水煤漿激光粒度儀的研制與應用

一、激光粒度儀的原理

       激光粒度儀是根據顆粒能使激光產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*的方向性，所以在沒有阻礙的無限空間中激光將會照射到無窮遠的地方，并且在傳播過程中很少有發散的現象。如圖1所示。 

圖1  激光束在*狀態下的傳播示意圖

        米氏散射理論表明，當光束遇到顆粒阻擋時，一部分光將發生散射現象，散射光的傳播方向將與主光束的傳播方向形成一個夾角θ，θ角的大小與顆粒的大小有關， 顆粒越大，產生的散射光的θ角就越小；顆粒越小，產生的散射光的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，需要運用光學手段對散射光進行處理。我們在光束中的適當的位置上放置一個富氏透鏡，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富氏透鏡照射到多元光電探測器上時，光信號將被轉換成電信號并傳輸到電腦中，通過軟件對這些信號進行處理，就會 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

         水煤漿作為一種具有流動性的潔凈代油燃料，具有濃度高、粒度細、流動性好，燃燒效率高、環保節能、存儲安全等優點。已經廣泛應用于工業鍋爐、電站鍋爐和工 業爐窯。除電站、鋼廠、煉化等企業的大型燃燒設備外，愈來愈多的中小型鍋爐（20噸以下）也開始燃用水煤漿。考慮到我國的能源結構和現實國情，政府正大力 鼓勵水煤漿產業的發展，國家計委《中國潔凈煤技術"九五"計劃和2010年發展綱要》、國家經貿委《節約和替代燃料油"十五"規劃》和國家環境保護總局 《國家環境保護"十五"計劃》中均將水煤漿技術的應用和推廣列為重點，在產業政策方面予以傾斜。因此水煤漿的產銷前景非常廣闊。
         就水煤漿的粒度測試而言，有以下三個方面的特殊問題必須解決：

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，而激光粒度儀又要求在低濃度（小于0.5%）狀態下進行粒度測試，因此要求激光粒度儀的循環系統具有較大的容積和方便的進水和排放功能，才能將測 試樣品的濃度控制在合理的范圍內，使測試得以順利進行。

2. 粒度分布寬。目前水煤漿的平均粒度一般在50um左右，小粒徑1um，大粒徑達到600um。也就是說，水煤漿的粒度范圍在 1-600um。在這樣一個很寬粒度范圍內，要得到的粒度分布結果，*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。只有這樣才能粒度測試的重復性和性。

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. 需要精密自動調整系統和長壽命的激光器。激光粒度儀是一種精密的光學儀器。由于水煤漿在生產和使用過程中是連續進行的，粒度測試作為質量控制手段也需要隨生產過程一道連續進行，因此必須提高儀器的自動化程度，提高儀器的使用率，減少人工維護和調整時間，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驗，國家水煤漿工程技術中心與丹東百特儀器有限公司合作，經過一年多的刻苦攻關和成百上千 次的實驗，終于在2002年下半年研制成功國內*臺水煤漿的激光粒度儀。該儀器的研制成功，結束了水煤漿粒度測試依賴進口的歷史。從此國內水煤 漿用戶可以用上性能優良，價格低廉、服務及時、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儀器的水平。

1. 大容量的、大流量的循環分散系統。循環分散系統是激光粒度儀系統中的一個重要的裝置，它包括蠕動循環泵、超聲波分散器、攪拌器、測試窗組件、 水池與排放裝置等。蠕動循環泵是一種通過對彈性的硅橡膠管的交替快速擠壓、恢復來使樣品流動的。由于循環過程中外力不直接與顆粒接觸，所以不會對顆粒 造成任何影響。它的流量達到2000ml/分鐘，大的水煤漿顆粒也不會沉淀在管路中。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的驅動電路,僅三分鐘就會使水煤漿顆粒處于良好的分散狀態。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時刻刻處于均 勻懸浮狀態，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。常見的激光粒度儀的測試范圍一般在300um以下，隨著粉體超細化趨勢的增長，激光粒度儀的測試范圍也在向超細方向發 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，就是要對粗端顆粒進行有效測量，測試上限必須大于700um。通過反復試驗和計算，我們設 計了大口徑長焦距的富氏透鏡和回折式光學系統，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，這樣的粒度范圍滿足水煤 漿的粒度測試需要。

3. 大功率的激光器與高靈敏度的光電探測器陣列。由于水煤漿顆粒對光的吸收特性強，散射信號弱，要使散射信號達到一定的強度并有效接收，必須提高 入射光的強度，提高光電探測器的靈敏度。為此我們選用了大功率半導體激光器，該激光器的功率是一般激光粒度儀所用激光器的5倍。同時研制成功了具有76個 光電探測器的高靈敏度的光電探測器陣列。該器件采用大規模集成電路的制造工藝，在同一個硅片上通過多次光刻而成，這樣不僅了光電探測器的靈敏度，而且 在線性范圍內每個光電探測器的線性度一致。不僅如此，由于采用多達76個光電接收器陣列，是儀器的分辨率大大提高。

4. 精密三維自動對焦系統和長壽命的激光器。激光粒度儀是一種精密的光學儀器。光電探測器的中心點直徑只有50um。光電探測器就分布在該中心點 外不同半徑的同心圓上。因此對焦系統稍有偏移，*的匯聚光束就將照射在靠近圓心的光電探測器上，光電探測器將處于飽和狀態，無法接收有效的散射信號。在 此狀態下進行測試，將產生錯誤的測試結果。為此我們研制了精密三維自動對焦系統。該系統包括步進電機、執行機構、控制軟件等組成。步進電機的控制精度小于 10um，可以在電腦控制下隨時矯正焦點的偏差，使系統始終處于*狀態。激光器是激光粒度儀的關鍵部件。該器件的質量、性能、壽命對整個系統有著至關重 要的影響。本系統所采用的激光器為半導體激光器，它的壽命是一般氦-氖激光器的4倍，并且不需要預熱，功耗低，可連續長時間工作，因此大大降低了儀器的故 障率。

5. 軟件系統。激光粒度儀的關鍵在于如何將散射信號還原成粒度信息。這個還原過程就是軟件的運行過程。本儀器的軟件全程采用米氏散射理論，充分考 慮顆粒的吸收特性，儀器背景、樣品濃度等因素，得到的分析數據具有很好的真實性。此外，通過該軟件可以實時監測測量過程，可直接觀察測量過程中樣品濃度、 粒度、分散狀態的變化情況。還具有結果存儲、查詢、比較、合并、編輯、刪除、幫助等功能。打印報告單具有中、英文六種不同的格式，內容包括區間粒度分布數 據與直方圖、累計粒度分布數據與曲線、典型粒徑值(如D3、D10、D25、D50、D75、D84、D90、D97、D98)等等。報告單的格式、版 面、顏色、字體可以根據需要任意編輯。系統采用串行信號通訊方式，儀器可以與任何型號的與IBM兼容的電腦相連。

四、BT-2002型水煤漿激光粒度儀的性能指標

1. 基本指標與性能：
   (1) 測定范圍：1-2600微米。
        (2) 重復性誤差：  <3%（測標樣時D50值的均方差）。
   (3) 測定時間：3分鐘/次。      
        (4) 樣品濃度(遮光率)：30%-60%。

2. 測試對象：
   (1) 各種水煤漿、各種煤粉
   (2) 各種粒度較粗的其它粉體產品、各種催化劑、各種化工原料與產品以及非金屬礦產品等。

3. 基本特點：
      (1) 采用進口大功率半導體激光器，單色性好，壽命長。由特殊設計的大口徑長焦距富氏透鏡等組成的精密光學準值系統，配合多達76通道多元光電接收器陣列，使測量范圍達到0.68-951微米適合水煤漿的粒度檢測與控制。
      (2) 采用精密三維自動對焦系統與控制軟件，單步調節精度僅10微米。實現在電腦控制下自動完成多元光電探測器陣列中心與光束焦點的定位，使系統始終處于*狀態，進一步提高了儀器的測量精度與性。
      (3) 采用大容量大流量蠕動循環分散系統，集樣品稀釋、超聲波分散、電動攪拌、蠕動循環、排放清洗等功能于一體；由不銹鋼與硅橡膠管組成的循環管路，耐腐蝕，免維護；*設計的蠕動泵使樣品僅在密閉的管路里循環流動，不與外部任何物體接觸，決不污染、破壞樣品。
      (4) 儀器采用的成型工藝，結構緊湊合理，外形美觀大方，使用維護方便；采用的抗干擾技術，使儀器的電氣穩定性更好，故障率更低。

五、水煤漿激光粒度儀的應用

       水煤漿漿料的縮分方法：用100-500毫升的燒杯，從生產線上取適量的樣品。如果漿料太粘稠加適量的水稀釋一下，然后用玻璃棒或小勺充分攪拌均勻，從中部取出大約1克到循環泵的試樣池中，準備測試。

1. 水煤漿干樣的縮分方法：
   (1)勺取法：用小勺多點（至少四點）取樣。勺取時應將進入小勺中的樣品全部留用，不得抖出一部分，保留一部分。
        (2)圓錐四分法：將試樣堆成圓錐體，用薄板將其垂直切成相等的四份，將對角的兩份混合再堆成圓錐體，也按上法縮分，直到其中一份的量符合需要（一般每份1克左右）為止。      
        (3)分樣器法：將實驗室樣品全部倒入分樣器中，經過分樣器均分后取出其中一份，如這一份的量還多，應再倒入分樣器中進行縮分，直到其中一份（或幾份）的量滿足要求為止。

2. 介質：用BT-2002型水煤漿激光粒度分布儀進行粒度測量前要先將樣品與水在試樣池中混合配制成一定濃度的懸浮液，用于配制懸浮液的水叫做 介質。用于水煤漿粒度測試的介質一般用較干凈的自來水就可以了。如果自來水所含的雜質較多，則應經過沉淀或過濾等凈化處理后再用。檢查自來水是否可以直接 用來做介質的方法一是用肉眼觀察，看有無明顯的懸浮物；二是進行背景測量，看背景框中的右端是否有連續的信號出現。如果上述兩點是肯定的，那么所用的水就 應該進行凈化處理了。

3. 分散劑：分散劑是指加入到介質中的少量的能使介質表面張力顯著降低，從而使顆粒表面得到良好潤濕作用的物質。水煤漿常用的分散劑有六偏磷酸 鈉、焦磷酸鈉等。分散劑的作用有二，其一可以加快"團粒"的分解，使顆粒處于單個顆粒狀態；其二可延長單個顆粒重新團聚成"團粒"的時間。在測量過程中應 根據樣品的不同，選用相應的分散劑。分散劑的用量不宜太多，一般為介質重量的千分之二至千分之五之間，使用時將分散劑按上述比例加到介質中，待分散劑充分 溶解后即可使用。

4. 樣品濃度：將加有分散劑的水約500ml加到循環泵試樣池中，然后加入適量待測樣品(約1克)并打開攪拌器和超聲波分散器對樣品進行攪拌分散 約3分鐘。配制懸浮液的關鍵是要掌握好樣品的濃度。由于水煤漿的粗細程度，比重、光學特性等都有所不同，所以對不同樣品來說懸浮液的濃度也各不相同。一般 說來，樣品越細，用量越少；樣品越粗，用量就越多。懸浮液的濃度終要滿足濃度測量時光能分布的要求，一般要求濃度測量是光能分布大值為20--60之 間，特殊情況應根據實驗確定合適的濃度值。懸浮液的濃度太大或太小對測試都是不利的。濃度過大，顆粒間的相互作用加劇，從而影響正常的顆粒狀態；濃度過 小，樣品代表性差。這些都將對測試結果產生不利影響。

5. 測試：調整好樣品的濃度，就可以進行測試了。測試時可以設定多次測試模式，測試結束后可以打印、保存測試結果。根據水煤漿及其粒度分布的特 點，國家水煤漿工程技術中心和丹東百特儀器有限公司合作，在一年多的時間里經過上百次的試驗和不斷*，于2002年研制成功適合水煤漿粒度測試的新型的 激光粒度儀-----BT-2002型激光粒度儀。結束了水煤漿粒度測試儀器依賴進口的歷史，為國內水煤漿廠家提供了一種價格低、性能好，維修方便。 服務及時、另配件供應充足的一種新型的激光粒度儀。該儀器自研制成功以來，已經為遼寧、山東、山西、北京、云南、黑龍江等多家水煤漿企業和科研單位選用， 受到廣泛好評，產生了良好的社會效益和經濟效益。通過進一步的普及推廣，BT-2002型水煤漿激光粒度儀必將對水煤漿產業的發展做出更大的貢獻。