NGAM-2008天然射線灰分儀在西南地區(qū)選煤廠的應(yīng)用

葛學(xué)海，白云飛，陳 鵬，張立功，張廣超

(開封市測控技術(shù)有限公司，河南省 開封市 475000)

NGAM-2008天然射線灰分儀在西南地區(qū)選煤廠的應(yīng)用

葛學(xué)海，白云飛，陳 鵬，張立功，張廣超

(開封市測控技術(shù)有限公司，河南省 開封市 475000)

針對我國西南地區(qū)的煤質(zhì)情況，分析了應(yīng)用有源灰分儀檢測的問題，闡述了天然射線灰分儀的原理，基于煤樣的天然放射性測試結(jié)果，分析了該灰分儀在攀煤集團和代池壩選煤廠的應(yīng)用情況?，F(xiàn)場應(yīng)用表明：天然射線灰分儀的使用效果良好，完全滿足用戶的要求，在西南地區(qū)具有較好的應(yīng)用推廣價值。

天然射線灰分儀；有源灰分儀；高灰分測量；測量精密度

我國西南地區(qū)四省市(一般指四川省、貴州省、云南省及重慶市)的煤炭保有儲量為843.4億t，占全國的8.8%，基礎(chǔ)儲量占11%。西南地區(qū)的煤炭資源豐富，煤種齊全，是我國重要的煤炭生產(chǎn)基地之一[1-2]。但是，該地區(qū)煤礦煤層薄、地質(zhì)變化大、賦存條件差，原煤質(zhì)量很不穩(wěn)定，突出表現(xiàn)為灰分高、且波動較大，目前這些地區(qū)原煤灰分大部分采用人工檢測。生產(chǎn)實踐表明，人工取樣檢測工序多，數(shù)據(jù)滯后，人為因素多，監(jiān)管成本高，工人工作環(huán)境差，勞動強度大[3]，不符合現(xiàn)代企業(yè)要求實現(xiàn)煤質(zhì)快速準確檢測、減員降本增效的管理目的。尤其是在當前煤炭行業(yè)形勢低迷的背景下，煤炭生產(chǎn)和洗選加工企業(yè)為了確保供需雙方的經(jīng)濟利益，尋求更大的經(jīng)濟效益，需要煤質(zhì)檢測的公開、公平、公正，以避免煤質(zhì)糾紛，創(chuàng)造良好的內(nèi)部市場環(huán)境，因而急需一種可準確、高效、自動化的灰分在線檢測儀器，因而在線灰分自動測量設(shè)備替代人工灰分檢測是當前的發(fā)展趨勢。目前，行業(yè)內(nèi)常用到的在線灰分檢測設(shè)備主要有基于雙放射源的有源在線灰分儀和無放射源的天然射線在線灰分儀兩類。

1 有源在線灰分儀

1.1 有源灰分儀原理

有源灰分儀檢測灰分是基于射線透射原理(圖1)，使用了兩個γ射線放射源：高能放射源137Cs和低能放射源241Am。高低能量γ射線與物質(zhì)相互作用機制不同，高能射線的穿透衰減只與煤層的質(zhì)量厚度有關(guān)，而低能射線的穿透衰減不僅與煤層的質(zhì)量厚度有關(guān)，還與煤的灰分含量有關(guān)，組合兩種射線穿透強度的測量就可確定出灰分，并能自動補償煤層厚度及散密度變化對測量結(jié)果的影響[4]。

圖1 有源灰分儀灰分檢測示意圖

1.2 有源灰分儀的應(yīng)用

受復(fù)雜地質(zhì)條件的影響，西南地區(qū)的原煤灰分普遍偏高，多數(shù)入選原煤灰分在40%以上，例如：攀枝花煤業(yè)集團精煤公司入選花山煤礦的原煤待測灰分為55%左右，廣旺能源代池壩選煤廠的入廠原煤待測灰分為45%左右。根據(jù)《EJ/T 1078—1998 γ輻射煤灰分測量儀》的要求：灰分儀的檢測上限為50%，當待測灰分在30%～50%時，灰分儀的檢測精度要<2.5%[5]。但是，有源灰分儀使用的241Am是低能放射源，能量只有60 keV，對灰分含量很敏感，待測煤流的灰分越大，對低能射線的阻擋吸收越強烈，導(dǎo)致有源探測器探測到的有效射線數(shù)量太少，信噪比下降，精度降低。因此，對于待測灰分超過檢測上限的煤炭，有源灰分儀的使用效果不是很理想。

1.3 有源灰分儀的問題

針對高灰分煤流的在線檢測，若要提高有源灰分儀的檢測精度，從技術(shù)角度處理就必須加大放射源的活度，以提高探測器的信號接收概率。而有源灰分儀普遍使用的是活度300 mCi的四類放射源[6]，若再加大源強，環(huán)保安全風(fēng)險會更大，國家的監(jiān)管力度會更嚴格，相關(guān)的防護措施等級會更高，設(shè)備的成本升高，使用性價比會顯著降低，而且也加大了用戶的維護難度。使用用戶本來就對放射源的使用有畏懼心理，因此在高灰分測量領(lǐng)域應(yīng)用有源灰分儀普遍未得到用戶的認可。相比之下，應(yīng)用無放射源的新型天然射線灰分儀則可以很好地解決高灰分原煤在線灰分測量的問題。

2 天然射線灰分儀

天然放射性在自然界中普遍存在，煤炭也不例外，煤中的礦物成分都含有不同程度的頁巖，而頁巖中往往含有微量天然放射性元素，如鉀、釷、鈾等。對于一定質(zhì)量的煤炭，其天然放射性強度的大小與灰分含量呈正相關(guān)關(guān)系，通過預(yù)先對天然放射性強度和灰分的關(guān)系進行標定，就可用已測定煤的天然放射性強度確定煤中的灰分。在美國、澳大利亞和新西蘭，許多實驗室都應(yīng)用這種方法測定灰分[7]。該方法要求探測器足夠靈敏，并充分屏蔽外界噪聲，同時需要利用大數(shù)據(jù)量的能譜分析計算技術(shù)，才能實現(xiàn)在線灰分實時測量。

隨著我國核探測材料制造工藝的進步，大尺寸閃爍晶體怕振動、易碎的難點已經(jīng)攻克，可以制造出高靈敏度的射線探測器，而且隨著大規(guī)模半導(dǎo)體嵌入式技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)場分析儀表的嵌入式處理器也完全可以實現(xiàn)短時間、高復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算。2012年，開封市測控技術(shù)有限公司研制出國內(nèi)第一臺無源在線灰分儀——NGAM-2008天然射線灰分儀(圖2)，并成功在兗礦集團東灘選煤廠應(yīng)用[8]，從而開啟了我國煤炭灰分無源檢測的先河。該灰分儀使用基于大尺寸閃爍晶體的高靈敏度探測器探測煤中痕量的天然射線信號，利用合金材料屏蔽體屏蔽外界干擾，降低本底影響以提高信噪比，利用能譜分析技術(shù)統(tǒng)計多種放射性元素的含量，可以快速給出1 min可信的灰分數(shù)據(jù)，測量精密度最好可達到0.3%。

相對于有源灰分儀，NGAM-2008天然射線灰分儀不使用放射源，不需要環(huán)保部門的監(jiān)管審批，并配有負荷稱重裝置，除了可給用戶提供灰分信息，同時還可以給出可信的產(chǎn)量信息，產(chǎn)量計量精度優(yōu)于0.5%。

圖2 NGAM-2008天然射線灰分儀結(jié)構(gòu)原理圖

3 西南地區(qū)煤樣的評估

為了評估NGAM-2008天然射線灰分儀在西南地區(qū)選煤廠應(yīng)用的可能性，降低儀器在現(xiàn)場使用的技術(shù)風(fēng)險，從四川、重慶、貴州等地取得了相關(guān)煤樣進行實驗室測試評估。表1是選取的攀枝花煤業(yè)集團小寶鼎煤礦、重慶能源南桐選煤廠及貴州永貴能源五鳳選煤廠等地煤樣的天然放射性強度測試結(jié)果。

表1 西南地區(qū)相關(guān)煤樣的天然放射性測試結(jié)果

注：cps指探測器統(tǒng)計得到的煤樣每秒鐘發(fā)出天然射線的計數(shù)值。

根據(jù)對煤樣的測試結(jié)果進行評估，可以出如下結(jié)論：

(1)來自四川、重慶、貴州的煤樣均具有天然放射性，排除環(huán)境本底的影響后，比對從全國各地礦區(qū)取得的80余個煤樣，西南地區(qū)煤樣的天然放射性核素含量處于較高水平。

(2)同一礦區(qū)的煤樣(如小寶鼎煤礦)，其天然放射性強度與灰分呈顯著的正相關(guān)性：灰分越高，天然放射性強度越強。

此外，攀煤集團花山礦、太平礦、廣旺代池壩選煤廠的煤樣經(jīng)測試也均具有上述特征。因此，西南地區(qū)的煤樣完全滿足天然射線灰分儀測量的基本要求，其高灰、高放射性特點非常適合天然射線灰分儀測量。

4 天然射線灰分儀的應(yīng)用情況

自2013年4月以來，四川、重慶等地區(qū)先后推廣應(yīng)用了5臺天然射線灰分儀，從用戶的反饋來看，均取得了良好的應(yīng)用效果。

4.1 攀煤集團精煤公司的應(yīng)用

為保證煤質(zhì)檢測的公開、公平、公正，確保供需雙方的經(jīng)濟利益，攀枝花煤業(yè)集團精煤分公司于2014年3月在格洗車間安裝了一臺NGAM-2008天然射線灰分儀，用于替代原人工取樣檢驗，進行礦、廠雙方的原煤結(jié)算灰分檢測，以達到減少人為因素，降低管理成本，實現(xiàn)原煤灰分自動化、連續(xù)化、高效化地在線測量的目的?；曳謨x所在膠帶輸送機帶寬為1 000 mm、帶速為2.46 m/s，運量為400 t/h，待測煤流灰分為45%～65%。

灰分儀正式投用后，攀煤集團公司對該灰分儀的測量結(jié)果進行了隨機檢驗，以檢查其實際使用效果。表2是11組抽檢比對結(jié)果記錄，比對、評價方法參照GB/T 19952—2005《煤炭在線分析儀測量性能評價方法》、EJ/T 1078—1998《γ輻射煤灰分測量儀》的規(guī)定進行。

表2 攀枝花煤業(yè)集團煤樣灰分的測量值與化驗值

根據(jù)國家標準GB/T 19952—2005《煤炭在線分析儀測量性能評價方法》：以均方根誤差作為測量誤差，綜合表2比對數(shù)據(jù)，計算出該天然射線灰分儀的測量精度為1.49%[9]，完全滿足使用要求。

4.2 代池壩選煤廠的應(yīng)用

廣旺能源代池壩選煤廠為群礦型選煤廠，主要入選代池壩、趙家壩及石洞溝3個煤礦的原煤，設(shè)計能力1.50 Mt/a，待測原煤灰分范圍為26%～78%，平均56.14%，原煤質(zhì)量較差[10]。集團為了廠礦內(nèi)部考核結(jié)算，于2015年3月在該廠9#裝載點入廠膠帶上安裝了一臺NGAM-2008天然射線灰分儀，用于實時檢測入選原煤的質(zhì)量。安裝灰分儀的膠帶輸送機帶寬為800 mm，帶速為1.6 m/s，運量為300 t/h，傾角0°，環(huán)境條件非常適宜灰分儀的安裝及使用。

表3所示是2015年4月20日集團與廠、礦三方聯(lián)合組織的比對實驗的記錄數(shù)據(jù)。

根據(jù)國家標準GB/T 19952—2005《煤炭在線分析儀測量性能評價方法》，并綜合表3比對數(shù)據(jù)，計算該天然射線灰分儀的測量精度為1.08%，也滿足生產(chǎn)使用要求。

表3 代池壩選煤廠煤樣灰分的測量值與化驗值Table 3 Comparison of measured and assay ash values of coal samples from Daichiba Coal Preparation Plant %

此外，代池壩選煤廠利用地磅稱重系統(tǒng)，使用大煤量對該灰分儀的產(chǎn)量累計功能進行兩次物料試驗考核，考核的結(jié)果(表4)顯示：該灰分儀的產(chǎn)量累計精度遠優(yōu)于廠家保證的0.5%，已達到0.25級皮帶秤的效果。

表4 代池壩選煤廠NGAM-2008灰分儀產(chǎn)量累計功能試驗結(jié)果

5 結(jié)論

截止2016年5月，西南地區(qū)的攀煤集團、廣旺能源及重慶能源等用戶已安裝使用天然射線灰分儀5臺，結(jié)合西南地區(qū)用戶反饋的實際應(yīng)用，該灰分儀可取得了如下良好效果：

(1)對50%左右的超高灰煤炭，該灰分儀測量精度在1.5%以內(nèi)，完全達到EJ/T 1078—1998《γ輻射煤灰分測量儀》的規(guī)定：當待測灰分>30%，測量精度小于2.5%。灰分儀的測量精度符合生產(chǎn)要求，得到了使用用戶的一致認可。

(2)該灰分儀不使用放射源，安全可靠，不需要額外的環(huán)保審批，管理成本低，并且設(shè)備的維護量小。從生產(chǎn)實踐看，在應(yīng)用的3年多時間里，天然射線探測器、能譜分析儀等核心部件穩(wěn)定運行，未出現(xiàn)過重大停機故障，運行效果良好。

(3)該灰分儀可以用于集團公司內(nèi)部的礦方和洗煤廠之間的內(nèi)部考核和結(jié)算，可實時在線監(jiān)測入選原煤質(zhì)量，并根據(jù)反饋灰分信息，及時指導(dǎo)生產(chǎn)。

(4)該灰分儀還可以為用戶帶來可觀的經(jīng)濟效益。以攀枝花煤業(yè)集團為例，安裝在線無源灰分儀后，檢測結(jié)果可得到用戶認可，每班可少安排采樣、制樣、化驗、監(jiān)管人員5人，按每天兩班組織生產(chǎn)，每人每年工資按4.5萬元計算，可減少安排兩個班的人工共10人，年節(jié)省工資成本支出45萬元。

(5)此外，該灰分儀除可給出實時灰分數(shù)據(jù)，還可以給出可信的產(chǎn)量計量信息，累計量精度優(yōu)于0.5%，可實現(xiàn)煤質(zhì)、煤量一體化檢測，極大方便了用戶的生產(chǎn)管理。

綜合上述的實際使用效果可見，天然射線灰分儀非常適合在原煤灰分高，且煤質(zhì)波動大的西南地區(qū)的煤礦、選煤廠等企業(yè)使用，不僅可以取得好的應(yīng)用效果，還能夠創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益，極具市場推廣價值。

[1] 貴州省《中國現(xiàn)代煤炭市場體系建設(shè)》課題組.關(guān)于西南地區(qū)現(xiàn)代煤炭體系建設(shè)的建議[C].2006'中國煤炭市場高峰論壇論文集:178-181.

[2] 秦云虎，王雙美，張 靜，等.中國西南地區(qū)動力用煤資源分級評價指標及資源量構(gòu)成[J].中國煤炭地質(zhì),2013(9)：1-5.

[3] 彭 勇，張江云，柏仁宣.NGAM-2008天然射線灰分儀在原煤煤質(zhì)檢測中的研究應(yīng)用 [J] .煤質(zhì)技術(shù)，2014 (S1)：57-59.

[4] 馬永和，楊英范.同位素方法檢測煤炭灰分的進展 [J] .東北煤炭技術(shù)，1995(6)：52-59.

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[6] 張志康，卓韻裳，林 謙，等.γ輻射煤灰分儀[M] .北京：原子能出版社，1999．

[7] 蔡少輝.核技術(shù)在煤質(zhì)在線分析中的應(yīng)用狀況 [J] .核電子學(xué)與探測技術(shù)，1993 (6)：361-368.

[8] 葛學(xué)海，白云飛，陳 鵬，等. NGAM-2008天然射線灰分儀在東灘選煤廠的應(yīng)用 [J] ．選煤技術(shù)，2014(4)：69-72.

[9] 楊華玉.γ射線在線灰分分析儀的操作測量性能評價方法 [J] .煤質(zhì)技術(shù)，2007(3)：31-32.

[10] 劉 輝. 四川代池壩選煤廠原煤分選工藝研究 [J] .煤炭科學(xué)技術(shù)，2013(S1)：406-408．

Application of the NGAM-2008 natural gamma-ray ash monitor at coal preparation plants in southwest China

GE Xue-hai, BAI Yun-fei, CHEN Peng, ZHANG Li-gong, ZHANG Guang-chao

(Kaifeng Measurement & Control Technology Co., Ltd., Kaifeng 475000, Henan, China)

The coal produced in southwest China fluctuates widely in ash content. Following an analysis of the problems encountered in determination of the ash of the coal using active ash monitor, the paper goes to introduce the working principle of the natural gamma-ray ash monitor as well as the result of test made with coal sample and field application at the washery of Panzhihua Coal Group and Daichiba Coal Washery. Practice shows the ash monitor can work with a performance well up to the requirement of the plants, and its widespread application in southwest China is well warranted.

natural gamma-ray ash monitor; active ash monitor; high-ash coal measurement; measuring accuracy

1001-3571(2016)04-0063-04

TD948.9

A

2016-06-28

10.16447/j.cnki.cpt.2016.04.017

葛學(xué)海(1963—)，男，河南省開封市人，高級工程師，從事煤質(zhì)在線檢測設(shè)備的研究與推廣工作。

E-mail：gexuehai@kfckgs.com Tel：13903780236

葛學(xué)海，白云飛，陳 鵬，等. NGAM-2008天然射線灰分儀在西南地區(qū)選煤廠的應(yīng)用[J]. 選煤技術(shù),2016(4)：63-66.