之后再对原煤的重量变化进行检测，对比高温加热前原煤重量，即可实时检测中原煤浮选过程中的灰分，从而实现自动化闭环控制，提高浮选后的煤炭质量。

进一步作为优选的实施方式，本实施例中，所述样品支架220包括依次连接的第一架设段221、隔热段222以及第二架设段223，所述样品支架220的第一架设段与悬臂梁称重传感器210固定连接，所述样品坩埚230设置在样品支架220的第二架设段223上，其中所述样品支架220的隔热段222主要用于隔绝热量传递，防止热量对悬臂梁称重传感器210造成影响，导致重量检测准确度降低。本实施例中所述悬臂梁称重传感器210是一种精密器件，其分辨率极高，因此本实施例需要将温度变化对悬臂梁称重传感器210所带的不良影响消除。

进一步作为优选的实施方式，本实施例中，所述样品坩埚230是碗型坩埚，本实施例之所以使用碗型坩埚，只要是为了使煤粉尽量以平铺的方式燃烧，同时保持充足的空气供应，使碳和氧接触越好，原煤燃烧速率更快，测定时间更短。

进一步作为优选的实施方式，本实施例中所述的重量检测组件，所述水平移动机构250与悬臂梁称重传感器210之间设置有减震垫260，由于水平移动机构250在驱动悬臂梁称重传感器210移动的过程中，有可能出现轻微的震动，但是由于本实施例中的悬臂梁称重传感器210是一种精密器件，轻微的震动同样也会对悬臂梁称重传感器210的检测结构造成影响，因此本实施例通过减震垫260的设置降低水平移动机构250在驱动悬臂梁称重传感器210移动的过程中所产生的震动对悬臂梁称重传感器210的影响。

参照图3，本实施例具体的原煤灰分检测方法的具体流程如下，具体包括以下步骤：

步骤100，对原煤进行燃烧反应动力学分析，建立灰分计算拟合模型；

当温度较低时(低于1000摄氏度)，原煤燃烧的化学反应速度较低，而扩散到原煤表面的氧气比消耗的氧气多，此时原煤的燃烧速度主要决定于化学反应动力因素，氧气扩散速度影响小，此时原煤燃烧反应区域处于动力燃烧区；当原煤燃烧时样的供应速度大于化学反应中氧的消耗速度，原煤的燃烧反应充分进行，原煤燃烧反应区域处于动力学控制区；

原煤燃烧属于气固反应，由碰撞理论和建立在统计学、量子力学、物质结构的反应速率常数的计算方法以及质量作用定律控制的动力学方程

得到原煤燃烧反应的化学反应速率计算式如下：

其中k表示反应速率常数，与温度相关，

f(α)表示反应机理函数，T表示温度，A表示指前因子，E表示反应活化能，R表示气体常数，t表示时间，α表示原煤的转化率，指已燃的可燃物占原煤中可燃物的总含量的百分比，根据原煤的热重曲线得到，其定义为：

m₀表示加热前原煤的重量，m_t表示加热过程中t时刻原煤的重量，m_∞表示加热结束后原煤的重量；

原煤的燃烧过程中，令f(α)＝(1-α)ⁿ反应级数形式表示反应机理，选取n＝1，原煤燃烧反应的化学反应速率表示为：

当原煤开始燃烧时，原煤开始燃烧，且未燃烧完全，此时m_t≠m_∞，原煤燃烧反应的化学反应速率为：

由上式得到：

其中C为常数，当时间t＝0，m_t＝m₀，将上式转化为：

得可失重百分比为：

由式6和式7得到：

由式8得到：

式9表示重量为m₀-m_∞的原煤在温度为T下的重量变化规律，由式9得到当m_t≠m_∞时原煤灰分如式10所示，

步骤200，由式8得到原煤在燃烧中的重量变化呈指数衰减的形式减少，通过指数衰减曲线拟合得到煤炭灰分变化曲线；

步骤200包括以下步骤：

步骤210，将原煤输送至原煤灰分检测装置中，分别记录多个时刻下原煤质量的变化，得到可失重百分比变化曲线，通过拟合曲线得出式8的参数；

步骤220，将所得式8中的参数代入式9中，对原煤灰分进行预测。

本实施例所应用的检测方法，对原煤进行燃烧反应动力学分析，建立灰分计算拟合模型，动力学的提出和不同模型的建立，最终目的都是用简单的方程来预测反应的进程，从而更好的控制和高效利用实际燃烧过程。在实际应用中，在原煤开始燃烧之后，测量燃烧过程中原煤重量随时间变化的关系，对实验所得数据进行拟合，即可在原煤尚未焚烧完毕前测得原煤的灰分，从而有效减少测定时间，极大提高测试速率。

以上对本申请的较佳实施方式进行了具体说明，但本申请并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种原煤灰分检测装置，其特征在于，包括：

安装座组件(100)，用于提供安装位置；

重量检测组件，用于对原煤进行加温并对原煤重量进行检测；

进样组件(300)、出样组件(400)，分别用于将原煤输入至重量检测组件以及将原煤从重量检测组件输出；

以及上位机；

所述重量检测组件安装在安装座组件(100)上，所述上位机分别与重量检测组件、进样组件(300)以及出样组件(400)相连接；

所述重量检测组件包括悬臂梁称重传感器(210)、样品支架(220)、样品坩埚(230)、加热机构(240)以及水平移动机构(250)，所述水平移动机构(250)设置在安装座组件(100)上，所述悬臂梁称重传感器(210)设置在水平移动机构(250)上，所述样品支架(220)设置在悬臂梁称重传感器(210)上，所述样品坩埚(230)设置在样品支架(220)上，所述进样组件(300)以及出样组件(400)分别用于将原煤输入至样品坩埚(230)上以及将原煤从样品坩埚(230)中输出，所述上位机分别与悬臂梁称重传感器(210)、水平移动机构(250)以及加热机构(240)相连接，所述水平移动机构(250)驱动样品坩埚(230)进出加热机构(240)内部。

2.根据权利要求1所述的一种原煤灰分检测装置，其特征在于：所述样品支架(220)包括依次连接的第一架设段(221)、隔热段(222)以及第二架设段(223)，所述样品支架(220)的第一架设段(221)与悬臂梁称重传感器(210)固定连接，所述样品坩埚(230)设置在样品支架(220)的第二架设段(223)上。

3.根据权利要求1所述的一种原煤灰分检测装置，其特征在于：所述样品坩埚(230)是碗型坩埚。

4.根据权利要求1所述的一种原煤灰分检测装置，其特征在于：重量检测组件中，所述水平移动机构(250)与悬臂梁称重传感器(210)之间设置有减震垫(260)。

5.一种原煤灰分检测方法，其特征在于，包括：

步骤100，对原煤进行燃烧反应动力学分析，建立灰分计算拟合模型；

当温度较低时，原煤燃烧的化学反应速度较低，而扩散到原煤表面的氧气比消耗的氧气多，此时原煤的燃烧速度主要决定于化学反应动力因素，氧气扩散速度影响小，此时原煤燃烧反应区域处于动力燃烧区；当原煤燃烧时样的供应速度大于化学反应中氧的消耗速度，原煤的燃烧反应充分进行，原煤燃烧反应区域处于动力学控制区；

原煤燃烧属于气固反应，由碰撞理论和建立在统计学、量子力学、物质结构的反应速率常数的计算方法以及质量作用定律控制的动力学方程

得到原煤燃烧反应的化学反应速率计算式如下：

其中k表示反应速率常数，与温度相关，

f(α)表示反应机理函数，T表示温度，A表示指前因子，E表示反应活化能，R表示气体常数，t表示时间，α表示原煤的转化率，指已燃的可燃物占原煤中可燃物的总含量的百分比，根据原煤的热重曲线得到，其定义为：

m₀表示加热前原煤的重量，m_t表示加热过程中t时刻原煤的重量，m_∞表示加热结束后原煤的重量；

原煤的燃烧过程中，令f(α)＝(1-α)ⁿ反应级数形式表示反应机理，选取n＝1，原煤燃烧反应的化学反应速率表示为：

当原煤开始燃烧时，原煤开始燃烧，且未燃烧完全，此时m_t≠m_∞，原煤燃烧反应的化学反应速率为：

由上式得到：

其中C为常数，当时间t＝0，m_t＝m₀，将上式转化为：

得可失重百分比为：

由式6和式7得到：

由式8得到：

式9表示重量为m₀-m_∞的原煤在温度为T下的重量变化规律，由式9得到当m_t≠m_∞时原煤灰分如式10所示，

步骤200，由式8得到原煤在燃烧中的重量变化呈指数衰减的形式减少，通过指数衰减曲线拟合得到煤炭灰分变化曲线；

步骤200包括以下步骤：

步骤210，将原煤输送至原煤灰分检测装置中，分别记录多个时刻下原煤质量的变化，得到可失重百分比变化曲线，通过拟合曲线得出式8的参数；

步骤220，将所得式8中的参数代入式9中，对原煤灰分进行预测。

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