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1、(10)申请公布号 CN 102426160 A (43)申请公布日 2012.04.25 CN 102426160 A *CN102426160A* (21)申请号 201110255126.X (22)申请日 2011.08.31 G01N 21/63(2006.01) G01N 1/10(2006.01) G01N 1/28(2006.01) (71)申请人 华南理工大学 地址 510640 广东省广州市天河区五山路 381 号 申请人 广东电网公司电力科学研究院 (72)发明人 陆继东 董美蓉 陈世和 姚顺春 潘凤萍 李军 李俊彦 张曦 钟子铭 卢伟业 (74)专利代理机构 广州粤高专。
2、利商标代理有限 公司 44102 代理人 何淑珍 江裕强 (54) 发明名称 基于激光诱导煤质特性在线气固两相检测方 法及装置 (57) 摘要 本发明提供基于激光诱导煤质特性在线气固 两相检测方法及装置， 装置包括取样管、 煤粉输送 管、 旋风分离器、 煤粉下落管、 测量室和光谱检测 系统， 检测方法通过取样管在磨煤机出口与燃烧 器入口之间风粉管道上的合适位置进行煤粉的连 续取样， 在压缩空气的作用下， 实现煤粉的取样 测量回送的循环过程。采用该测量方法的测量 系统只需将取出的气固两相煤粉颗粒流经旋风分 离器进行简单的气固分离后即可进行激光检测， 无需制样， 采用气体输送方式， 无机械传动装置。
3、， 有利于整个装置在现场环境中的长期可靠运行， 真正实现煤质特性的在线检测。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 CN 102426167 A1/1 页 2 1. 基于激光诱导煤质特性在线气固两相检测装置， 其特征在于包括取样管 （3） 、 煤粉 输送管 （7） 、 旋风分离器 （8） 、 煤粉下落管 （9） 、 测量室 （10） 和光谱检测系统， 取样管 （3） 一 端穿入磨煤机出口与燃烧器入口之间的风粉管道 （1） 上的一个开孔中， 取样管 （3） 另一端 与煤粉输送管 （7） 的两个分支相连。
4、， 煤粉输送管 （7） 的一个分支与旋风分离器 （8） 的入口连 接， 煤粉输送管 （7） 的另一分支与压缩空气箱 （4） 相连， 旋风分离器 （8） 的下料口与煤粉下 落管 （9） 的一端连接， 煤粉下落管 （9） 的另一端与测量室 （10） 入口连接， 测量室出口 （11） 与 煤粉回送管 （13） 的两个分支相连， 煤粉回送管 （13） 的其中一个分支与风粉管道 （1） 连接， 另一分支与压缩空气箱 （4） 相连 ； 测量室 （10） 设有用于通过气固两相煤粉颗粒流测量煤质 特性的所述光谱检测系统。 2. 根据权利要求 1 所述基于激光诱导煤质特性在线气固两相检测装置， 其特征在于所 述。
5、光谱检测系统包括激光诱导击穿光谱仪。 3. 根据权利要求 1 所述基于激光诱导煤质特性在线气固两相检测装置， 其特征在于所 述光谱检测系统包括激光器 （17） 、 光纤探头 （20） 、 光纤 （21） 、 光谱仪 （22） 、 计算机 （23） 、 用 于将激光聚焦在测量室 （10） 中的气固两相煤粉颗粒流的聚焦透镜 （18） 和用于收集煤粉颗 粒流激发的原子光谱信号的收光镜组 （19） ， 所述聚焦透镜 （18） 和收光镜组 （19） 安装于测 量室 （10） 中， 激光器 （17） 与计算机相连， 收光镜组 （19） 收集的信号经光纤探头 （20） 耦合， 光纤探头 （20） 通过光纤 。
6、（21） 与光谱仪 （22） 连接， 光谱仪 （22） 与计算机 （23） 连接。 4. 根据权利要求 1 所述基于激光诱导煤质特性在线气固两相检测装置， 其特征在于煤 粉回送管 （13） 中与压缩空气箱 （4） 连接的分支上设有用于调整压缩空气的工作压力大小 的调节阀， 煤粉输送管 （7） 中与压缩空气箱 （4） 连接的分支上也设有用于调整压缩空气的 工作压力大小的调节阀。 5. 根据权利要求 1 所述基于激光诱导煤质特性在线气固两相检测装置， 其特征在于煤 粉下落管采用缩口管， 缩口端位于测量室中。 6. 基于激光诱导煤质特性在线气固两相检测方法， 其特征在于， 利用压缩空气箱 （4） 提。
7、供的压缩空气在取样管 （3） 与煤粉输送管的连接处形成负压， 实现风粉管道 （1） 中煤粉 流的连续采集 ； 取出的煤粉流经过旋风分离器 （8） 进行气固分离后， 气固两相煤粉流经煤 粉下落管 （9） 输送到测量室 （10） 中， 再利用激光诱导击穿光谱技术对气固两相煤粉颗粒流 的进行直接测量。 7. 根据权利要求 6 所述基于激光诱导煤质特性在线气固两相检测方法， 其特征在于， 在测量室 （10） 中， 激光器 （17） 发出的脉冲激光经固定在测量室中的聚焦透镜 （18） 后与煤 粉下落管 （9） 出口处的煤粉颗粒流作用， 形成等离子体并发光， 由安装在测量室中的收光 镜组 （19） 对被激。
8、发的原子光谱信号进行收集， 将收集的信号与光纤探头 （20） 耦合， 经光纤 （21） 传输到光谱仪 （22） 中实现光谱数据的采集， 将采集的数据传输到计算机 （23） 进行分 析、 处理和显示。 8. 根据权利要求 6 所述基于激光诱导煤质特性在线气固两相检测方法， 其特征在于利 用压缩空气箱 （4） 提供的压缩空气在测量室出口 （11） 与煤粉回送管 （13） 的连接处 （12） 形 成负压， 实现在压缩空气的作用下， 将检测完的煤粉送回到风管管道 （1） 中。 权 利 要 求 书 CN 102426160 A CN 102426167 A1/4 页 3 基于激光诱导煤质特性在线气固两相。
9、检测方法及装置 技术领域 0001 本发明涉及激光诊断和测量技术领域， 具体涉及基于激光诱导煤质特性在线检测 的气固两相检测方法与装置。 背景技术 0002 随着工业的不断发展， 煤炭能源已日趋紧张， 致使对煤炭的质量成分及燃烧效率 的要求越来越高。 传统的方法是对原煤采样后进行离线分析， 从采样、 制样到检验结果的报 出一般需要几个小时， 检测结果严重滞后于锅炉燃烧。这不仅在一定程度上造成了能源的 浪费， 不利于机组的实时控制和优化运行， 因此采用先进、 快速的分析手段已经成为当务之 急， 特别是研发出有效的煤质实时监测系统， 使检测结果直接反馈到锅炉燃烧的运行控制 中心， 指导锅炉燃烧优化。
10、运行。根据煤质变化， 及时调整锅炉燃烧过程， 实现燃煤锅炉的高 效低污染运行， 这对于提高能源利用效率和降低燃煤污染及提高电网稳定性具有十分重要 的意义。 0003 近些年来， 随着技术的发展陆续出现了一些煤质在线分析仪， 目前市场上相对成 熟的煤质快速分析装置主要是基于 X 射线荧光光谱分析技术的煤质分析仪和基于 射线 技术和中子活化分析技术 （PGNAA） 的煤质分析仪。X 射线荧光光谱分析技术测量周期较长， 分析精度较差， 一般只能分析原子量大于 23 的元素， 而且受煤种的影响大， 在运行期间需 要经常校正。中子瞬发 射线活化分析技术中 射线对人体存在很大的安全隐患， 双能 射线投射法。
11、测量精度受重成灰矿物 （如铁） 含量波动的影响较大， 误差较大。这类设备的 技术复杂， 投资大， 且不易标定。 0004 激光诱导击穿光谱 （Laser-Induced Breakdown Spectroscopy， LIBS） 技术采用脉 冲激光作为发射光谱分析的诱发工具， 凭借无需或简单的样品预处理、 对样品微损和多元 素同步快速检测等优势， 已逐步发展成为一种潜在的工业过程在线检测技术， 被尝试应用 于各种工业过程的质量控制或状态诊断。在煤粉的在线检测中， 对入炉煤的在线检测更能 有效的反应炉膛煤质特性， 用于指导锅炉燃烧。 从磨煤机出口到炉膛， 煤粉是通过一次风将 煤粉送入炉膛内燃烧，。
12、 风粉管道内是风和煤粉的混合物气固两相， 我们要实现的是对 气固两相中的固相物质检测， 而 LIBS 对于这种气固两相状态下的固相物质进行检测时， 往 往是是利用载体进行附着或者对取出的固体样品进行堆积， 利用刮板将其刮平然后再进行 检测， 需要机械传动及附属装置， 这在一定程度上增加了检测设备的复杂性， 不利于在线分 析装置在现场长期运行的可靠性， 而且存在一定的延迟， 不适合工业在线应用的要求。 发明内容 0005 本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足， 提供基于激光诱导煤质特性在 线气固两相检测方法及装置。本发明对气固两相煤粉颗粒流进行检测， 通过激光直接与下 落的煤粉颗粒的相互作。
13、用， 实现入炉煤煤质特性的在线检测。在磨煤机出口与燃烧器入口 之间的风粉管道上的合适位置开孔， 利用压缩空气在取样管与煤粉输送管的连接处形成一 说 明 书 CN 102426160 A CN 102426167 A2/4 页 4 定的负压， 将风粉管道中的煤粉流引出， 实现风粉管道中煤粉的连续获取， 然后利用旋风分 离器将取出的煤粉流进行简单的气固分离， 分离后的煤粉流经煤粉下落管输送到测量室， 利用激光直接对下落的气固两相煤粉颗粒流进行检测。所采用的检测方法， 没有机械传动 装置， 用于保障分析装置长期现场运行的可靠性， 解决了入炉煤在线检测测量方法与装置 复杂的问题， 能实现对入炉煤的实时。
14、、 连续、 快速分析， 将分析结果显示， 提供给相关的控制 系统。本发明的具体技术方案如下。 0006 基于激光诱导煤质特性在线气固两相检测装置， 包括取样管、 煤粉输送管、 旋风分 离器、 煤粉下落管、 测量室和光谱检测系统， 取样管一端穿入磨煤机出口与燃烧器入口之间 的风粉管道上的一个开孔中， 取样管另一端与煤粉输送管的两个分支相连， 煤粉输送管的 一个分支与旋风分离器的入口连接， 煤粉输送管的另一分支与压缩空气箱相连， 旋风分离 器的下料口与煤粉下落管的一端连接， 煤粉下落管的另一端与测量室入口连接， 测量室出 口与煤粉回送管的两个分支相连， 煤粉回送管的其中一个分支与风粉管道连接， 另。
15、一分支 与压缩空气箱相连 ； 测量室设有用于通过气固两相煤粉颗粒流测量煤质特性的所述光谱检 测系统。 0007 上述基于激光诱导煤质特性在线气固两相检测装置中， 所述光谱检测系统包括激 光诱导击穿光谱仪。 0008 上述基于激光诱导煤质特性在线气固两相检测装置中， 所述光谱检测系统包括激 光器、 光纤探头、 光纤、 光谱仪、 计算机、 用于将激光聚焦在测量室中的气固两相煤粉颗粒流 的聚焦透镜和用于收集煤粉颗粒流激发的原子光谱信号的收光镜组， 所述聚焦透镜和收光 镜组安装于测量室中， 激光器与计算机相连， 收光镜组收集的信号经光纤探头耦合， 光纤探 头通过光纤与光谱仪连接， 光谱仪与计算机连接。。
16、 0009 上述基于激光诱导煤质特性在线气固两相检测装置中， 煤粉回送管中与压缩空气 箱连接的分支上设有用于调整压缩空气的工作压力大小的调节阀， 煤粉输送管中与压缩空 气箱连接的分支上也设有用于调整压缩空气的工作压力大小的调节阀。 0010 上述基于激光诱导煤质特性在线气固两相检测装置中， 煤粉下落管采用缩口管， 缩口端位于测量室中。 0011 上述基于激光诱导煤质特性在线气固两相检测装置中， 利用压缩空气箱提供的压 缩空气在取样管与煤粉输送管的连接处形成负压， 实现风粉管道中煤粉流的连续采集 ； 取 出的煤粉流经过旋风分离器进行气固分离后， 气固两相煤粉流经煤粉下落管输送到测量室 中， 再利。
17、用激光诱导击穿光谱技术对气固两相煤粉颗粒流的进行直接测量。 0012 上述基于激光诱导煤质特性在线气固两相检测装置中， 在测量室中， 激光器发出 的脉冲激光经固定在测量室中的聚焦透镜后与煤粉下落管出口处的煤粉颗粒流作用， 形成 等离子体并发光， 由安装在测量室中的收光镜组对被激发的原子光谱信号进行收集， 将收 集的信号与光纤探头耦合， 经光纤传输到光谱仪中实现光谱数据的采集， 将采集的数据传 输到计算机进行分析、 处理和显示。 0013 上述基于激光诱导煤质特性在线气固两相检测装置中， 利用压缩空气箱提供的压 缩空气在测量室出口与煤粉回送管的连接处形成负压， 实现在压缩空气的作用下， 将检测 。
18、完的煤粉送回到风管管道中。 0014 本发明给出了一种全新的利用激光诱导击穿光谱技术实现入炉煤煤质特性在线 说 明 书 CN 102426160 A CN 102426167 A3/4 页 5 检测所采用的测量方法与装置， 该测量方法的实现主要是基于空气动力学原理， 通过压缩 空气箱提供的压缩空气分别在煤粉输送管与取样管的连接处， 及测量室出口与煤粉回送管 相连的出口处形成一定的负压， 保证风粉管道中煤粉流的连续获取和回送。取出的煤粉流 经旋风分离器进行简单的气固分离器后， 经煤粉下落管输送至测量室， 利用激光直接与下 落的气固两相煤粉颗粒流作用， 实现入炉煤煤质特性的在线检测。在煤粉下落管的。
19、一端采 用缩口管， 提高单位体积的煤粉颗粒浓度， 提高激光与煤粉颗粒的作用率， 增强光谱信号的 强度。 采用本发明提出的测量方法与装置， 只需利用压缩空气箱提供的压缩空气形成负压， 实现风粉管道中煤粉的连续获取和回送， 取出的煤粉流经简单的气固分离即可用于检测， 无需对煤粉进行制样， 测量方便， 整个测量方法所涉及到的装置无机械传动装置， 系统结构 简单， 维护量小， 有利于现场环境长时间可靠运行。 0015 与现有技术相比， 本发明的优点及效果如下 ： 1. 整个测量系统的煤粉取样和回送只需利用压缩空气箱提供的压缩空气即可实现， 系统结构简单， 无机械传动装置， 提高现场长时间运行的可靠性 。
20、； 2. 取出的煤粉流只需经过旋风分离器进行简单的气固分离即可用于激光检测， 无制样 等复杂过程， 不存在延迟， 能够实现入炉煤的真正在线检测。 0016 3. 通过减小煤粉下落管的出口管径， 即可实现煤粉颗粒浓缩的目的， 提高激光与 煤粉颗粒的作用率， 增强光谱强度。 附图说明 0017 图 1 是实施方式中的基于激光诱导煤质特性在线气固两相检测装置的示意图。 具体实施方式 0018 以下结合附图对本发明的具体实施做进一步说明， 但本发明的实施和保护范围不 限于此。 0019 如图 1 所示， 本发明的取样部分安装在燃煤电厂磨煤机出口与燃烧器入口处之间 的风粉管道的合适位置， 见图 1 中的。
21、 2 指示处。取样管 3 通过取样孔 2 与风粉管道 1 相连。 利用从压缩空气箱 4 引出的压缩空气， 在取样管 3 与煤粉输送管 7 的连接处 6 形成一定的 负压， 实现风粉管道 1 中煤粉的连续取样。取出的煤粉流， 在压缩空气的作用下， 经煤粉输 送管7， 输送到旋风分离器8中， 进行气固分离， 分离后得到的煤粉经煤粉下落管9落入至测 量室 10 中， 用于激光检测。煤粉输送管 7 的一端分别与取样管 3 和压缩空气箱 4 相连， 另 一端与旋风分离器 8 的入口相连。旋风分离器 8 的废气排出管 16 经废气回送孔 15 与风粉 管道 1 相连。利用废气出口本身的压力将旋风分离器 8。
22、 排出的废气回送至风粉管道 1 中。 旋风分离器 8 的下料口与煤粉下落管 9 的一端相连。煤粉下落管 9 的另一端与测量室 10 的一端相连， 测量室出口 11 与煤粉回送管 13 相连， 煤粉回送管 13 的一端还与压缩空气箱 4 相连。利用压缩空气箱 4 提供的压缩空气在测量室出口 11 与煤粉回送管 13 的连接处 12 形成一定的负压， 实现在压缩空气的作用下， 将检测完的煤粉送回到风管管道 1 中。煤粉回 送管 13 的另一端通过煤粉回送孔 14 与风粉管道 1 相连。压缩空气箱 4 分别与煤粉输送管 7 和煤粉回送管 13 相连， 在连接处设置调节阀 5， 用于调整压缩空气的工作。
23、压力大小， 从而 适应不同的煤粉取样量和回送量。在测量室 10 中， 激光器 17 发出的脉冲激光经固定在测 说 明 书 CN 102426160 A CN 102426167 A4/4 页 6 量室中的聚焦透镜 18 后与煤粉下落管 9 出口处的煤粉颗粒流作用， 形成等离子体， 使其发 光， 由安装在测量室中的收光镜组 19 （由两个透镜构成， 中心位置与聚焦透镜中心成一定的 角度） 对被激发的原子光谱信号进行收集， 将收集的信号与光纤探头 20 耦合， 经光纤 21 传 输到光谱仪 22 中实现光谱数据的采集， 将采集的数据传输到计算机 23 上进行进一步的分 析、 处理、 显示等 （采集。
24、的数据经分析处理后得到煤质特性的各个指标） 。利用压缩空气箱提 供的压缩空气在测量室出口与煤粉回送管的连接处， 形成一定的负压， 实现将检测完的煤 粉经煤粉回送管回送到风粉管道中， 煤粉回送管的另一端通过回送孔与风粉管道的相连， 从而完成煤粉的取样测量回送的循环过程。 0020 所采用的整个测量方法与装置， 仅仅是利用压缩空气箱 4 提供的压缩空气即可实 现风粉管道 1 中煤粉流的连续获取和检测完煤粉的回送。通过旋风分离器 8 对取出的煤粉 流进行简单的气固两相分离， 即可实现煤粉颗粒的检测。 整个系统均是采用气力传输方式， 除了必要的输送管及调节阀之外， 无机械传动装置， 有利于现场长时间的可靠稳定运行。 说 明 书 CN 102426160 A CN 102426167 A1/1 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 102426160 A 。