煤炭灰分在線檢測(cè)技術(shù)對(duì)比分析

董媛媛

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.煤炭工業(yè)節(jié)能監(jiān)測(cè)中心，北京 100013)

在一定溫度下，煤炭經(jīng)過完成燃燒后，所殘留的固態(tài)物質(zhì)所占總體殘留物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)就是煤炭灰分。應(yīng)用傳統(tǒng)化學(xué)方式來對(duì)煤炭灰分進(jìn)行檢測(cè)，這種方式屬于離線分析，耗費(fèi)時(shí)間較多，而且無法及時(shí)指導(dǎo)生產(chǎn)。引入煤炭灰分在線檢測(cè)技術(shù)后，能夠?qū)瘜W(xué)檢測(cè)法所帶來的一系列問題進(jìn)行很好地處理，極大地提高煤炭生產(chǎn)合格率，促進(jìn)現(xiàn)代化工廠的發(fā)展。所謂，煤炭灰分在線檢測(cè)技術(shù)，其核心技術(shù)就是輻射測(cè)量技術(shù)。其中，在20世紀(jì)六十年代的時(shí)候，就已經(jīng)有許多的專家學(xué)者對(duì)應(yīng)用放射性同位素來對(duì)煤炭灰分進(jìn)行測(cè)量開展研究工作。到目前為止，較為常見的煤炭灰分在線檢測(cè)技術(shù)包括：雙能量γ射線透射技術(shù)、X射線熒光分析以及中子活化瞬發(fā)γ射線分析技術(shù)等。不同的在線檢測(cè)技術(shù)適用著不同的環(huán)境范圍，其產(chǎn)生的效果也各有不同。

1 檢測(cè)原理

煤炭灰分在線檢測(cè)技術(shù)主要依賴于輻射測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)的理論基礎(chǔ)就是將煤炭當(dāng)做兩種原子序數(shù)元素的混合物，這兩種原子序數(shù)元素一種是以C為主要元素，平均值為6，簡(jiǎn)稱為低Z元素[1]。而另外一種元素是將Al、Si作為主要元素，其原子序數(shù)平均值高于12，也被稱為高Z元素?；诨瘜W(xué)法來對(duì)煤炭灰分進(jìn)行分析，可以看出Al2O3和SiO2的含量非常高，并且這兩種元素在氧化物中占比近乎一半，因此人們常說高Z元素在煤炭灰分中占比50%的結(jié)論是具有可靠性的[2]。通過適當(dāng)方式測(cè)出煤炭中高Z元素的質(zhì)量分析，再將這個(gè)數(shù)值與近似為Z的常數(shù)相乘，便可得到煤炭的灰分值。如果采用輻射測(cè)量法來對(duì)煤炭灰分進(jìn)行測(cè)量，那么需要對(duì)某種射線強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，而且射線強(qiáng)度和射線在煤炭中起到的作用有著密切關(guān)系，在物質(zhì)中，射線衰減主要遵循一個(gè)指數(shù)衰減規(guī)律：

I=I0×e-μpd

其中，I指的是射線衰減之后的強(qiáng)度；I0則是射線的初始強(qiáng)度；μ指的是質(zhì)量衰減系數(shù)；p表示物質(zhì)密度；而d為物質(zhì)厚度[3]。這個(gè)物理規(guī)律要想成立，必須滿足兩個(gè)條件：①射線為“窄束”，②確保射線準(zhǔn)直。

2 煤炭灰分在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1 雙能量γ射線透射技術(shù)

所謂能量γ射線透射技術(shù)，就是利用低能γ射線和中能γ射線有效結(jié)合，之后對(duì)煤炭灰分進(jìn)行測(cè)量。其中，低能γ射線的衰減程度和物質(zhì)中的高Z元素有著密切關(guān)系，也就是檢測(cè)出高Z元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[4]。另外，中能γ射線是對(duì)其他元素的衰減程度進(jìn)行檢測(cè)，由于衰減和吸收都只是與煤炭的質(zhì)量厚度存在聯(lián)系，所以該方式能夠校對(duì)煤炭厚度。

基于透射技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)射線準(zhǔn)直，進(jìn)而滿足一般的衰減規(guī)律。受到厚度、粒度等因素的影響，使得實(shí)際應(yīng)用精度高于大部分的灰分檢測(cè)設(shè)備。經(jīng)過分析，可以看出該技術(shù)有著明顯優(yōu)勢(shì)：

1) 不存在垂直偏析情況[5]。

2) 直接針對(duì)處于輸煤傳送帶上的煤炭進(jìn)行灰分測(cè)量，不需要采取其他附加設(shè)備。

3) 灰分測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍較大。

4) 具有良好的輻射安全性，而且性能價(jià)格比較高，到目前為止，應(yīng)用非常廣泛。

2.2 天然γ射線測(cè)量法

天然γ射線測(cè)量法的檢測(cè)原理就是利用煤炭自身所具備的γ粒子數(shù)量來得出煤炭灰分。因?yàn)槊禾恐泻卸喾N天然γ射線元素，所以對(duì)這些放射性物質(zhì)所帶來的計(jì)數(shù)率進(jìn)行檢測(cè)便可清晰地反映出煤炭中的物質(zhì)含量，最后確定灰分。該檢測(cè)公式為：

Ad=AK+BU+CTh+D

其中，A、B、C、D都屬于常數(shù)，基于煤炭種類進(jìn)行劃分，將K、U、Th分別定義為鉀、鋰、釷三種放射性元素的強(qiáng)度，該方式具有不需要使用放射源的優(yōu)勢(shì)[6]。

其缺點(diǎn)分為幾種：第一，天然γ射線元素和其他元素含量沒有必然聯(lián)系，當(dāng)在特定礦點(diǎn)中，二者之間的聯(lián)系確定了方案的可行性，所以有些地方能夠測(cè)量，有些地方無法測(cè)量，不適用于測(cè)量混煤。第二，測(cè)量γ計(jì)數(shù)率有著巨大難度，很容易受到環(huán)境因素的影響。相比土壤和水泥，煤炭放射性較低，灰分越低，越容易受到環(huán)境因素影響[7]。

2.3 中子活化瞬發(fā)γ射線分析技術(shù)

中子活化指的是中子被原子俘獲后逐漸帶有放射性的過程。由于物質(zhì)和中心的原子核的功能作用較為復(fù)雜，能夠在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生不同的γ射線，也叫作特征γ射線。這種作用通常分為為兩種：非彈性散射和俘獲反應(yīng)[8]。當(dāng)采用中心照射技術(shù)來對(duì)煤炭中各個(gè)元素所形成的特征γ射線進(jìn)行測(cè)量，能清晰地獲取到H、Al、Si 等元素的含量，從而計(jì)算出發(fā)熱量和灰分等。中子活化分析技術(shù)的核心就是挑選中子源，常見的有三種選擇方案。第一種為252Cf裂變中子源；第二種為Am-Be中子源；第三種為中子管。

其中，252Cf裂變中子源所發(fā)射的中子通量較高，而且其他干擾射線數(shù)量很少，屬于比較理想的分析源。但是由于自身因素，會(huì)受到幾方面的限制。比如，半衰期短，一般僅有2.65 a，另外成本較高，生產(chǎn)過程需要采取高通量中子進(jìn)行反應(yīng)，造價(jià)過高。最后，貨源無法保障。該物質(zhì)被公認(rèn)為最難買的放射源。

中子管能夠進(jìn)行人為控制，所發(fā)射中子的能量為14Mev，基于非彈性散射方式來對(duì)C和O進(jìn)行測(cè)量，并使用熱中子的俘獲反應(yīng)來對(duì)其他元素進(jìn)行測(cè)量。由于中子管壽命周期較短，國(guó)產(chǎn)設(shè)備能夠使用幾百小時(shí)，而國(guó)外設(shè)備能夠應(yīng)用幾千小時(shí)，但是造價(jià)也比較昂貴。

Am-Be中子源，其原理是Am-241衰變而發(fā)射出來的射線對(duì)Be進(jìn)行轟擊從而形成中子。該中子能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于5MeV，所以能夠通過非彈性散射和俘獲反應(yīng)來對(duì)煤炭灰分進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)橹凶有纬墒怯搔辽渚€對(duì)Be進(jìn)行轟擊，這種方式產(chǎn)生率較低。如果應(yīng)用在線檢測(cè)技術(shù)，該中子源的活度高于1 100 GBq[9]。該技術(shù)具有幾方面缺點(diǎn)：

其一，該技術(shù)所形成的特征γ射線能量很高，通常在1～10MeV范圍內(nèi)，會(huì)對(duì)測(cè)量造成影響。一方面測(cè)量效率較低，射線很容易透過檢測(cè)器而無法被檢測(cè)到[10]。另一方面，所檢測(cè)的全能峰占比較小，難以形成具有特征的γ射線全能峰，這些都會(huì)對(duì)后期測(cè)量帶來影響。

其二，特征γ射線能譜比較復(fù)雜，由于煤炭中有著多種元素，并且都具有特征γ射線，要是全部開展測(cè)量，會(huì)消耗大量精力[11]。

2.4 射線熒光分析

應(yīng)用該技術(shù)測(cè)量煤炭灰分的檢測(cè)原理為：通過初始射線對(duì)煤炭樣本進(jìn)行照射，能夠讓煤炭中其他元素的特征X射線充分激發(fā)，并對(duì)這些特征X射線進(jìn)行測(cè)量，便能夠測(cè)量出這些元素的含量。該技術(shù)對(duì)于高原子序數(shù)的元素有著較高的敏感度，相對(duì)而言，原子序數(shù)高，被激發(fā)的可能性越高，所產(chǎn)生的X射線越多[12]。煤炭灰里面富含Al和Si元素，但是這兩種元素的原子序數(shù)比較低，所以產(chǎn)生的特征X射線較少，對(duì)于后續(xù)測(cè)量后者不利影響。

除此之外，原子序數(shù)低，所產(chǎn)生的特征X射線能量也比較低[13]。比如，煤炭中的Si和Al，這兩種物質(zhì)所發(fā)射出來的特征X射線容易被空氣吸取。同理，特征X射線的穿透能力很差，僅有幾十微米，所以只可以測(cè)量到表面[14]。為保障測(cè)量精度和可靠性，需要采用專業(yè)的制樣系統(tǒng)，對(duì)煤炭進(jìn)行處理，變?yōu)榱６刃∮?.2 mm的顆粒。另外，在對(duì)特征X射線進(jìn)行熒光分析時(shí)，流程過于繁瑣復(fù)雜，而且花費(fèi)成本較高，這些外在因素對(duì)于技術(shù)的應(yīng)用有著一定的限制作用[15]。

2.5 激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析

該技術(shù)的檢測(cè)原理就是通過高能脈沖激光來對(duì)煤炭表面進(jìn)行照射，在一定范圍內(nèi)溫度逐漸提高，導(dǎo)致煤炭?jī)?nèi)生成等離子體，其內(nèi)部元素發(fā)出光亮，對(duì)光譜進(jìn)行測(cè)量，能夠得出各類元素在煤炭灰中的具體含量。但是在實(shí)際工作中，存在許多問題：

1) 和煤炭自身的揮發(fā)分存在聯(lián)系。

2) 利用高能激光照射煤炭表面，能夠形成火花，帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)隱患。

3) 該測(cè)量技術(shù)作用范圍較小，而且煤炭取樣比例很低，不具有代表性[16]。

2.6 對(duì)比分析

表1為5種煤炭灰分在線檢測(cè)技術(shù)的對(duì)比分析。

表1 五種煤炭灰分在線檢測(cè)技術(shù)對(duì)比分析

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于煤炭行業(yè)而言，應(yīng)用煤炭灰分在線檢測(cè)技術(shù)，不管是在自動(dòng)裝車配煤，還是在煤炭生產(chǎn)過程監(jiān)控中都有著非常明顯的作用?；诂F(xiàn)代化檢測(cè)技術(shù)，準(zhǔn)確獲取到煤炭灰分中不同元素的含量，從而提高煤炭生產(chǎn)的合格率，推動(dòng)煤炭行業(yè)的健康發(fā)展。通過本文對(duì)五種煤炭灰分在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的對(duì)比分析，得知不同檢測(cè)技術(shù)的各自優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。發(fā)展至今，天然γ射線測(cè)量法和雙能量γ射線透射技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并取得了不小的成果。