水煤漿激光粒度儀的研制和應用

激光粒度儀作為一種新型的粒度測試儀器，已經(jīng)在其它粉體加工與應用領(lǐng)域得到廣泛的應用。它的特點(diǎn)是測試速度快、重復性好、準確性好、操作簡(jiǎn)便。對提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低能源消耗有著(zhù)重要的意義。

一、激光粒度儀的原理

激光粒度儀是根據顆粒能使激光產(chǎn)生散射這一物理現象測試粒度分布的。由于激光具有很好的單色性和極強的方向性，所以在沒(méi)有阻礙的無(wú)限空間中激光將會(huì )照射到無(wú)窮遠的地方，并且在傳播過(guò)程中很少有發(fā)散的現象。如圖1所示。

圖1激光束在無(wú)阻礙狀態(tài)下的傳播示意圖

米氏散射理論表明，當光束遇到顆粒阻擋時(shí)，一部分光將發(fā)生散射現象，散射光的傳播方向將與主光束的傳播方向形成一個(gè)夾角θ，θ角的大小與顆粒的大小有關(guān)，顆粒越大，產(chǎn)生的散射光的θ角就越小;顆粒越小，產(chǎn)生的散射光的θ角就越大。即小角度(θ)的散射光是有大顆粒引起的;大角度(θ1)的散射光是由小顆粒引起的，如圖2所示。進(jìn)一步研究表明，散射光的強度代表該粒徑顆粒的數量。這樣，測量不同角度上的散射光的強度，就可以得到樣品的粒度分布了。

圖2不同粒徑的顆粒產(chǎn)生不同角度的散射光

為了測量不同角度上的散射光的光強，需要運用光學(xué)手段對散射光進(jìn)行處理。我們在光束中的適當的位置上放置一個(gè)富氏透鏡，在該富氏透鏡的后焦平面上放置一組多元光電探測器，不同角度的散射光通過(guò)富氏透鏡照射到多元光電探測器上時(shí)，光信號將被轉換成電信號并傳輸到電腦中，通過(guò)專(zhuān)用軟件對這些信號進(jìn)行處理，就會(huì )準確地得到粒度分布了，如圖3所示。

圖3激光粒度儀原理示意圖

二、水煤漿及其粒度分布特點(diǎn)

水煤漿作為一種具有流動(dòng)性的潔凈代油燃料，具有濃度高、粒度細、流動(dòng)性好，燃燒效率高、環(huán)保節能、存儲安全等優(yōu)點(diǎn)。已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)鍋爐、電站鍋爐和工業(yè)爐窯。除電站、鋼廠(chǎng)、煉化等企業(yè)的大型燃燒設備外，愈來(lái)愈多的中小型鍋爐(20噸以下)也開(kāi)始燃用水煤漿?？紤]到我國的能源結構和現實(shí)國情，政府正大力鼓勵水煤漿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國家計委《中國潔凈煤技術(shù)九五計劃和2010年發(fā)展綱要》、國家經(jīng)貿委《節約和替代燃料油十五規劃》和國家環(huán)境保護總局《國家環(huán)境保護十五計劃》中均將水煤漿技術(shù)的應用和推廣列為重點(diǎn)，在產(chǎn)業(yè)政策方面予以?xún)A斜。因此水煤漿的產(chǎn)銷(xiāo)前景非常廣闊。

就水煤漿的粒度測試而言，有以下三個(gè)方面的特殊問(wèn)題必須解決：

1、濃度大。在水煤漿中，煤所占的比例為65%-70%，水的比例為35%-30%，另外還有少量的添加劑。

由于煤所占的比例較大，又是粘稠狀態(tài)，而激光粒度儀又要求在低濃度(小于0.5%)狀態(tài)下進(jìn)行粒度測試，因此要求激光粒度儀的循環(huán)系統具有較大的容積和方便的進(jìn)水和排放功能，才能保證將測試樣品的濃度控制在合理的范圍內，使測試得以順利進(jìn)行。

2、粒度分布寬。目前水煤漿的平均粒度一般在50um左右，最小粒徑1um，最大粒徑達到600um。也就是說(shuō)，水煤漿的粒度范圍在1-600um。在這樣一個(gè)很寬粒度范圍內，要得到準確的粒度分布結果，第一要求激光粒度儀的量程要大于水煤漿的粒度范圍;第二光電探測器要具有很高的靈敏度和穩定 性。只有這樣才能保證粒度測試的重復性和準確性。

3、顆粒對光的吸收特性強。水煤漿的顆粒是黑色的，顆粒形狀也很復雜，對激光具有很強的吸收特性，而作為有效信號的散射光則相對較弱，因此需要配備大功率、高亮度的激光器，以增加有效信號，提高信噪比。

4、需要精密自動(dòng)調整系統和長(cháng)壽命的激光器。激光粒度儀是一種精密的光學(xué)儀器。由于水煤漿在生產(chǎn)和使用過(guò)程中是連續進(jìn)行的，粒度測試作為質(zhì)量控制手段也需要隨生產(chǎn)過(guò)程一道連續進(jìn)行，因此必須提高儀器的自動(dòng)化程度，提高儀器的使用率，減少人工維護和調整時(shí)間，降低儀器的故障率。

三、水煤漿激光粒度儀的研制

根據水煤漿粒度測試的特殊情況，結合多年的激光粒度儀器的制造經(jīng)驗，國家水煤漿工程技術(shù)中心與丹東百特儀器有限公司合作，經(jīng)過(guò)一年多的刻苦攻關(guān)和成百上千次的實(shí)驗，終于在2002年下半年研制成功國內第一臺水煤漿專(zhuān)用的激光粒度儀。該儀器的研制成功，結束了水煤漿粒度測試完全依賴(lài)進(jìn)口的歷史。從此國內水煤漿用戶(hù)可以用上性能優(yōu)良，價(jià)格低廉、服務(wù)及時(shí)、零配件供應充足的激光粒度儀，其綜合性能指標達到了國外同類(lèi)儀器的先進(jìn)水平。

1、大容量的、大流量的循環(huán)分散系統。循環(huán)分散系統是激光粒度儀系統中的一個(gè)重要的裝置，它包括蠕動(dòng)循環(huán)泵、超聲波分散器、攪拌器、測試窗組件、水池與排放裝置等。蠕動(dòng)循環(huán)泵是一種通過(guò)對彈性極好的硅橡膠管的交替快速擠壓、恢復來(lái)使樣品流動(dòng)的。由于循環(huán)過(guò)程中外力不直接與顆粒接觸，所以不會(huì )對顆粒造成任何影 響。它的流量達到2000ml/分鐘，最大的水煤漿顆粒也不會(huì )沉淀在管路中。超聲波分散器直接固定在容積為800ml的水池底部，配以功率50W、頻率40KHZ的驅動(dòng)電路,僅三分鐘就會(huì )使水煤漿顆粒處于良好的分散狀態(tài)。

由直流電機和特制的葉片組成的攪拌器，將使水池中的樣品時(shí)時(shí)刻刻處于均勻懸浮狀態(tài)，保證輸送到儀器中的樣品均勻一致。測試窗是由石英玻璃制成，具有良好的光學(xué)特性，耐磨擦耐腐蝕，拆卸和安裝極為方便。排放裝置是由特殊設計的控制閥和相應的管路組成，操作方便、安全可靠、絕不漏水。

2、拓寬儀器的測試范圍。常見(jiàn)的激光粒度儀的測試范圍一般在300um以下，隨著(zhù)粉體超細化趨勢的增長(cháng)，激光粒度儀的測試范圍也在向超細方向發(fā)展。而水煤漿激光粒度儀在測試范圍上的主要矛盾則恰恰相反，就是要保證對粗端顆粒進(jìn)行有效測量，測試上限必須大于700um。通過(guò)反復試驗和計算，我們設計了大口徑長(cháng)焦距的富氏透鏡和回折式光學(xué)系統，使測試范圍達到0.68-951um，在此范圍內的散射信號都能夠被有效接收，這樣的粒度范圍完全滿(mǎn)足水煤漿的粒度測試需要。