阅读说明：本技术 一种基于x射线衍射分析的助熔剂添加控制系统及方法 (Flux adding control system and method based on X-ray diffraction analysis ) 是由 刘蓉 王晓龙 郜时旺 王琪 肖天存 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开的一种基于X射线衍射分析的助熔剂添加控制系统及方法,属于煤气化控制技术领域。包括煤灰取样器、煤灰进样器、X射线衍射仪、X射线衍射图谱分析仪、服务器和助熔剂进料器；煤灰取样器取样后通过煤灰进样器制样送入X射线衍射仪进行在线检测生成X射线衍射图谱,采用X射线衍射图谱分析仪对得到的X射线衍射图谱进行分析,服务器根据分析得到的数据实时生成助熔剂添加量调整策略,助熔剂进料器根据服务器所传输的助熔剂添加量调整策略确定助熔剂进料量进行添加,可实现助熔剂添加的在线实时控制,实现气化炉膜式水冷壁上正常的挂渣,保证气化炉长周期安全平稳运行,适用范围广,适于大规模推广。(The invention discloses a flux addition control system and method based on X-ray diffraction analysis, and belongs to the technical field of coal gasification control. The device comprises a coal ash sampler, a coal ash sample injector, an X-ray diffractometer, an X-ray diffraction pattern spectrum analyzer, a server and a fluxing agent feeder; the coal ash sampler samples and then sends the samples into an X-ray diffractometer through a coal ash sampler sample preparation device to perform online detection to generate an X-ray diffraction pattern, an X-ray diffraction pattern analyzer is adopted to analyze the obtained X-ray diffraction pattern, a server generates a flux addition amount adjusting strategy in real time according to data obtained by analysis, a flux feeder determines the flux feeding amount according to the flux addition amount adjusting strategy transmitted by the server to perform addition, online real-time control of flux addition can be realized, normal slag hanging on a film water-cooled wall of the gasification furnace is realized, long-period safe and stable operation of the gasification furnace is ensured, the application range is wide, and the method is suitable for large-scale popularization.)

一种基于X射线衍射分析的助熔剂添加控制系统及方法

技术领域

本发明属于煤气化控制技术领域，具体涉及一种基于X射线衍射分析的助熔剂添加控制系统及方法。

背景技术

随着国内一次能源供应的日益紧张，高灰熔融性温度(灰熔点)大于1500℃的劣质煤高效利用备受关注。气流床气化技术对煤种适应性强，拓宽了煤种的利用范围，特别是可以气化含灰量较高的煤种。目前，煤气化技术向着高温高压发展，液态排渣气化技术逐渐占据主导地位为保证气化炉可以顺利排渣，气化炉操作温度原则上要高于原料煤流动温度。这样才不会降低碳转化率，同时顺利实现气化炉膜式水冷壁上正常的挂渣，保证气化炉长周期安全平稳运行。我国高灰点煤炭资源储量较大，其中灰熔点大于1500℃的煤占煤炭总资源的50％。为满足液态排渣气化技术对灰熔点的要求，一些具有高灰熔点温度的煤，必须先添加助熔剂有效地降低其灰熔点。

煤灰熔点作为气化用煤的一项重要指标，指导着特定气化炉助熔剂的添加。煤灰熔点的高低很大程度上取决于煤灰的化学组成及其含量。所以需要详细研究煤灰化学成分，以此来确定助熔剂的添加量。通常将氧化铝，氧化硅称为酸性氧化物，其含量越高，煤灰熔点温度则越高，氧化镁，氧化钙和氧化铁称为碱性氧化物，其含量越高，煤灰熔点温度则越低，但鉴于实际生产过程中煤灰化学成分的复杂性，并且各化学组分含量有一定波动性，需要有一种快速的煤灰化学成分分析方法进行实时在线分析，并以此确定助熔剂的添加种类和添加量。

现有的煤灰中Ca、Mg等元素分析方法主要采用滴定分析法，步骤繁琐、耗时较长且无法实现在线测量。无法根据实际情况在线调节助熔剂的添加种类和添加量。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于X射线衍射分析的助熔剂添加控制系统及方法，能够快速准确的检测出煤灰的成分，从而指导气化炉助熔剂的添加。

本发明通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种基于X射线衍射分析的助熔剂添加控制系统，包括煤灰取样器、煤灰进样器、X射线衍射仪、X射线衍射图谱分析仪、服务器和助熔剂进料器；

煤灰取样器设在气化炉出口，用于采集煤灰并将煤灰制备成煤灰样品；

煤灰进样器用于将煤灰样品送至X射线衍射仪；

X射线衍射仪与X射线衍射图谱分析仪连接，X射线衍射仪用于生成煤灰样品的X射线衍射图谱并发送至X射线衍射图谱分析仪；

煤灰取样器、煤灰进样器、X射线衍射图谱分析仪和助熔剂进料器分别与服务器连接。

优选地，煤灰取样器包括装样装置和压平装置，装样装置用于盛放采集到的煤灰，压平装置用于将装样装置内的煤灰压平。

优选地，X射线衍射仪的扫描速度为2°/min，扫描范围为10°～60°，扫描步长为0.02°。

优选地，煤灰进样器连接有冷却系统。

优选地，系统还包括用于测量煤灰样品温度的测温装置。

进一步优选地，测温装置为红外测温器。

本发明还公开了采用上述基于X射线衍射分析的助熔剂添加控制系统控制助熔剂添加的方法，包括以下步骤：

1)设置m₁为助熔剂的初始添加量，气化反应开始后，服务器控制煤灰取样器采集气化炉出口的煤灰并制备成煤灰样品1；

2)服务器控制煤灰进样器将煤灰样品1送至X射线衍射仪；

3)采用X射线衍射仪对煤灰样品1进行检测，得到煤灰样品1的X射线衍射图谱并发送至X射线衍射图谱分析仪；

4)X射线衍射图谱分析仪对煤灰样品1的X射线衍射图谱进行分析，得到煤灰样品1的X射线衍射图谱中钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石特征峰，并计算钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石特征峰面积与总峰面积的比值a₁，将a₁发送至服务器；

5)服务器调整助熔剂进料器助熔剂的添加量为m₂，m₂＝2m₁，服务器控制煤灰取样器采集气化炉出口的煤灰并制备成煤灰样品2；

6)重复步骤2)～步骤4)，得到煤灰样品2的X射线衍射图谱中钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石特征峰面积与总峰面积的比值a₂，将a₂发送至服务器；

7)服务器对a₁和a₂进行比较，若a₂≤1.05a₁，则在时间周期T内维持助熔剂添加量m₂；若a₂＞1.05a₁，则重复步骤5)和步骤6)，直至a_n≤1.05a₁(n＝2,3,4……)，则在时间周期T内维持助熔剂添加量m_n＝nm₁(n＝2,3,4……)；

8)每隔一个时间周期T，重复步骤1)～步骤7)。

优选地，助熔剂的初始添加量m₁＝煤进料量的0.5％～1％。

优选地，步骤3)的检测，是在煤灰样品表面选取3～5个点，每个点扫描3～5次。

优选地，时间周期T为30～120min。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的一种基于X射线衍射分析的助熔剂添加控制系统，煤灰取样器取样后通过煤灰进样器制样送入X射线衍射仪进行在线检测生成X射线衍射图谱，精度高，速度快；采用X射线衍射图谱分析仪对得到的X射线衍射图谱进行分析，服务器根据分析得到的数据实时生成助熔剂添加量调整策略，助熔剂进料器根据服务器所传输的助熔剂添加量调整策略确定助熔剂进料量进行添加，可实现助熔剂添加的在线实时控制，实现气化炉膜式水冷壁上正常的挂渣，保证气化炉长周期安全平稳运行。可适用于煤灰熔点在1000℃～1500℃内的各种煤炭，可适用于Shell、GSP、HT-L和GE等各种气流床气化技术，适用范围广，适于大规模推广。

进一步地，通过装样装置和压平装置采集气化炉排出的煤灰并且制成表面平整的煤灰样品，使X射线衍射仪扫描得到的数据更加精确。

进一步地，煤灰进样器连接有冷却系统，能够将煤灰样品快速冷却至X射线衍射仪的工作温度，提高系统在线检测的效率。

进一步地，系统设置有用于测量煤灰样品温度的测温装置，能够检测煤灰样品的实时温度并发送至服务器，在达到X射线衍射仪的工作温度时启动X射线衍射仪，自动化程度高，测得的数据精确。

更进一步地，测温装置采用红外测温器，能够远程测得煤灰样品表面的温度，具有响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。

本发明公开的采用上述基于X射线衍射分析的助熔剂添加控制系统控制助熔剂添加的方法，首先根据经验值确定一个助熔剂的初始添加量，测得钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石特征峰面积与总峰面积的比值；然后将助熔剂添加量提升一倍，再次测得钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石特征峰面积与总峰面积的比值，然后将两次测量所得结果进行对比，当所得数值波动小于5％时，可以认为继续添加助溶剂的不再能够明显提高煤灰熔点，综合经济因素，维持此时的助溶剂添加量。该方法操作简便，结合经验和实际制定的助熔剂添加量调整策略，方法简便、速度和准确率高，自动化程度高，能够为特定气化炉助熔剂的添加起到指导作用。

进一步地，助熔剂的初始添加量m₁＝煤进料量的0.5％～1％，是根据经验值确定的数值，有助于系统快速确定助熔剂的最终添加量。

进一步地，检测时，在煤灰样品表面多点多次检测，有助于提高测试的精确度。

进一步地，选择30～120min作为一个重复测量的时间周期，有助于随煤种波动随时调整助熔剂添加量。

附图说明

图1为本发明的基于X射线衍射分析的助熔剂添加控制系统的整体结构示意图；

图2为本发明的基于X射线衍射分析的助熔剂添加控制系统的工作流程示意图。

图中：1-煤灰取样器，2-煤灰进样器，3-X射线衍射仪，4-X射线衍射图谱分析仪，5-服务器，6-助熔剂进料器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：

图1为本发明的基于X射线衍射分析的助熔剂添加控制系统，包括煤灰取样器1、煤灰进样器2、X射线衍射仪3、X射线衍射图谱分析仪4、服务器5和助熔剂进料器6；

煤灰取样器1设在气化炉出口，煤灰取样器1包括装样装置和压平装置，装样装置用于盛放采集到的煤灰，装样装置可以为具有一定深度的圆形容器，压平装置用于将装样装置内的煤灰压平，制成圆饼状的煤灰样品。

煤灰进样器2用于将煤灰取样器1制得的煤灰样品送至X射线衍射仪3，煤灰进样器2可以采用自动化系统中常用的传送装置，如传送带、传送台、机械臂等；煤灰进样器2连接有冷却系统，冷却系统与服务器5连接。系统还包括用于测量煤灰样品温度的测温装置，测温装置与服务器5连接，测温装置优选红外测温器。

X射线衍射仪3与X射线衍射图谱分析仪4连接，X射线衍射仪3用于生成煤灰样品的X射线衍射图谱并发送至X射线衍射图谱分析仪4，X射线衍射仪3的参数优选如下：扫描速度为2°/min，扫描范围为10°～60°，扫描步长为0.02°；

煤灰取样器1、煤灰进样器2、X射线衍射仪3、X射线衍射图谱分析仪4和助熔剂进料器6分别与服务器5连接。

如图2，采用上述基于X射线衍射分析的助熔剂添加控制系统控制助熔剂添加的方法，包括以下步骤：

1)设置m₁为助熔剂的初始添加量，一般的，助熔剂的初始添加量m₁＝煤进料量的0.5％～1％，气化反应开始后，服务器5控制煤灰取样器1采集气化炉出口的煤灰并制备成煤灰样品1；

2)服务器5控制煤灰进样器2将煤灰样品1送至X射线衍射仪3；

3)采用X射线衍射仪3对煤灰样品1进行检测，在煤灰样品表面选取3～5个点，每个点扫描3～5次，得到煤灰样品1的X射线衍射图谱并发送至X射线衍射图谱分析仪4；

4)X射线衍射图谱分析仪4对煤灰样品1的X射线衍射图谱进行分析，得到煤灰样品1的X射线衍射图谱中钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石特征峰，并计算钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石特征峰面积与总峰面积的比值a₁，将a₁发送至服务器5；

5)服务器5调整助熔剂进料器6助熔剂的添加量为m₂，m₂＝2m₁，服务器5控制煤灰取样器1采集气化炉出口的煤灰并制备成煤灰样品2；

6)重复步骤2)～步骤4)，得到煤灰样品2的X射线衍射图谱中钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石特征峰面积与总峰面积的比值a₂，将a₂发送至服务器5；

7)服务器5对a₁和a₂进行比较，若a₂≤1.05a₁，则在时间周期T内维持助熔剂添加量m₂；若a₂＞1.05a₁，则重复步骤5)和步骤6)，直至a_n≤1.05a₁(n＝2,3,4……)，则在时间周期T内维持助熔剂添加量m_n＝nm₁(n＝2,3,4……)；

8)每隔时间周期T，重复步骤1)～步骤7)，通常取T＝30～120min。

上述a₁，a₂……a_n(n＝2,3……)由X射线衍射图谱分析仪4计算得出，计算方法为，a₁＝a_n＝I_钙长石+I_橄榄石+I_尖晶石(n＝2,3……)，其中峰面积比I_钙长石＝S_钙长石/S_总，I_橄榄石＝S_橄榄石/S_总，I_尖晶石＝S_尖晶石/S_总，其中S_钙长石为钙长石位于2θ＝26.9°～27.9°的特征峰面积，S_橄榄石为橄榄石位于2θ＝36.3°～35.3°的特征峰面积，S_尖晶石为尖晶石位于2θ＝36.6°～36.95°的特征峰面积，则计算得到峰面积比I_钙长石＝S_钙长石/S_总，I_橄榄石＝S_橄榄石/S_总，I_尖晶石＝S_尖晶石/S_总。其中，S_总＝S_钙长石+S_橄榄石+S_尖晶石。

下面以几个具体应用实施例对本发明进行进一步解释：

实施例1

以某1500吨/天的shell气化炉为例，采用shell煤气化技术，煤粉进料量为60吨/h。

1)确定m₁为煤进料量的1％即600kg/h，进行气化反应，采用煤灰取样器1得到煤灰样品1；

2)采用煤灰进样器2，将煤灰样品1送至X射线衍射仪3；

3)采用X射线衍射仪3，对待检测煤灰样品1进行X射线衍射测试，选取5个点，每个点扫描5次，得到煤灰样品1的X射线衍射图谱；

4)采用X射线衍射图谱分析仪4读取步骤3)得到的煤灰样品1X射线衍射图谱中的钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石特征峰，并计算钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石特征峰面积与总峰面积比值a₁。a₁，a₂……a_n(n＝2,3……)的计算方法为，a₁＝a_n＝I_钙长石+I_橄榄石+I_尖晶石(n＝2,3……)，其中峰面积比I_钙长石＝S_钙长石/S_总，I_橄榄石＝S_橄榄石/S_总，I_尖晶石＝S_尖晶石/S_总，首先进行基线矫正，分峰处理，而又进行自动积分计算总峰面积S_总以及钙长石S_钙长石、橄榄石S_橄榄石和尖晶石S_尖晶石的特征峰面积S_总＝S_钙长石+S_橄榄石+S_尖晶石，其中S_钙长石为钙长石位于2θ＝26.9°～27.9°的特征峰面积，S_橄榄石为橄榄石位于2θ＝36.3°～35.3°的特征峰面积，S_尖晶石为尖晶石位于2θ＝36.6°～36.95°的特征峰面积，则计算得到峰面积比I_钙长石＝S_钙长石/S_总，I_橄榄石＝S_橄榄石/S_总，I_尖晶石＝S_尖晶石/S_总。S_总＝S_钙长石+S_橄榄石+S_尖晶石。

5)确定助熔剂添加量为m₂＝2*m₁＝1200kg/h，进行气化反应，得到煤灰样品2；

6)重复步骤2)至步骤4)得到煤灰样品2X射线衍射图谱中的钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石特征峰，并计算钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石特征峰面积与总峰面积比值a₂，a₂计算方法同a₁；

7)采用服务器5进行比较，生成助熔剂添加量调整策略，a₂＝1.15a₁，则继续增加助熔剂的添加量至m₃；

8)重复步骤2)至步骤7)直至得到煤灰样品5X射线衍射图谱中的钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石峰面积与总峰面积比值a₅＝1.01a₄，则达到液态排渣气化技术对煤灰熔点要求，保持助熔剂添加量为m₅＝5*m₁＝3000kg/h。

30min后进行重复，直至得到煤灰样品3X射线衍射图谱中的钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石峰面积与总峰面积比值a₃＝1.02a₃，则达到液态排渣气化技术对煤灰熔点要求，保持助熔剂添加量为m₂＝3*m₁＝1800kg/h。

实施例2

以某1200吨/天的水煤浆气化炉为例，采用德古士水煤浆煤气化技术，煤粉进料量为40吨/h。

1)确定m₁为煤进料量的0.75％即300kg/h，进行气化反应，采用煤灰取样器1得到煤灰样品1；

2)采用煤灰进样器2，将煤灰样品1送至X射线衍射仪3；

3)采用X射线衍射仪3，对待检测煤灰样品1进行X射线衍射测试，选取3个点，每个点扫描3次，得到煤灰样品1的X射线衍射图谱；

4)采用X射线衍射图谱分析仪4读取步骤3)得到的煤灰样品1X射线衍射图谱中的钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石特征峰，并计算钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石特征峰面积与总峰面积比值a₁，a₁计算方法同实施例1；

5)确定助熔剂添加量为m₂＝2*m₁＝600kg/h，进行气化反应，得到煤灰样品2；

6)重复步骤2)至步骤4)得到煤灰样品2X射线衍射图谱中的钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石特征峰，并计算钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石特征峰面积与总峰面积比值a₂，a₂计算方法同a₁；

7)采用服务器5进行比较，a₂＝1.01a₁，则达到液态排渣气化技术对煤灰熔点要求，保持助熔剂添加量为m₂＝2*m₁＝600kg/h。

120min后进行重复，直至得到煤灰样品4X射线衍射图谱中的钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石峰面积与总峰面积比值a₄＝1.01a₃，则达到液态排渣气化技术对煤灰熔点要求，保持助熔剂添加量为m₄＝4*m₁＝1200kg/h。

实施例3

以某1000吨/天的移动床气化炉为例，采用BGL气化技术，煤粉进料量为400吨/h。

1)确定m₁为煤进料量的0.5％即200kg/h，进行气化反应，采用煤灰取样器1得到煤灰样品1；

2)采用煤灰进样器2，将煤灰样品1送至X射线衍射仪3；

3)采用X射线衍射仪3，对待检测煤灰样品1进行X射线衍射测试，选取4个点，每个点扫描4次，得到煤灰样品1的X射线衍射图谱；

4)采用X射线衍射图谱器读取步骤3)得到的煤灰样品1X射线衍射图谱中的钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石特征峰，并计算钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石特征峰面积与总峰面积比值a₁，a₁计算方法同实施例1；

5)确定助熔剂添加量为m₂＝2*m₁＝400kg/h，进行气化反应，得到煤灰样品2；

6)重复步骤2)至步骤4)得到煤灰样品2X射线衍射图谱中的钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石特征峰，并计算钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石特征峰面积与总峰面积比值a₂，a₂计算方法同a₁；

(7)采用服务器5进行比较，生成助熔剂添加量调整策略，a₂＝1.21a₁，则继续增加助熔剂的添加量为m₃；

(8)重复步骤(2)至步骤(7)直至得到煤灰样品6X射线衍射图谱中的钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石峰面积与总峰面积比值a₆＝1.01a₅，则达到液态排渣气化技术对煤灰熔点要求，保持助熔剂添加量为m₆＝6*m₁＝1200kg/h。

60min后进行重复，直至得到煤灰样品5X射线衍射图谱中的钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石峰面积与总峰面积比值a₅＝1.02a₄，则达到液态排渣气化技术对煤灰熔点要求，保持助熔剂添加量为m₅＝5*m₁＝1000kg/h。

需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式之一，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。