飞灰取样器中无机矿物粉末也强烈地吸收微波功率

一、    微波测碳原理

在锅炉内火焰的高温条件下，凡未燃烧的煤粉都转化为石墨微粒（参考文献1）。在微波电磁场中作为一种导体的石墨微粒中感生了微波电流。这电流流过石墨的体积电阻而产生焦耳热。这就是石墨微粒吸收微波能量（功率）的机理。显然，飞灰中包含的石墨微粒越多，它吸收微波能量的作用就越强，反之亦然。

根据电磁场理论，石墨微粒吸收微波功率的公式如下式表述（参考文献2）

P_C＝½σ∫| E |² d v                       （1）

              v

（1）式中σ为石墨微粒的等效电导率, E为微波电场强度的振幅。

（1）式的积分应遍及被微波照射到的全部石墨颗粒所占的体积V。

二、    煤种改变引起测碳误差的原因：

如果占飞灰取样器总量绝大多数的（除了石墨颗粒以外）其他无机矿物粉末不吸收微波功率的话，我们只要测出飞灰吸收的微波功率，那就等同于碳（石墨）吸收的微波功率，从而能够测出飞灰中的含碳量。但是在目前国内广泛使用的3厘米波长（频率为8-10G_HZ）的微波信号下，飞灰取样器中无机矿物粉末也强烈地吸收微波功率。这些无机矿物粉末不导电，称为电介质。在电场力作用下电质分子中的正负电荷沿电场力分别向相反方向位移而形成偶极子（这过程称为电介质的极化）。当电场交变时偶极子便发生振动。振动的摩擦作用消耗了微波电磁场的能量。这称为电介质的极化损耗。

电介质吸收的微波功率由下式表述（参考文献2）

P_d＝½ωε″∫| E |² d v                        （2）

               v

（2）式中ε″为电介质复介电常数的虚部,ω为微波角频率。引入电介质物理学的德拜方程（参考文献3）

ε″＝(ε_{s －}ε_∞) ωτ/（1＋ω²τ²）                  （3）

（3）式中ε_s为电介质的静态介电常数，ε_∞为光频介电常数，τ为电介质的弛豫时间（参考文献3），即对电介质施加电场后极化过程建立所须经历的时间。由于煅烧后生成的无机矿物粉末中的各种成分都是由少数原子构成的金属或非金属的氧化物分子组成（参考文献4），所以它们的弛豫时间远比煤粉的小（参考文献6），即τ＜＜10^-11秒。

在通常应用的微波频段f＜10G_HZ满足下列关系式

ω²τ²＜＜1

所以（3）式可以简化为

ε″＝(ε_s －ε_∞) ωτ                       （4）

将（4）式代入（2）式得到无机矿物粉末吸收的微波功率

P_d≈½(ε_s －ε_∞) ω²τ∫| E |² d v                  （5）

                              v

微波测碳传感器测到的是飞灰吸收的全部功率

P_a＝P_c＋P_d

其中P_c是和飞灰中含碳（石墨）量成正比的项，而P_d是一干扰项。

在（5）式中，因式（ε_s －ε_∞）τ是取决于无机矿物粉末化学成分的参数。当煤种改变时（ε_s －ε_∞）τ可以相差极为悬殊，因此P_d也相差十分悬殊。在目前国内广泛使用的3厘米波长的微波频段（f ＝ 8 ～ 10G_HZ）变化不定的P_d值叠加到碳（石墨）吸收的微波功率之上，成为一种强大的干扰，破坏了系统的精度。实测表明，煤种改变所引起的测碳误差可达飞灰含碳量的十个百分点。这些3厘米波段的微波测碳传感器如图1、2、3所示。