基于热失重曲线的煤质快速检测方法

1.本发明属于煤质检测领域，具体涉及基于热失重曲线的煤质快速检测方法。


背景技术：

2.煤质的检测方法一般有化学方法和物理方法两种。目前燃煤发电厂对煤质的检测通常采用化学方法，对所需要的煤质进行分析，在过去很长一段时间里需要经过实验室的采样、制样、化验等步骤具体完成，需要较长时间才能获得煤质信息，因此，也就不能实时分析锅炉的热效率。
3.目前存在利用热失重解析煤质的燃烧特性的方法，比如传统的工业分析法、热重分析仪，就是加热、燃烧、热解使得煤质失重，分析这部分失重数据得到煤质的某一成分参数；但现有技术中，工业分析法需要采用到马弗炉、烘箱、分析天平、干燥器等一系列仪器，实验过程繁琐，每一次为了获得成分参数都需要反复取样称重和实验之后的称重以及计算；而热重分析仪虽说可以实现多个成分参数一体式测量，但这些成分参数的加热条件不同，例如，水分、灰分、挥发分往往需要分开在不同加热条件下单独测量获取数据，测量效率低。
4.另外，现有技术中有采用拉曼、光致发光这类光谱技术来进行煤质检测的，但光谱受限因数多，且对于环境、样品要求明显比热失重高，被测体系易受到外界的污染，对分析结果产生较大的影响，且光谱方法的仪器也较为昂贵。


技术实现要素：

5.本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供基于热失重曲线的煤质快速检测方法，能够简单、快速地基于一次预定工况条件下的热失重谱图数据获得水分、挥发分、灰分、固定碳这些煤质成分，且特别适用于超高升温速率下(热失重升温速率达到800℃/min以上)高效、准确获取煤质信息。
6.本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
7.本发明提供一种基于热失重曲线的煤质快速检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
8.步骤1：建立热失重-煤质数据库；
9.步骤1-1、选取多种不同煤质成分的标准煤，对于每种标准煤，都进行如下处理：
10.步骤1-1a、将其粉体作为煤样进行热失重实验，获取热失重曲线；
11.步骤1-1b、从热失重曲线获得相应煤样的热失重特征参数，具体为：
12.(1)对热失重曲线作一阶微分处理，然后进行两次平滑处理，得到一阶微分曲线；
13.(2)对一阶微分曲线再进行一阶微分处理，得到二阶微分曲线；
14.(3)基于二阶微分曲线确定划分各特征峰和特征区域的分界线，基于分界线对一阶微分曲线划分特征峰和特征区域，然后进行面积计算，将一阶微分曲线的这些特征峰和特征区域的面积作为热失重特征参数；
15.步骤1-2、根据步骤1-1获得的不同煤质成分标准煤的热失重特征参数，计算热失重特征参数与煤质成分的映射关系，构建热失重-煤质数据库；煤质成分至少包括：水分、挥发分、灰分、固定碳；
16.步骤2：将未知煤质成分的待测煤样按照步骤1-1a和步骤1-1b的方式进行热失重实验并获得待测煤样的热失重曲线和热失重特征参数；
17.步骤3：根据待测煤样的热失重特征参数和热失重-煤质数据库中对应的映射关系，计算得到待测煤样的煤质成分。
18.优选地，本发明所提供的基于热失重曲线的煤质快速检测方法还可以具有这样的特征：在步骤1-1a中，是将煤样在1000℃～6000℃/min升温速率下进行热失重实验，获取热失重曲线。
19.优选地，本发明所提供的基于热失重曲线的煤质快速检测方法还可以具有这样的特征：在步骤1-1b(1)中，两次平滑处理的窗口点数均在65～70之间。
20.优选地，本发明所提供的基于热失重曲线的煤质快速检测方法还可以具有这样的特征：在步骤1-1b(3)中，从二阶微分曲线纵轴的0值参照线与二阶微分曲线的交点中取a1、b1、c1三点，根据这三点的横坐标值t分别从一阶微分曲线上获取对应三点a2、b2、c2作为分界点，三个分界点的横坐标值依次作为a特征峰、b特征峰与c特征区域的三条分界线l1～3，再取一阶微分曲线纵轴的0值参照线与一阶微分曲线末尾交点d的纵坐标作为第四条分界线l4，l3与l4围成c区域；对a特征峰、b特征峰、整个a、b、c形成的总区域进行峰面积积分；以a峰、b峰的绝对峰面积值作为热失重特征参数x1和x2，热失重特征参数x3＝100-总区域绝对峰面积值。
21.优选地，本发明所提供的基于热失重曲线的煤质快速检测方法还可以具有这样的特征：在热失重-煤质数据库中，热失重特征参数与煤质成分的映射关系为：
22.水分mad＝1.66746*x
1-0.11167*x
12
0.01137*x
13-3.81e-4
*x
14
；e-4
表示10-4
，后文同理；
23.挥发分vad＝0.52266*x2 0.07022*x
22-0.00297*x
23-4.04e-5
*x
24
；
24.灰分aad＝0.69668*x
3-3.38e-6
*x
32
4.10e-4
*x
33-6.24e-6
*x
34
；
25.固定碳fcad＝100-mad-aad-vad。
26.优选地，本发明所提供的基于热失重曲线的煤质快速检测方法还可以具有这样的特征：在步骤1-1b(3)中，是根据一阶微分曲线上前两个主要特征峰a和b的大致位置，从二阶微分曲线纵轴的0值参照线与二阶微分曲线的交点中取a1、b1、c1三点；a峰大致在t＝2～25s范围内，b峰在t＝25～70s的范围内，余下范围基本为c区域。
27.优选地，本发明所提供的基于热失重曲线的煤质快速检测方法还可以具有这样的特征：在步骤1-1b(1)中，两次平滑处理的窗口点数均在100～120之间。
28.优选地，本发明所提供的基于热失重曲线的煤质快速检测方法还可以具有这样的特征：在步骤1-1b(3)中，从二阶微分曲线纵轴的0值参照线与二阶微分曲线的交点中大致选取a1、b1、c1、d1、e1、f1六个点，选取的六个点应满足约束条件：a1在t＝2～25s范围内，b1在t＝25～70s范围内，c1在t＝70～105s范围内，d1范围t＝105～140，e1范围t＝140～170，f1范围t＝170～200，且各点间距尽量保持在t＝25～35s之间；并且，在拟合控制中，迭代前，先不对c1～f1点位置做固定，迭代至收敛，若拟合度r2》0.98，且依旧满足约束条件则完
成拟合，若不满足，则在约束条件内对作调整，直至拟合度r2》0.98，且依旧满足约束条，从而确定a1、b1、c1、d1、e1、f1六个点的坐标；根据这六个点的横坐标值分别从一阶微分曲线上获取对应的六个a2、b2、c2、d2、e2、f2作为特征峰a～f的中心点，并根据此确定各特征峰的分界，拟合得到各特征峰；然后，将a特征峰的面积ia、b特征峰的面积ib以及(100-a～f总峰面积s)依次作为热失重特征参数x1、x2、x3。
29.优选地，本发明所提供的基于热失重曲线的煤质快速检测方法还可以具有这样的特征：在热失重-煤质数据库中，热失重特征参数与煤质成分的映射关系为：
30.水分mad＝2.09922*x
1-0.05641x
12
4.88989e-4*x
13-0.0643；
31.挥发分vad＝1.48033*x
2-0.02023*x
22
1.38228e-4
*x
23
；
32.灰分aad＝0.73469*x3 0.003*x
32
6.84111e-5
*x
33
；
33.固定碳fcad＝100-mad-aad-vad。
34.进一步，本发明还提供另一种基于热失重曲线的煤质快速检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
35.步骤i：对待测煤样在高升温速率条件下进行热失重实验，获取热失重曲线；
36.步骤ii：从热失重曲线获得相应煤样的热失重特征参数，具体为：
37.(1)对热失重曲线作一阶微分处理，然后进行两次平滑处理，得到一阶微分曲线；
38.(2)对一阶微分曲线再进行一阶微分处理，得到二阶微分曲线；
39.(3)基于二阶微分曲线确定划分各特征峰和特征区域的分界线，基于分界线对一阶微分曲线划分特征峰和特征区域，然后进行面积计算，将一阶微分曲线的这些特征峰和特征区域的面积作为热失重特征参数；
40.步骤iii：根据待测煤样的热失重特征参数从已建立好的热失重-煤质数据库中获取对应的映射关系，再根据热失重特征参数和映射关系计算得到待测煤样的煤质成分。
41.另外，在本发明所提供的基于热失重曲线的煤质快速检测方法中：标准煤均为原矿煤，数据库建立过程中，标准煤煤质成分参照gb/t212-2008进行工业分析获得，并对不同的标准煤采用同一基准，基准皆为空干基。
42.发明的作用与效果
43.本发明所提供的基于热失重曲线的煤质快速检测方法，首先根据不同煤质成分的标准煤热的热失重曲线获取热失重特征参数，计算热失重特征参数与煤质成分的映射关系，构建失重-煤质关联数据库；然后，对待测煤样进行热失重实验，得到待测煤样的热失重曲线，从热失重曲线中获取待测煤样热失重特征参数，再与热失重-煤质关联数据库进行匹配获取映射关系，根据映射关系计算得到待测煤样的水分、挥发分、灰分、固定碳，实现煤质成分的快速准确测量。本发明检测方法操作简单、成本低、省时省力，通过一次热失重实验的热失重曲线就能够同时得到待测煤样的水分、挥发分、灰分、固定碳这些煤质成分，且对检测环境、样品要求低，不易受到外界的污染，而且本发明检测方法适用范围广，可以很好的适应电厂、采矿等生产过程中各种煤样的复杂性。
44.特别是，对于超高升温速率下获取的热失重曲线，例如，升温速率为1000～6000℃/min，通过本发明检测方法也可以准确获取煤质参数，不仅大幅提升了用于煤质分析检测的升温速率上限，而且极大地缩短了检测时长，同时也有利于实时分析锅炉热效率，非常适用于大批量煤样的快速检测。
附图说明
45.图1是本发明实施例一涉及的部分标准煤的失重曲线图；
46.图2是本发明实施例一涉及的一阶、二阶微分曲线图及特征峰、特征区域划分图，图中上方曲线为二阶微分曲线，下方曲线为一阶微分曲线；
47.图3是本发明实施例一涉及的热失重特征参数x3与煤样灰分的映射关系图；
48.图4是本发明实施例二涉及的一阶、二阶微分曲线图及特征峰、特征区域划分图，图中上方曲线为二阶微分曲线，下方曲线为一阶微分曲线；
49.图5是本发明实施例二涉及的标准煤的分峰拟合图；
50.图6是本发明实施例二涉及的热失重特征参数x1与煤样水分的映射关系图。
具体实施方式
51.下面参照附图对本发明所涉及的基于光致发光光谱全面解析的煤质快速检测的原理和方法作详细阐述。
52.光热快速升温技术是一种基于聚光辐照加热实现快速升温的技术，而光热快速升温热重实验就是利用光热快速升温技术对样品进行热重实验，获得基于聚光辐照加热的该样品的热失重曲线。以下实施例中，均是通过光热快速升温技术在超高升温速率下获取的热失重曲线。采用的光热快速升温技术可以为“cn113867445a-一种基于聚光加热的快速升温系统及热重分析法”所描述的升温系统。
53.需要说明的是，本发明不限于光热，也可采用其他加热方式进行快速升温获取热失重曲线。
54.煤的工业分析成分(煤质成分)主要包括水分(m)、挥发分(v)、固定碳(fc)、灰分(a)等。煤的水分是称取一定量的一般分析试验煤样，置于(105～110)度干燥箱中，在干燥氮气流中干燥到质量恒定，然后根据煤样的质量损失计算出水分的质量分数；煤的挥发分则是煤样在规定条件下隔绝空气加热，并进行水分校正后的质量损失；煤的灰分是煤样在一定条件下完全燃烧后所得的残留物，灰分不是煤中的固有物质，是矿物质完全燃烧后的残留物质；挥发分fcad＝100％-(mad vad aad)，ad表示空气干燥基。
55.本发明研究发现，在煤样的热失重实验过程中，煤样各成分的失重速率存在明显的差别，并具体反映到失重曲线的特征上，因此提出通过解析失重曲线，获得热失重特征参数，建立热失重特征参数与各成分的映射关系。
56.以下通过具体的实施例来对采用本发明技术方案进行煤质快速检测的方法进行详细说明。
57.《实施例一》
58.本实施例所提供的基于热失重曲线的煤质快速检测方法，包括如下步骤：
59.1)建立聚光辐照快速升温下光热-煤质数据库：选取不同煤阶、不同灰分的多种煤样，将标准煤磨制成粉粒作为煤样，分别对煤样进行光热快速升温热重实验。
60.本实施例的数据库建立过程中选择的标准煤为非混煤，且涵盖了不同煤阶不同灰含量的多种煤。优先选择未经混合的原矿煤，并尽可能多的选择煤种以保证数据库的全面性及广泛的适用性。数据库建立过程中，标准煤煤质成分参照gb/t212-2008进行工业分析获得，并对不同的标准煤采用同一基准，基准皆为空干基。
61.1a)通过光热快速升温热失重实验得到的热失重曲线需进行预处理，预处理包括去空白基线处理，即在正式实验之前需进行与正式实验相同方式与基准的空白热重实验，获得空白基线。高温气氛环境中气体的膨胀会对物品产生一定的浮力，导致物品失重，故正式实验前先做空白实验。
62.1b)热失重曲线的数据分析，包括微分平滑处理和峰值分析，微分平滑处理的具体步骤如下：
63.对热失重曲线作一阶微分处理，获得的微分曲线需再做平滑处理，平滑处理的窗口点数在65～70之间，过大会导致微分曲线在平滑的过程中失真而使得相关特征参数发生改变，过小会导致微分曲线特征不明显而使得特征参数的选取难以进行。由于一次平滑处理后的微分谱图依旧毛刺较多，再在一次平滑曲线上作二次平滑处理，平滑处理的窗口点数也在65～70之间，此时的微分曲线基本剔除毛刺，得到一阶微分曲线，然后再对一阶微分曲线作一阶微分处理，得到二阶微分曲线，无需进行平滑处理。
64.1c)峰值分析主要是对一阶微分曲线的特征峰进行峰面积计算，从图3可以明显看出a特征峰与b特征峰及余下部分，这里称为c特征区域，各特征峰和特征区域的获取步骤如下：
65.绘制步骤1b)中二阶微分曲线纵轴的0值参照线，与二阶微分曲线的交点中取a1、b1、c1三点，取上述三点的横坐标值分别对应一阶微分曲线a2、b2、c2，以此3点的横坐标值作为a特征峰、b特征峰与c特征区域的交界线，再取一阶微分曲线纵轴的0值参照线与一阶微分曲线末尾交于d点，c、d点横坐标值围成的区域为c区域；
66.分别对a特征峰、b特征峰和整个a、b、c所形成总区域进行峰面积积分，以a特征峰、b特征峰的绝对峰面积值作为热失重特征参数x1、x2，再计算热失重特征参数x3＝100-总区域绝对峰面积值。
67.分别计算热失重特征参数x1、x2、x3与煤样工业分析的水分(m)、挥发分(v)、灰分(a)的映射关系，从而建立聚光辐照快速升温下热失重特征参数与煤质组分关联数据库。可以将热失重特征参数作为横坐标，煤样工业分析成分作为纵坐标，绘制二者的映射关系曲线图。
68.通过以上计算处理分析获得热失重特征参数与煤质工业分析成分参数的映射关系，建立聚光辐照快速升温下热失重-煤质数据库。
69.2)对未知煤进行与步骤1)相同的方式与基准的光热快速升温热重实验，并对获得的未知煤的热失重曲线进行与步骤1)相同的预处理与数据分析方法，获得待测煤样的热失重特征参数；
70.3)将步骤2)获得的待测煤样的热失重特征参数与已建立的光热快速升温下热失重-煤质数据库进行匹配，根据热失重特征参数与煤质组分之间存在的映射关系，获得待测煤样的m、v、a、fc等煤质成分。
71.具体地，在本实施例中：
72.首先，取26种不同煤阶不同灰含量的标准煤，分别研磨至74-105μm，并编号为1-26号，分别进行工业分析，结果采用空干基。
73.然后，分别对这26种煤进行光热快速升温热重实验，每种煤至少进行3次实验，取重复性较好的2次实验数据用于该种煤的后续分析，部分标准煤的失重谱图所图1所示。光
热快速升温热重实验的实验工况：升温速率为1000℃/min，终温900℃，恒温2.5min，空气气氛，煤重5～6mg。
74.随后，对获得失重谱图进行预处理和数据分析，预处理后的失重曲线及一阶微分曲线如图2所示，并按照上述方法分析得到热失重特征参数；
75.接着，分别计算热失重特征参数与煤样的工业分析成分参数的映射关系，建立聚光辐照快速升温下光热-煤质数据库。以参数x3与煤样灰分(a)的映射关系为例，热失重特征参数x3作为横坐标，煤样工业分析成分灰分(a)作为纵坐标，绘制二者的映射关系曲线图，该映射关系如图3所示。
76.以下为映射关系的数学模型：
77.mad(水分)：y＝1.66746*x
1-0.11167*x
12
0.01137*x
13-3.81e-4
*x
14
；
78.vad(挥发分)：y＝0.52266*x2 0.07022*x
22-0.00297*x
23-4.04e-5
*x
24
；
79.aad(灰分)：y＝0.69668*x
3-3.38e-6
*x
32
4.10e-4
*x
33-6.24e-6
*x
34
；
80.fcad(固定碳)＝100-mad-aad-vad。
81.按照以上过程以相同的方式与基准对待测原煤进行光热快速升温热重实验，并按照上述处理与分析方法得到待测原煤的热失重特征参数，如表1所示：
82.表1
83.煤样参数1参数2参数3待测原煤111.6524.028.08待测原煤22.6226.6228.28待测原煤31.586.7627.74待测原煤41.3211.6722.53
84.将计算得到待测原煤的热失重特征参数输入到光热-煤质关联数据库中，本应用实例当中最终测得的上述煤质成分含量如表2所示。
85.表2
86.煤样参数1参数2参数3待测原煤115.1125.335.82待测原煤23.8127.8924.96待测原煤32.385.8324.39待测原煤41.9212.0819.24
87.与工业分析得到的煤质成分参数对比及差值，如表3所示：
88.表3
89.煤样水分差值挥发分差值灰分差值待测煤样114.34-0.7724.91-0.426.851.03待测煤样23.01-0.8028.270.3825.640.68待测煤样31.83-0.557.531.7023.14-1.25待测煤样42.590.6712.70.6218.12-1.12
90.观察差值，四种待测原煤各参数误差基本都在2％以内，符合预期，证实了本方案的检测结果是准确可靠的。
91.《实施例二》
92.本实施例二与实施例一的区别仅在于：对热失重曲线的分析处理获取热失重特征参数和得到的映射关系。下面仅描述区别，相同内容不再赘述。
93.1b)热失重曲线的数据分析，包括微分平滑处理和峰值分析，微分平滑处理的具体步骤如下：
94.对失重谱图作一阶微分处理，然后再做两次平滑处理，每次平滑处理的窗口点数均在100～120之间。
95.采用高斯曲线拟合法，分峰数量为6个；峰的选取：如图4所示，作二阶微分曲线，取参照线y＝0，两者的交点中取a1、b1、c1、d1、e1、f1作为a峰、b峰、c峰、d峰、e峰、f峰的峰中心。
96.二阶微分曲线中的a1、b1与一阶微分曲线中的a2、b2竖直对应，a2、b2取得是a峰与b峰的峰顶点，确定方法与实施例一相同，至于c、d、e、f四点处于c区域则需要根据实际拟合情况做调整。初选c1～f1点，c1～f1与c2～f2横坐标值对应，c2～f2横坐标值作为c峰～f峰峰中心，c1～f1取二阶微分曲线与0值参照交点，根据约束条件选点(其中c1范围t＝70～105，d1范围t＝105～140，e1范围t＝140～170，f1范围t＝170～200，且各点间距尽量保持在t＝25～35之间)，然后拟合控制中，迭代前，先不对c1～f1点位置做固定，迭代至收敛，若r2》0.98，且依旧满足约束条件则完成拟合，若不满足，则在约束条件内对作调整，直至r2》0.98，且依旧满足约束条件。
97.热失重特征参数选取为a峰、b峰的面积以及a～f总峰面积ia、ib、s；以ia、ib作为热失重特征参数x1、x2及100-s作为热失重特征参数x3，分别与工业分析的水分、挥发分、灰分进行匹配，计算映射关系，建立热失重-煤质数据库。
98.如图5所示，本实施例二中，选取10种标准煤，按照标准处理流程与分析流程得到的热失重特征参数与工业分析成分参数如下：
[0099][0100]
[0101]
以参数1与煤样水分的映射关系为例，热失重特征参数x3作为横坐标，煤样工业分析成分水分作为纵坐标，绘制二者的映射关系曲线图，该映射关系如图6所示。
[0102]
以下为映射关系的数学模型：
[0103]
mad(水分)：y＝2.09922*x
1-0.05641x
12
4.88989e-4
*x
13-0.0643；
[0104]
vad(挥发分)：y＝1.48033*x
2-0.02023*x
22
1.38228e-4
*x
23
；
[0105]
aad(灰分)：y＝0.73469*x3 0.003*x
32
6.84111e-5
*x
33
；
[0106]
fcad(固定碳)＝100-mad-aad-vad。
[0107]
以上仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的基于热失重曲线的煤质快速检测方法并不仅仅限定于在以上中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。