光散射法和篩分法測(cè)量煤粉粒度對(duì)比與轉(zhuǎn)化研究

金其文，陳錫炯，李 培，富海淵，周永剛，吳學(xué)成

（1.浙江大學(xué) 能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027；2.浙能長(zhǎng)興發(fā)電有限公司，浙江 湖州 313100）

0 引 言

入爐煤粉粒度是燃煤電廠鍋爐運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)之一，對(duì)制粉能耗、設(shè)備磨損、鍋爐效率以及污染物排放等有重要的影響[1]。 準(zhǔn)確地測(cè)量表征煤粉粒度是對(duì)鍋爐進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整的基礎(chǔ)。

粉體顆粒粒度測(cè)量方法主要有篩分法、光散射法[2，3]、光脈動(dòng)法[4]、圖像法[5]、數(shù)字全息法[6，7]、超聲波法[8]、靜電法[9]等，這些方法都已經(jīng)在燃煤電廠或?qū)嶒?yàn)室尺度下應(yīng)用于煤粉粒度的在線或離線測(cè)量表征。 篩分法原理最簡(jiǎn)單，是應(yīng)用最廣泛的煤粉粒度測(cè)試方法，也是電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《DL/T 567.5 -1995 煤粉細(xì)度的測(cè)定》和《DL/T 467 -2004 電站磨煤機(jī)及制粉系統(tǒng)性能試驗(yàn)》中指定的標(biāo)準(zhǔn)方法。 基于光散射技術(shù)的激光粒度儀是最常用的顆粒粒度測(cè)試儀器，近幾十年得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，在煤粉粒度表征中也得到了一定的應(yīng)用。

燃煤電廠工程技術(shù)人員往往主要關(guān)注用來(lái)表征煤粉粗細(xì)的R90和R200等參數(shù)，這些參數(shù)是基于篩分法定義的。 由于測(cè)量原理的不同和煤粉顆粒形貌的不規(guī)則性，采用不同測(cè)量方法得到的細(xì)度結(jié)果一般有所差異，將其他方法的測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的篩分法結(jié)果則可直接指導(dǎo)工程實(shí)踐，且有利于研發(fā)在線測(cè)量?jī)x器并增強(qiáng)其適用性。 目前關(guān)于篩分法和激光粒度儀測(cè)量不規(guī)則顆粒粒度的結(jié)果對(duì)比的研究主要集中于地質(zhì)顆粒[10，11]、鍋爐飛灰[12]、洗煤泥[13]等，針對(duì)燃煤電廠煤粉的研究報(bào)道較少。 已有學(xué)者對(duì)激光粒度儀和篩分結(jié)果的關(guān)聯(lián)性和轉(zhuǎn)化方法開展了研究。 楊競(jìng)等[14]通過(guò)大量樣品數(shù)據(jù)建立了砂巖顆粒粒度回歸方程，將篩分結(jié)果修正后更接近激光粒度儀結(jié)果。 王慎文等[15]分析了河道砂顆粒形狀的測(cè)量結(jié)果差異的影響，在統(tǒng)計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上提出了校正公式。 孟召蘭等[16]對(duì)兩種方法得到的砂巖巖心粒徑進(jìn)了行回歸分析，建立了S 型曲線轉(zhuǎn)換模型。

本文針對(duì)燃煤電廠一次風(fēng)煤粉顆粒粒度的測(cè)量表征，對(duì)比了篩分法和激光粒度儀測(cè)量結(jié)果的差異性，研究了兩種方法粒度分布的相關(guān)性，并建立了基于經(jīng)驗(yàn)公式的粒度結(jié)果轉(zhuǎn)化方法，可為電廠煤粉細(xì)度的化驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析提供一定的參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用的實(shí)驗(yàn)材料為從某電廠四臺(tái)330 MW 機(jī)組不同磨煤機(jī)一次風(fēng)管道內(nèi)取得的24 份煤粉樣品，編號(hào)#1 ～#24，取樣方法依照《DL/T 467 -2004 電站磨煤機(jī)及制粉系統(tǒng)性能試驗(yàn)》。 煤粉樣品R90范圍為3.79% ～28.70%。 一般認(rèn)為煤粉顆粒的粒度分布服從Rosin-Rammler（RR）公式：

其中F（x）為顆粒粒徑累積分布，大于x的顆粒占比Rx=1 -F（x），n 為均勻性指數(shù)，xe為特征尺寸，與煤粉的粗細(xì)程度有關(guān)，F(xiàn)（xe） =0.632。 公式兩邊取對(duì)數(shù)可變換為：

令X=ln x，Y=ln{ -ln[1 -F（x）]}，b=-n ln xe，上式可寫為：

將實(shí)驗(yàn)得到的粒度分布數(shù)據(jù)代入上式即可根據(jù)線性擬合直線斜率和截距求得n 和xe。

1.2 篩分法

篩分法的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、成本低廉。 顆粒在振篩機(jī)的振動(dòng)下發(fā)生平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，在重力作用下以某種姿態(tài)通過(guò)篩孔，通過(guò)篩孔的顆粒粒徑被認(rèn)為小于篩孔尺寸，無(wú)法通過(guò)的則粒徑大于篩孔尺寸，將多個(gè)篩子自上而下、從大到小組合使用則可表征顆粒的粒徑分布。 實(shí)際上顆粒通過(guò)篩孔的數(shù)學(xué)模型是十分復(fù)雜的，可通過(guò)顆粒“三軸徑”即長(zhǎng)軸、中軸和短軸來(lái)簡(jiǎn)化篩分粒度與顆粒形狀的關(guān)系。 可以認(rèn)為，在理想條件下，長(zhǎng)軸與篩分結(jié)果無(wú)太大關(guān)聯(lián)，中軸和短軸影響較大。 篩分法對(duì)于小粒徑（如＜45 μm）的煤粉顆粒可靠性較低，主要原因是小顆粒間的團(tuán)聚效應(yīng)較強(qiáng)，容易成團(tuán)影響篩分的準(zhǔn)確性。

實(shí)驗(yàn)采用篩孔尺寸為75 μm、90 μm和200 μm的三種標(biāo)準(zhǔn)篩。 首先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行顯微拍照以驗(yàn)證篩孔尺寸大小以及形狀規(guī)則度，其中200 μm標(biāo)準(zhǔn)篩顯微圖像如圖1 所示，結(jié)果表明三種標(biāo)準(zhǔn)篩基本符合標(biāo)稱尺寸，且篩孔無(wú)明顯變形。 測(cè)試時(shí)為了避免樣品水分造成顆粒團(tuán)聚影響篩分效果，先用烘箱烘干煤樣，三種標(biāo)準(zhǔn)篩按照200 μm、90 μm、75 μm的順序從上至下排列，稱取適量煤樣置于200 μm篩上，開啟振篩機(jī)充分篩分后，分別稱量各篩上剩余煤粉質(zhì)量，計(jì)算得到R200、R90和R75結(jié)果。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)篩顯微圖像

1.3 光散射法

激光照射顆粒時(shí)會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象，散射參數(shù)與顆粒的粒徑密切相關(guān)，激光粒度儀根據(jù)這一現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)顆粒粒度分布測(cè)量。 一般可以近似認(rèn)為光散射法測(cè)量的是顆粒的等效體積直徑，但實(shí)際上不規(guī)則顆粒的散射參數(shù)和其等效球體的散射參數(shù)是有差異的，而且會(huì)因顆粒的空間狀態(tài)而具有一定的隨機(jī)性，使得粒度分布峰形展寬[15]。 因此，從篩分法和光散射法的原理來(lái)看，兩者測(cè)量煤粉顆粒結(jié)果注定會(huì)有較大的差異。 實(shí)驗(yàn)采用如圖2 所示的Bettersize3000Plus激光粒度儀測(cè)量煤粉粒度分布，該儀器基于Mie射理論，采用雙鏡頭斜入射光學(xué)系統(tǒng)擴(kuò)大探測(cè)角度，粒度測(cè)試范圍為0.01 ～3500 μm，采用超聲分散方式以避免煤粉顆粒的團(tuán)聚。

圖2 激光粒度儀

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)果對(duì)比

以#1 ～#4 樣品為例，將煤樣篩分得到的R75、R90和R200結(jié)果代入公式，線性回歸擬合得到的直線如圖3 所示，相關(guān)性系數(shù)均在0.96 以上，說(shuō)明篩分結(jié)果與RR分布模型吻合度較高。 根據(jù)直線斜率和截距可得n 和xe，進(jìn)而得到四個(gè)煤樣的粒度累積分布和頻度分布如圖4 所示。 其余樣品均按此方法處理。

圖3 RR分布擬合

圖4 粒度累積分布曲線

激光粒度儀可直接輸出煤樣的粒度分布，由于激光粒度儀的粒徑間隔與篩分法不一致，采用插值方法計(jì)算R75、R90和R200結(jié)果。 兩種方法的結(jié)果對(duì)比如圖5 所示，其中#1 ～#4 樣品的粒度分布對(duì)比如圖6 所示。 對(duì)于絕大多數(shù)樣品，激光粒度儀測(cè)量的R75、R90和R200參數(shù)均小于篩分法的測(cè)量結(jié)果，三個(gè)參數(shù)的平均絕對(duì)偏差分別為5.72%、3.50%和0.39%，且部分樣品激光粒度儀無(wú)法檢出200 μm以上的煤粉顆粒。 由#1 ～#4 樣品粒度分布曲線可以明顯看出在小粒徑（ ＜20 μm）范圍內(nèi)，激光粒度儀測(cè)量值均大于篩分結(jié)果。 其他樣品的對(duì)比結(jié)果均如此，因此，激光粒度儀會(huì)高估小顆粒的分量，造成整體測(cè)量結(jié)果偏細(xì)。 如果燃煤電廠直接基于激光粒度儀結(jié)果來(lái)調(diào)整煤粉細(xì)度，可能會(huì)造成實(shí)際煤粉細(xì)度偏粗從而增加飛灰含碳量、降低鍋爐效率。

圖5 兩種方法R200、R90 和R75 結(jié)果及相關(guān)性

圖6 篩分法與激光粒度儀測(cè)量的粒度分布對(duì)比

2.2 相關(guān)性分析

首先對(duì)篩分法和激光粒度儀測(cè)量的R200、R90和R75結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，如圖5 所示，R200的相關(guān)性系數(shù)非常小，僅有0.23，說(shuō)明在200 μm篩余量上兩種方法不具可比性。 R90和R75的相關(guān)性系數(shù)均在0.8 以上，相關(guān)性較強(qiáng)，可以根據(jù)線性規(guī)劃的擬合公式互相轉(zhuǎn)化。 進(jìn)一步對(duì)不同粒徑x下的篩余分量Rx進(jìn)行篩分法和激光粒度儀的相關(guān)性分析，相關(guān)性系數(shù)與粒徑的關(guān)系如圖7 所示，隨著粒徑的增大相關(guān)性系數(shù)呈現(xiàn)先增大（0 ～56 μm）后減小（56 ～245 μm）再增大（ ＞245 μm）的趨勢(shì)。粒徑過(guò)小或過(guò)大的區(qū)域內(nèi)，相關(guān)性均較小，相關(guān)性系數(shù)大于0.8 時(shí)為強(qiáng)相關(guān)，則在粒徑為25 ～96 μm范圍內(nèi)可以認(rèn)為篩分法和激光粒度儀的Rx結(jié)果是線性相關(guān)的。 即可用如下經(jīng)驗(yàn)公式描述兩者關(guān)系：

圖7 不同粒徑下篩分法與激光粒度儀的相關(guān)性

其中i為所選取的數(shù)據(jù)集粒徑范圍起點(diǎn)，i+N為粒徑范圍終點(diǎn)。

圖8 25 ～96 μm粒徑范圍內(nèi)k與m與粒徑的關(guān)系

2.3 粒度分布轉(zhuǎn)化

篩分法和激光粒度儀測(cè)量結(jié)果的相關(guān)性分析已表明，在25 ～96 μm優(yōu)選粒徑范圍內(nèi)兩種方法得到的Rx結(jié)果具有較強(qiáng)的線性相關(guān)性，因此可以通過(guò)公式描述的轉(zhuǎn)化矩陣對(duì)激光粒度儀得到的Rx結(jié)果進(jìn)行校正，再根據(jù)公式對(duì)校正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合求取均勻性指數(shù)和特征尺寸，進(jìn)而可得到全粒徑分布范圍內(nèi)的粒度分布結(jié)果以及R200、R90和R75參數(shù)。

圖9 展示了#1、#2、#3 和#4 四個(gè)煤樣的篩分法粒度分布、激光粒度儀粒度分布以及激光粒度儀校正后的粒度分布，可以看出校正后的粒度分布與篩分法結(jié)果更為吻合，特別是#2 和#3 樣品的分布曲線基本重合。 對(duì)于#1 和#4 樣品，激光粒度儀高估細(xì)顆粒分量的問(wèn)題得到改善，峰值粒徑與篩分法更為接近。 圖10 為激光粒度儀結(jié)果校正前后相對(duì)于篩分法的R90偏差對(duì)比，校正后大多數(shù)樣品的R90偏差明顯減小，R90最大偏差由8.91%降至5.87%。 校正后的的R75、R90和R200參數(shù)平均絕對(duì)偏差分別為3.19%、2.25%和0.30%。 無(wú)論校正前后，R200參數(shù)均與篩分法差別較大，說(shuō)明激光粒度儀得到的煤粉細(xì)度R200結(jié)果可能是極不可靠的。

圖9 篩分法與激光粒度儀粒度分布校正前后的對(duì)比

圖10 激光粒度儀校正前后相對(duì)于篩分法的R90 偏差

3 結(jié) 論

針對(duì)燃煤電廠微米級(jí)煤粉顆粒粒度的測(cè)量表征，以從電廠一次風(fēng)管取得的24 個(gè)煤粉樣品為對(duì)象，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的篩分法和激光粒度儀兩種技術(shù)測(cè)量煤粉粒度進(jìn)行了結(jié)果對(duì)比、相關(guān)性分析以及結(jié)果轉(zhuǎn)化的研究。 主要結(jié)論如下：

（1）激光粒度儀會(huì)高估小粒徑煤粉的占比，造成測(cè)量的煤粉細(xì)度結(jié)果相比于篩分結(jié)果明顯偏小，R75、R90和R200參數(shù)均小于篩分法的測(cè)量結(jié)果，平均絕對(duì)偏差分別為5.72%、3.50%和0.39%。

（2）在粒徑為25 μm至96 μm優(yōu)選范圍內(nèi)，激光粒度儀和篩分法的粒度分布結(jié)果具有較強(qiáng)的線性相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)大于0.8，據(jù)此建立了兩種方法測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)化的經(jīng)驗(yàn)公式。

（3）基于經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)激光粒度儀結(jié)果進(jìn)行了校正，校正后的的R75、R90和R200參數(shù)平均絕對(duì)偏差分別為3.19%、2.25%和0.30%，R90最大偏差由8.91%降至5.87%。