杜兴团，刘培峰，崔红林，程 旭

（1.河南心连心化学工业集团有限公司，河南 新乡 453700；2.北京北分麦哈克分析仪器有限公司，北京 100095）

0 引言

水煤浆浓度指其中所含固体的质量分数，水煤浆浓度直接影响气化装置的整体负荷和能耗指标，对于指导生产运行具有重要意义[1]。

根据气化工艺及原料的区别，水煤浆加压气化工艺通常要求煤浆浓度≥58%，以实现气化装置的经济运行[2]。邹杰等人研究了水煤浆浓度变化对气化工艺能耗的影响，结果表明煤浆浓度的提高能够显著降低比氧耗、比煤耗[3]。张慧峰[4]、武林智[5]、李智[6]等人研究了水煤浆提浓对气化效果的影响，结果表明煤浆浓度提高后，气化有效气量增加，提浓产生了显著的经济效益。

水煤浆浓度参数对于生产运行，节能降耗，降本增效具有积极意义，因此水煤浆浓度测量具有重要价值。

1 水煤浆浓度测量方法

1.1 水煤浆浓度测定

根据术语定义，煤浆浓度C，单位为%[7]。煤浆浓度指标反映了煤浆中固体组分的质量分数，即“固含量分数”。

煤浆浓度的试验方法参照GB/T 1 8856.2-2008《水煤浆试验方法 第2 部分：浓度测定》标准的规范要求，属于烘干干燥法，取一定的煤浆样品，烘干至恒重后，烘干前后的质量比即为煤浆浓度。其计算公式为：

式（1）中：C 是水煤浆浓度，以质量分数表示（%）；m1是干燥后的质量，单位为克（g）；m0是取样质量，单位为克（g）。

烘干法的测量结果准确，目前仍是各化工企业的常态化测量手段。但取样测定的时间较长，测量结果滞后，难以对生产运行产生实时的指导意义。烘干法的测量结果通常作为在线仪器的校准和验证依据。

1.2 放射性同位素法

放射性同位素法，是根据射线与物质作用后，射线的强度衰减来进行测量的[8]。该方法主要通过放射源释放的γ 射线作为测量基准，当γ 射线通过物质时，其强度公式满足：

其中：E 是探测器接收到的γ 射线强度；E0是发射器发射出的γ 射线强度；B 是校正系数，在低能γ 射线情况下，近似为大于1 的常数；μ 是质量吸收系数（cm2/g）；ρ是物料的密度（g/L）；d 是γ 射线通过的物料厚度。

对于确定的被测物质，E0，B，ρ，d 均为常数，因此式（1）可写为：

其中，a、b 为常数。

由式（2）可知，对于确定的被测物料，浓度c 的大小仅与被检测到的γ 射线强度E 相关，且随着物料浓度c 的增大，射线强度E 减弱。因此，可以通过γ 射线强度间接测量出物料浓度。

放射性同位素法的优点是可以实现浓度的连续在线测量，但缺点是存在安全风险，操作维护复杂。而且在长期配煤等情况下，系数a 难以保持稳定，因此也会影响测量效果。同时，放射源的安全隐患大，维护成本高，经济性、安全性及长期稳定性都难以满足先进测量技术的要求。

1.3 超声波法

超声波在液固两相流介质中传播，声速、声衰减等超声量与介质特性及状态有关。因此，超声波法通常将声速或声衰减作为测量参数[9]。对于水煤浆这类高浓度介质，基于水动力学，耦合了声速及声衰减信号的测量模型如下：

式（4）中：复波数k=ω/c(ω) +iα(ω)；ω是超声波频率；c(ω)为声速；α(ω)为声衰减；参数S 是连续相密度、粘度，颗粒相粒度、体积浓度的函数[10]。

在物料特性稳定的情况下，可通过对声速和声衰减量的检测，测量出料浆浓度。但超声波法的特性，决定了其浓度测量过程会受到密度、粘度、粒度的影响，同时工作温度、工作压力也会显著改变超声波的传播特性，影响到浓度测量结果。

1.4 压差法

压差法的测量原理是：在一定的温度条件下，认为浓度C 与煤浆密度ρ之间存在函数关系，即C=f1(ρ)。而煤浆密度ρ可以从浆液柱的压差∆p来得到，即C=f1(ρ)=f2(∆p)，只要根据函数关系f1或f2就可测量出浆液浓度C[11]。

沿竖直方向布置至少两个压力传感测点：p1、p2，其中∆h是固有安装尺寸，如图1 所示。

图1 压差法原理示意图Fig.1 Schematic diagram of pressure difference method principle

图2 电磁波透射波谱法原理示意图Fig.2 Schematic diagram of the principle of electromagnetic wave transmission spectrum method

则煤浆密度ρ满足：

其中，g 是当地的重力加速度。

煤浆浓度C 可以通过煤浆密度ρ进行换算，换算公式为：

其中：ρm是煤浆密度，根据差压法计算得到数据；ρs是干煤的真密度，由化验室给出数值；ρw是水的密度，为常数。

压差法测量煤浆浓度的原理比较简单，测量的过程数值也比较容易获取。但其测量过程受密度的影响非常大，如配煤引起干煤的真密度ρs的变化，温度、压力等工况变化造成的煤浆密度波动，制浆用水来源复杂导致水的密度ρw波动，这些因素都会影响压差法的测量效果。

1.5 电磁波波谱分析法

电磁波波谱分析法基于原子吸收理论，不同样品对同一波长的吸收能力不同。通过定向发射宽频电磁波信号，即可得到介质关于“频率—吸收强度”的波谱模型[12]。

水煤浆中不同物质在波谱图中有不同的吸收峰，吸收峰的位置表征了物质类型，吸收峰的高度和面积表征了物质的数量。通过波谱分析，计算出不同物质的数量、用煤的量/煤浆的量，就可以得到煤浆浓度。

电磁波波谱分析法是一种直接测量方法，测量过程与温度、压力等工况参数无关，且无需中间变量直接计算得到煤浆浓度。同时在配煤、制浆水变化等情况下，各物质的吸收峰位置相对固定，不影响浓度测量，因此能够避免配煤和制浆水变化的影响。

现场使用情况分析见图3。

图3 现场安装、使用照片Fig.3 Photos of on-site installation and use

图3 为现场使用情况照片，3 台电磁波波谱浓度在线分析仪分别安装在气化装置A、B、C 高压煤浆管线上。在手动分析取样时，在同一时间点读取在线分析仪煤浆浓度读数并记录，与手动分析进行比对，每3h 取样一次，3 台浓度仪同时测试，得到表1 对比数据。

表1 手动分析与在线分析数据分析表Table 1 Data analysis table for manual and online analysis

表2 各测量技术的对比Table 2 Comparison of various measurement techniques

SD 标准偏差计算公式为：

其中，N 为总取样次数；xi为第i 次取样时，在线分析仪的读取数据；yi为第i 次取样的手动分析数据。

标准偏差SD 值结果分别为A：0.29%；B：0.39%；C：0.40%。

同时，分析了A、B 线手动分析和在线测量结果，得到趋势对比图，见图4。在线值与化验值整体趋势跟随一致，在线值和化验值两条曲线的绝大部分点重合。

图4 趋势对比图Fig.4 Trend comparison chart

基于该方法开发的煤浆浓度在线分析仪已在部分水煤浆气化炉上应用，取得了较好的使用效果，具有良好的应用前景。

2 结语

本文分析了水煤浆浓度参数的重要意义，同时对目前水煤浆浓度测量的相关方法进行了综述对比。影响煤浆浓度测量的因素有很多，包括配煤、粒径、制浆水变化、温度、压力等工况参数变化的影响，实际测量时需综合考虑这些影响因素。电磁波波谱分析法在业内已具备一些应用案例，且能够解决各类工况变化的影响，具有良好的应用前景。