基于雙能γ射線的煤炭灰分測(cè)量模型及其應(yīng)用

程棟+滕召勝+黎福海+代揚(yáng)

文章編號(hào)：16742974(2014)05009907

收稿日期：20131209

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAJ24B00）

作者簡(jiǎn)介：程 棟（1978-），男，湖北黃岡人，湖南大學(xué)講師

通訊聯(lián)系人，Email:chengdongchina@163.com



摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)雙能γ射線測(cè)量法檢測(cè)誤差較大以及灰分成分對(duì)檢測(cè)精度影響大的問(wèn)題，建立了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙能γ射線的新型煤炭灰分測(cè)量模型，并應(yīng)用該模型對(duì)煤炭灰分進(jìn)行了在線檢測(cè)試驗(yàn)，實(shí)例分析了兩種雙能γ射線測(cè)量方法在煤炭灰分檢測(cè)中的應(yīng)用情況．試驗(yàn)結(jié)果表明：相比于傳統(tǒng)雙能γ射線測(cè)量法3%的平均相對(duì)誤差，本文提出的基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙能γ射線的灰分測(cè)量法的相對(duì)誤差小于1%，且其測(cè)量結(jié)果不受灰分組成成分的影響.同時(shí)，利用X射線熒光光譜分析法（XRF）分析了灰分的化學(xué)組分與其含量的關(guān)系，研究了灰分化學(xué)組分對(duì)雙能γ透射法檢測(cè)結(jié)果的影響．結(jié)果表明：煤炭中Fe,Ca,Mg和S元素的含量會(huì)影響雙能γ射線透射法的檢測(cè)精度，其成分含量波動(dòng)越大，檢測(cè)結(jié)果誤差也越大.

關(guān)鍵詞：煤；灰分；雙能γ射線；模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；化學(xué)組分

中圖分類號(hào)：TD94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Coal Ash Measurement Model and Its Application

Based on Dualenergy γray



CHENG Dong, TENG Zhaosheng, LI Fuhai, DAI Yang

(College of Electrical and Information Engineering, Hunan Univ, Changsha,Hunan 410082, China)

Abstract:In order to decrease the measurement error of the traditional dualenergy γray method and reduce the impact of the ash component on detection accuracy in ash determination, a new coal ash measurement model based on fuzzy neural network and the dualenergy γray was established, and then the model was applied on online testing of coal ash content. The application of the traditional and new coal ash measurement model was analyzed by online testing, and the measurement results of both were comparatively analyzed. The results show that the relative error of ash content using the new method was less than 1%, whilethe average relative error of the traditional measurement was about 3%, and the measurement accuracy of the new method is not affected by the ash component. Meanwhile, the relationship between the chemical composition of coal ash and ash content was analyzed by using Xray fluorescence spectrometry (XRF), and the results indicate that the content of Fe, Ca, Mg and S elements in coal can affect the detection accuracy of traditional dualenergy γray dialysis, the greater fluctuations of their ingredient content result in greater measurement error.

Key words:coal; ash; dualenergy γray; fuzzy neural network; chemical composition



近年來(lái)隨著清潔煤技術(shù)在全球范圍內(nèi)的廣泛使用和發(fā)展，煤炭質(zhì)量和煤炭灰分含量檢測(cè)技術(shù)在煤炭冶金領(lǐng)域得到非常重要的應(yīng)用[1].對(duì)于鋼鐵企業(yè)，煤炭中的灰分每增加1%，將導(dǎo)致煉鐵時(shí)焦比增加2%～2.5%，高爐單產(chǎn)降低2.5%～3%，爐渣增加2.7%～2.9%[2].因此，對(duì)于鋼鐵企業(yè)和電廠而言，控制采購(gòu)和生產(chǎn)時(shí)煤炭中的灰分含量成為降低能耗以及提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段.

煤炭是由可燃燒物質(zhì)和不可燃燒物質(zhì)兩大部分組成，其中可燃燒部分包括C，H，O，N，S等（低Z元素），以C為主，不可燃燒部分為灰分，包括Ca，Mg，Al，Si，F(xiàn)e等（高Z元素）[3-5].當(dāng)前，煤炭灰分的測(cè)定方法主要包括灼燒稱重法、輻射測(cè)量法、天然放射性方法、光電式測(cè)灰法和圖像處理測(cè)灰法等，相比傳統(tǒng)的灼燒稱重法以及其他測(cè)量方法，輻射測(cè)量法中的雙能量γ射線透射法的測(cè)量精度高，受物料的形狀、厚度、粒度、堆密度等因素影響小，性能價(jià)格比高，安全性能好，易于推廣，是目前應(yīng)用最廣泛的煤炭灰分檢測(cè)技術(shù)[6-8].

本文基于雙能γ射線透射法的基本工作原理，研究雙能γ射線透射法在煤炭實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的應(yīng)用，針對(duì)煤炭中灰分化學(xué)組分影響煤炭灰分檢測(cè)結(jié)果，造成檢測(cè)誤差波動(dòng)大的問(wèn)題，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的局部逼近能力，建立了擬合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新型雙能γ射線煤炭灰分檢測(cè)模型，從而有效解決傳統(tǒng)雙能γ透射法誤差波動(dòng)大的問(wèn)題，并通過(guò)對(duì)比灼燒稱重法和傳統(tǒng)雙能γ測(cè)量方法的測(cè)量結(jié)果，驗(yàn)證了該模型的合理性.此外，利用X射線熒光光譜分析法（XRF）對(duì)煤炭的灰分進(jìn)行檢測(cè)，得到煤炭灰分的化學(xué)組分，通過(guò)對(duì)比分析煤炭灰分含量和灰分組成成分的關(guān)系，分析灰分中的不同組分對(duì)傳統(tǒng)雙能γ射線透射法灰分測(cè)量結(jié)果的影響.

1 基于雙能γ射線的煤炭灰分測(cè)量模型

1.1 雙能γ射線煤炭探測(cè)系統(tǒng)

利用雙能γ射線測(cè)量煤炭灰分的依據(jù)是γ射線與物質(zhì)作用僅與物質(zhì)中元素的種類和各自的含量有關(guān)，而與元素組成的化合物分子種類無(wú)關(guān)[9].在低能γ射線的照射下，煤炭中硅、鋁等“高Z元素”原子的光電效應(yīng)截面比碳等“低Z元素”的相應(yīng)截面要大得多，而前者的散射截面卻比后者小[10-11].

對(duì)于不同能量的γ射線，吸收物不同則衰減率不同.低能γ241Am射線穿過(guò)煤炭時(shí)，射線對(duì)灰分變化敏感，煤炭灰分對(duì)射線衰減的影響大，射線通過(guò)煤樣的衰減率與煤炭堆積厚度以及灰分含量有關(guān).中能γ137Cs射線穿過(guò)固定灰分范圍內(nèi)的煤炭時(shí)，灰分對(duì)其衰減的影響較小，煤炭中灰分在固定范圍內(nèi)變化時(shí)，中能γ137Cs射線通過(guò)煤炭的衰減率可近似認(rèn)為不變，射線的衰減量取決于煤炭厚度.因此，測(cè)量雙能γ射線的衰減率可計(jì)算出堆積厚度隨機(jī)變化的煤炭的灰分含量.

雙能γ射線探測(cè)系統(tǒng)主要由射源、NaI探測(cè)器、MCA多頻道分析儀、控制主板以及終端輸出顯示組成，如圖1[1]所示.其中閃爍探測(cè)器測(cè)得的雙能γ射線混合能譜，如圖2[12]所示，采用的NaI閃爍探測(cè)器具有時(shí)間響應(yīng)快、能量分辨率高等特點(diǎn)，在測(cè)量241Am和137Cs的混合γ射線時(shí)，容易把兩者甄別出來(lái).



圖1 煤質(zhì)探測(cè)系統(tǒng)示意圖

Fig.1 Schematic diagram of coal detection system



幅度/V

圖2NaI探測(cè)器能譜示意圖

Fig.2 Typical spectrum of NaI detector

1.2 基于雙能γ射線的煤炭灰分測(cè)量模型

γ能量射線穿越煤層后，其強(qiáng)度按照指數(shù)規(guī)律衰減[4]，即

I=I(xiàn)0exp -μ?ρd+Ib(1)

式中I(xiàn)為衰減后γ射線的強(qiáng)度；I(xiàn)0為初始γ射線的強(qiáng)度；I(xiàn)b為固定裝置吸收的射線強(qiáng)度，其值為常數(shù)，且I(xiàn)b<<I(xiàn)，一般情況下可以忽略；μ為煤樣對(duì)γ射線的吸收系數(shù)；ρ為煤樣層密度；d為煤樣厚度.

對(duì)于低能γ241Am射線和中能γ137Cs射線來(lái)說(shuō)，可得到二者通過(guò)煤層的衰減率為［7-8］：

Ki=Ii－IbI(xiàn)i0=exp (-μi?ρd) (2)

μi=lnI(xiàn)i0Ii－Ib?1ρd(3)

式中i=1表示低能γ241Am射線，i=2表示中能γ137Cs射線；K為γ射線衰減率.

根據(jù)式（3）聯(lián)合低能γ241Am射線和中能γ137Cs射線的吸收率可得到二者的比例系數(shù)R［7-8］：

R=μ1μ2=lnI(xiàn)10I1－IblnI(xiàn)2－IbI(xiàn)20(4)

早前的研究［1-2］表明煤炭灰分含量A與其對(duì)γ射線的質(zhì)量吸收系數(shù)和之間存在一種線性關(guān)系：

A=a+bR(5)

式中a和b是常量，其值取決于所檢測(cè)煤質(zhì)的種類.

對(duì)于不同種類的煤質(zhì)而言，傳統(tǒng)的雙能γ射線透射法是利用γ射線探測(cè)系統(tǒng)得到雙能γ射線吸收系數(shù)比R，并通過(guò)傳統(tǒng)灼燒稱重法檢測(cè)多組煤樣得到各組煤樣的灰分含量，從而擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)得到a和b的確定值.

此外，可以通過(guò)煤炭中“高Z元素”和“低Z元素”對(duì)241Am低能窄束γ射線質(zhì)量衰減系數(shù)計(jì)算得出a和b的確定值[7].煤質(zhì)的總質(zhì)量吸收系數(shù)μ1可通過(guò)煤中第j類元素的質(zhì)量吸收系數(shù)μj及其百分含量Cj按下式計(jì)算得出：

μ1=∑jμjCj(6)

若將煤作為可燃物質(zhì)和不可燃物質(zhì)組成的二元模型，式（5）可簡(jiǎn)化為[7]：

μ1=μHCH+μLCL(7)

且

CH+CL=1(8)

式中下標(biāo)H和L分別表示煤炭中的可燃物質(zhì)和不可燃礦物質(zhì).

聯(lián)立式（7），式（8）和式（4）可知：

CH=μ2μH－μLR－μLμH－μL(9)

早前的研究表明A=2CH，因此式（5）中的a和b可表示為：

a=－2μLμH－μL(10)

b=2μ2μH－μL(11)

式中μH和μL分別為煤炭中的“高Z元素”和“低Z元素”對(duì)241Am低能窄束γ射線質(zhì)量衰減系數(shù).

1.3 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙能γ射線的煤炭灰分

測(cè)量模型

上述兩種方法得到的煤炭灰分線性關(guān)系方程雖然能較為準(zhǔn)確地測(cè)量煤炭中的灰分含量，但由于其測(cè)量結(jié)果容易受到煤炭灰分組成成分等因素的影響，且其誤差波動(dòng)大，難以滿足生產(chǎn)需要.

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在處理非線性、模糊性的信息識(shí)別上有很大的優(yōu)越性，其通過(guò)對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，不斷提高擬合的精度.為了提高雙能γ射線的煤炭灰分測(cè)量結(jié)果的精度，針對(duì)煤炭種類在鋼鐵企業(yè)和電廠變化周期較頻繁的情況，本文采用模糊組分模式識(shí)別方法來(lái)實(shí)現(xiàn)煤炭灰分的準(zhǔn)確測(cè)量，同時(shí)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用于模糊系統(tǒng)，從而克服單純模糊方法自學(xué)習(xí)能力較弱的問(wèn)題，圖3所示為本文建立的基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)煤炭灰分測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖.



圖3 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)煤炭灰分測(cè)量示意圖

Fig.3 Schematic of coal ash measurement 

model based on fuzzy neural network



系統(tǒng)的輸入向量為 x=［x1, x2, …, xn］T，每個(gè)分量xi均為模糊化的語(yǔ)言變量，且T(xi)={A1i, A2i, …, Amii}，其中i=1, 2, …,n， Aji (j=1, 2, …,mi)是xi的第j個(gè)語(yǔ)言變量值，它是定義在模式特征量論域Ui上的一個(gè)模糊集合.相應(yīng)的隸屬函數(shù)為 uji (i=1, 2, …,n；j=1, 2, …,mi；n是輸入量的維數(shù)；mi 是 xi 的模糊分割數(shù)）.

本文建立的基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙能γ射線的煤炭灰分測(cè)量方法的FNN模型如圖4所示.系統(tǒng)輸入的固有特征向量集為{R, I(xiàn)1/I(xiàn)2}, 由試湊法和經(jīng)驗(yàn)法確定其模糊分割數(shù)分別為：m1=2，m2=3，同時(shí)選擇煤灰分含量作為網(wǎng)絡(luò)的模糊輸出.



圖4模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

Fig.4 Schematic of fuzzy neural network structure

圖中第1層為輸入層，該層的各結(jié)點(diǎn)直接與輸入向量的各分量 xi 連接，它起著將輸入值x傳送到下一層的作用.

第2層為模糊分割層，該層的每個(gè)結(jié)點(diǎn)代表輸入向量的一個(gè)語(yǔ)言變量值，其作用是計(jì)算各輸入分量屬于各語(yǔ)言變量值模糊集合的隸屬度函數(shù)uji.系統(tǒng)選擇隸屬度函數(shù)為高斯函數(shù)表示

uji=exp －xi－cij2/σ2ij(12)

式中cij和σij分別表示隸屬度函數(shù)的中心值和寬度.

第3層為推理層，其中每個(gè)結(jié)點(diǎn)代表一條模糊規(guī)則.

αj=min uj11,uj22,…,ujnn(13)

第4層為輸出層，此系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系為

y=∑6j=1ωjαj/∑6j=1αj(14)

式中ωj實(shí)際上也就是該層的連接權(quán).

網(wǎng)絡(luò)模型中需要學(xué)習(xí)的參數(shù)主要是最后一層的連接權(quán)ωj (j=1, 2, …, m)，以及第2層的隸屬度函數(shù)的中心值cij和σij (i=1,2 , …, n; j=1, 2, …, mi).

這里采用誤差代價(jià)函數(shù)來(lái)調(diào)整參數(shù)的學(xué)習(xí)算法.

E=12∑ni=1yi－yid2(15)

式中yid為對(duì)應(yīng) xi的期望輸出.

2 基于雙能γ射線的煤炭灰分測(cè)量模型應(yīng)用

2.1 基于雙能γ射線的煤炭灰分測(cè)量

為了驗(yàn)證基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙能γ射線的煤炭灰分測(cè)量模型測(cè)量的準(zhǔn)確性，本文將對(duì)比傳統(tǒng)雙能γ射線透射法與基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙能γ射線測(cè)量法測(cè)量煤炭灰分的檢測(cè)結(jié)果.

試驗(yàn)選用內(nèi)蒙古某煤礦出產(chǎn)的煤炭作為研究對(duì)象，其灰分含量為1%~37%.為了保證標(biāo)定煤質(zhì)的測(cè)量結(jié)果具有代表性，在總體煤堆中的不同區(qū)域隨機(jī)選取24組試驗(yàn)煤樣.首先，利用雙能γ射線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)獲得各組煤樣低能和中能的總質(zhì)量吸收系數(shù)μ1和μ2，從而得到比例系數(shù)R的值；然后，利用傳統(tǒng)的灼燒稱重法對(duì)其進(jìn)行灰分檢測(cè)，表1所示為試驗(yàn)檢測(cè)得到的各組煤樣R值以及通過(guò)傳統(tǒng)灰分試驗(yàn)獲得的煤炭Acon結(jié)果.

表1 煤質(zhì)吸收系數(shù)比例R和灼燒

稱重法灰分檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

Tab.1 Test results of mass absorption coefficient ratio

R and the ash content of the coal

NO

R

Acon/%

NO

R

Acon/%

1

1.763

17.3

13

1.796

20.6

2

1.784

19.0

14

1.721

13.8

3

1.852

24.0

15

1.821

21.7

4

1.658

7.1

16

1.631

6.0

5

1.843

23.2

17

1.625

5.0

6

1.687

11.0

18

1.646

6.8

7

1.667

8.2

19

1.629

5.8

8

1.802

21.0

20

1.835

22.3

9

1.726

14.2

21

1.681

10.2

10

1.636

6.3

22

1.825

22.0

11

1.807

21.2

23

1.671

9.1

12

1.674

9.9

24

1.773

18.2

從表1可知煤灰分含量Acon和R存在著明顯的線性關(guān)系.利用最小二乘法對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到Acon和R的關(guān)系

Acon=－132.853 4+84.723 1R(16)

其中，截距a=-132.853 4，斜率b=84.723 1，其相關(guān)系數(shù)為0.997 4，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.492 7，擬合的方程如圖5所示.從圖5中可以看出，通過(guò)擬合曲線計(jì)算的煤炭灰分值與傳統(tǒng)方法的測(cè)量值之間誤差較小，誤差在3%左右浮動(dòng)，說(shuō)明擬合線性方程能在一定誤差范圍內(nèi)很好地表示煤炭中灰分含量與雙能γ射線質(zhì)量吸收系數(shù)比例值R之間的關(guān)系.

煤質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)比例R

圖5 煤質(zhì)中灰分含量與質(zhì)量吸收系數(shù)比例R關(guān)系

Fig.5 The relationship between the ash content and mass

absorption coefficient ratio R of the coal



為了驗(yàn)證了本文建立的基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙能γ射線的煤炭灰分測(cè)量模型的合理性，對(duì)傳統(tǒng)雙能γ射線檢測(cè)儀器中的控制主板進(jìn)行相應(yīng)修正，將所建立的新型煤炭灰分檢測(cè)模型應(yīng)用于控制主板.在試驗(yàn)用煤的不同煤層中隨機(jī)選取16組煤樣，利用兩種雙能γ射線測(cè)量方法分別為其中的8組煤樣進(jìn)行灰分檢測(cè)，然后采用灼燒稱重法對(duì)已檢測(cè)的煤樣進(jìn)行傳統(tǒng)灰分測(cè)量，從而驗(yàn)證兩種雙能γ射線測(cè)量方法的檢測(cè)精度.

表2所示為傳統(tǒng)的雙能γ射線透射法和灼燒稱重法的灰分試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比，從中可知雙能γ射線透射法的灰分測(cè)量結(jié)果誤差主要集中在3%左右，但是對(duì)于灰分含量較低的煤炭（5.55%和4.34%），傳統(tǒng)的雙能γ射線透射法的檢測(cè)精度偏離了誤差的正常范圍，分別達(dá)到為8.29%和12.44%.這主要是因?yàn)槊嘿|(zhì)灰分的組成成分會(huì)影響雙能γ透射法的測(cè)量精度，且煤質(zhì)中灰分含量越低，灰分組成的檢測(cè)結(jié)果的影響越大[13].

表2 傳統(tǒng)雙能γ射線透射法煤質(zhì)灰分測(cè)量精度

Tab.2 Coal ash measurement accuracy

of traditional dualenergy γrays dialysis

NO

R

Aγ/%

Acon/%

誤差/%

1

1.736

14.23

14.8

3.85

2

1.780

17.95

17.54

2.34

3

1.744

14.90

15.48

3.75

4

1.718

12.70

12.27

3.50

5

1.758

16.09

15.67

3.70

6

1.731

13.80

13.37

3.22

7

1.613

3.80

4.34

12.44

8

1.639

6.01

5.55

8.29

表3所示為基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙能γ射線煤炭灰分測(cè)量結(jié)果與灼燒稱重法的灰分測(cè)量結(jié)果的對(duì)比，從中可以看出，本文建立的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雙能γ測(cè)量方法的灰分測(cè)量結(jié)果誤差都小于1%，其平均誤差為0.72%，且對(duì)于不同灰分含量的煤炭，其測(cè)量誤差波動(dòng)小，小于0.5%.

表3 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雙能γ射線煤質(zhì)灰分測(cè)量精度

Tab.3 Coal ash measurement accuracy of dualenergy

γrays using fuzzy neural network

NO

R

Aγ/%

Acon/%

誤差/%

1

1.731

13.97

14.04

0.50

2

1.745

15.50

15.38

0.78

3

1.751

15.58

15.66

0.51

4

1.820

20.50

20.66

0.77

5

1.821

22.27

22.48

0.93

6

1.646

7.36

7.41

0.67

7

1.626

4.23

4.26

0.70

8

1.759

15.84

16.0

1.00

綜上所述，相比于傳統(tǒng)雙能γ射線透射法，本文建立的基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙能γ射線煤炭灰分測(cè)量模型的檢測(cè)精度更高，且該方法減少了煤質(zhì)灰分組成對(duì)測(cè)量結(jié)果精度的影響，其測(cè)量精度不受煤炭中灰分含量的影響.

2.2 雙能γ射線透射法誤差分析

為了驗(yàn)證煤中灰分組成成分對(duì)雙能γ透射法灰分測(cè)量精度的影響，本文采用X射線熒光光譜分析法（XRF）分析試驗(yàn)煤炭灰分組成成分及其含量，并對(duì)比煤中灰分含量的變化情況，分析煤炭灰分中的不同組分與煤炭灰分含量之間的相對(duì)關(guān)系.表4為第一次試驗(yàn)中24組試驗(yàn)用煤通過(guò)傳統(tǒng)灼燒稱重法試驗(yàn)后殘留的煤炭灰分的化學(xué)組成成分及其所占比重，其中R2O表示Na2O和K2O的混合物質(zhì)，M表示Sr，Zr，Ba，V，Au，Ga以及La等重金屬單質(zhì).

表4 灰分組成成分及其比重

Tab.4 The composition and proportion of the ash content

NO

灰分組成

比例/%

NO

灰分組成

比例/%

1

SiO2

54.21

6

CaO

1.15

2

TiO2

1.29

7

R2O

5.00

3

A12O3

29.35

8

SO3

0.03

4

Fe2O3

3.14

9

P2O5

2.35

5

MgO

2.32

10

M

約1

從表4中可知，試驗(yàn)煤炭燃燒后的灰分主要是Si，Al，Mg，Ca，F(xiàn)e，Ti等物質(zhì)的氧化物以及鹽類，這些物質(zhì)在煤中的含量及比重是決定煤灰分含量的關(guān)鍵.其中Si，Al的氧化物占灰分總比重的80%以上，而Mg，Ca，F(xiàn)e的氧化物在灰分中也占有一定的比例.早期的研究表明煤炭灰分中的Fe2O3含量對(duì)雙能γ射線透射法的檢測(cè)精度影響很大，特別在煤炭灰分含量少的情況下，F(xiàn)e2O3變化引起的測(cè)量誤差值隨著煤炭中灰分含量的減少而增加[13-14]，因而可以確定表2中灰分含量較小的兩組煤炭檢測(cè)結(jié)果誤差值超出正常范圍是由于煤炭灰分組成成分引起的.

表5為6組不同煤炭灰分的組成成分及其比重與煤炭灰分含量的對(duì)比關(guān)系，分析二者之間的關(guān)系可以看出隨著煤炭灰分含量的增加，SiO2，Al2O3，TiO2以及R2O等的比重也隨之線性遞增，如圖6所示.而其他灰分組成成分與煤炭灰分含量之間無(wú)線性關(guān)系，如圖7所示，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了煤炭灰分的組成成分對(duì)雙能γ射線透射法測(cè)量結(jié)果的影響.

表5 煤質(zhì)灰分含量與灰分組成成分對(duì)比關(guān)系

Tab.5 The relationship between the ash content of coal and the ash composition% 

NO

AconSiO2A12O3Fe2O3TiO2CaOMgOSO3R2O

136.6219.8510.751.150.470.420.850.011.83

234.2317.419.582.710.44

0.390.790.081.65

333.1516.908.501.570.400.841.820.741.55

429.1415.438.450.680.390.511.010.171.45

525.1014.206.101.300.320.561.240.111.25

6

10.44

4.942.65

1.20

0.11

0.20

0.39

0.20

0.43

煤質(zhì)灰分含量/%

圖6 SiO2，Al2O3，TiO2和R2O與煤質(zhì)灰分關(guān)系



Fig.6 The relationship between SiO2，Al2O3，

TiO2 ， R2O and the ash content of coal



從圖7中可以看出，隨著煤炭灰分含量的增加，灰分中Fe2O3，CaO，MgO以及SO3等的含量并沒(méi)有出現(xiàn)線性的變化，且沒(méi)有任何的變化規(guī)律，因此可知，煤炭中Mg，Ca，F(xiàn)e以及S元素的含量對(duì)傳統(tǒng)的雙能γ射線透射法的檢測(cè)結(jié)果有很大的影響.這主要是因?yàn)榱蛩猁}物質(zhì)在高溫燃燒環(huán)境下容易分解，部分硫酸鹽會(huì)分解為氧化物和SO2?dú)怏w， SO2會(huì)隨著燃?xì)馀懦?，而Fe2O3，CaO和MgO在高溫燃燒環(huán)境下容易和燃燒產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)影響其在煤炭灰分中的比重.

因此，當(dāng)煤炭中Fe，Ca，Mg以及S元素的含量比較高時(shí)，傳統(tǒng)的雙能γ射線透射法測(cè)量煤炭灰分含量的誤差會(huì)超過(guò)可接受范圍，使得雙能γ射線透射法在煤炭灰分測(cè)量中受到很大的限制，而本文建立的基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙能γ射線的煤炭灰分測(cè)量技術(shù)能有效解決灰分組成成分對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，且其測(cè)量精度更高.

煤質(zhì)中灰分含量/%

圖7 Fe2O3，CaO，MgO和SO3與煤質(zhì)灰分關(guān)系

Fig.7The relationship between Fe2O3，

CaO，MgO，SO3 and the ash content of coal



3 結(jié) 論

1）利用傳統(tǒng)的雙能γ射線測(cè)量方法測(cè)量了煤炭中灰分含量，并和傳統(tǒng)灼燒稱重法的煤炭灰分檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果表明傳統(tǒng)的雙能γ射線透射法能在一定范圍內(nèi)較好地檢測(cè)煤質(zhì)中的灰分含量，但煤炭灰分的組成成分會(huì)影響雙能γ透射法的測(cè)量精度.

2）針對(duì)傳統(tǒng)的雙能γ射線測(cè)量方法測(cè)量誤差偏大以及測(cè)量不穩(wěn)定的問(wèn)題，建立基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙能γ射線的煤炭灰分測(cè)量模型，并利用該模型進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量．測(cè)量結(jié)果顯示相比于傳統(tǒng)的雙能γ射線測(cè)量方法3%的誤差，新建測(cè)量模型的測(cè)量誤差小于1%，且有效解決了煤炭中灰分元素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響.

3）利用X射線熒光光譜分析法（XRF）分析煤炭灰分組成成分及其含量對(duì)煤炭灰分測(cè)量的影響，煤炭中Fe，Ca，Mg和S元素的含量會(huì)影響傳統(tǒng)雙能γ射線測(cè)量法的檢測(cè)精度，其成分含量波動(dòng)越大，檢測(cè)結(jié)果誤差也越大.

參考文獻(xiàn)

［1］ YAZDI M, ESMAEILNI S A. Dualenergy gammaray technique for quantitative measurement of coal ash in the shahroud mine, iran[J]. International Journal of Coal Geology, 2003, 55(10): 151-156.

［2］ 韓斌, 孫健, 王文清. SCL2000型煤灰分儀在控制外購(gòu)精煤質(zhì)量中的應(yīng)用[J]. 選煤技術(shù), 2003, 3(6): 43-45.

HAN Bin, SUN Jian, WANG Wenqing. Application of SCL2000 coal ash analyzer in controlling the quality of purchased coal[J]. Coal Preparation Technology, 2003, 3(6): 43-45.（In Chinese）

［3］ ANTON Zubrik, SLAVOMIR Hredzak, LUDMILA Turcaniova. Distribution of inorganic and organic substances in the hydrocyclone separated slovak subbituminous coal[J]. Fuel, 2010, 89(3): 2126-2132.

［4］ 李書(shū)宇. COALSCAN 2500型在線灰分儀在柴里選煤廠的應(yīng)用[J]. 選煤技術(shù), 2000, 5(10): 32-33.

LI Shuyu. Application of COALSCAN 2500 online ash analyzer in chaili coal preparation plant[J]. Coal Preparation Technology, 2000, 5(10): 32-33. （In Chinese）

［5］ 黃興濱, 王國(guó)榮, 孫普男, 等. 測(cè)量煤炭灰分的低能γ射線反散射方法[J]. 核技術(shù), 2005, 28(11): 877-880.

HUANG Xingbin, WANG Guorong, SUN Punan, et al. Backscattering techniques of low energy γray for determining ash content of coal[J]. Nuclear Techniques, 2005, 28(11): 877-880.（In Chinese）

［6］ 衣宏昌, 梁漫春, 林謙. 基于輻射測(cè)量技術(shù)的幾種煤灰分檢測(cè)方法的比較[J]. 選煤技術(shù), 2004, 2(4): 54-56.

YI Hongchang, LI Manchun, LIN Qian. Comparison of several radiometric techniques of coal ash detection methods[J]. Coal Preparation Technology, 2004, 2(4): 54-56. （In Chinese）

［7］ LIU Wenzhong, KONG Li, QU Tan, et al. An evaluation of measurement uncertainties in the online measurement of coal ash content by gammaray transmission[J]. Applied Radiation and Isotopes, 2002, 57(1): 353-358.

［8］ XU Qi, ZHANG Yongchuan. A novel automated separator based on dual energy gammarays transmission[J]. MeasSci Technol, 2000,11(3): 1383-1388.

［9］ PREM S M Tripathi, KAMLESH K Mishra, RAJIV R P Roy, et al. Investigations on desulphurization of some highsulphur indian coals by γrayinduced chlorinolysis[J]. Applied Radiation and Isotopes, 2002, 56(1): 975-984.

［10］LIM C S, ABERNETHY D A. Online coal analysis using fast neutroninduced gammarays[J]. Applied Radiation and Isotopes, 2005, 63(5): 697-704.

［11］SANG Haifeng, WANG Fuli, LIU Linmao, et al. Detection of element content in coal by pulsed neutron method based on an optimized backpropagation neural network[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 2005, 239(4): 202-208.

［12］張志康, 楊鼓行,雷章云, 等. 雙能量γ射線透射法煤炭灰分在線測(cè)量的實(shí)現(xiàn)[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù), 1991, 11(3): 132-138.

ZHANG Zhikang, YANG Guhang, LEI Zhangyun, et al. Online determination of ash content of coal based on the transmission of bienergy γray[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 1991, 11(3): 132-138. （In Chinese）

［13］馬永和, 翁放, 肖度元, 等. 成分對(duì)雙能γ射線穿透法測(cè)灰的影響[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù), 1989, 9(6): 324-326.

MA Yonghe, WEN Fang, XIAO Duyuan, et al. Study on the improved efficiency tracing technique[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 1989, 9(6): 324-326. （In Chinese）

［14］程渤, 庹先國(guó), 周建斌, 等. 射線透射法測(cè)煤灰分的影響因素及校正方法研究[J]. 成都理工學(xué)院學(xué)報(bào), 2002, 29(1): 65-68.

CHENG Bo, TUO Xianguo, ZHOU Jianbin, et al. Influence factors and corrections of lowenergy γray penetration in ash analysis[J]. Journal of Chengdu University of Technology, 2002, 29(1): 65-68. （In Chinese）

［2］ 韓斌, 孫健, 王文清. SCL2000型煤灰分儀在控制外購(gòu)精煤質(zhì)量中的應(yīng)用[J]. 選煤技術(shù), 2003, 3(6): 43-45.

HAN Bin, SUN Jian, WANG Wenqing. Application of SCL2000 coal ash analyzer in controlling the quality of purchased coal[J]. Coal Preparation Technology, 2003, 3(6): 43-45.（In Chinese）

［3］ ANTON Zubrik, SLAVOMIR Hredzak, LUDMILA Turcaniova. Distribution of inorganic and organic substances in the hydrocyclone separated slovak subbituminous coal[J]. Fuel, 2010, 89(3): 2126-2132.

［4］ 李書(shū)宇. COALSCAN 2500型在線灰分儀在柴里選煤廠的應(yīng)用[J]. 選煤技術(shù), 2000, 5(10): 32-33.

LI Shuyu. Application of COALSCAN 2500 online ash analyzer in chaili coal preparation plant[J]. Coal Preparation Technology, 2000, 5(10): 32-33. （In Chinese）

［5］ 黃興濱, 王國(guó)榮, 孫普男, 等. 測(cè)量煤炭灰分的低能γ射線反散射方法[J]. 核技術(shù), 2005, 28(11): 877-880.

HUANG Xingbin, WANG Guorong, SUN Punan, et al. Backscattering techniques of low energy γray for determining ash content of coal[J]. Nuclear Techniques, 2005, 28(11): 877-880.（In Chinese）

［6］ 衣宏昌, 梁漫春, 林謙. 基于輻射測(cè)量技術(shù)的幾種煤灰分檢測(cè)方法的比較[J]. 選煤技術(shù), 2004, 2(4): 54-56.

YI Hongchang, LI Manchun, LIN Qian. Comparison of several radiometric techniques of coal ash detection methods[J]. Coal Preparation Technology, 2004, 2(4): 54-56. （In Chinese）

［7］ LIU Wenzhong, KONG Li, QU Tan, et al. An evaluation of measurement uncertainties in the online measurement of coal ash content by gammaray transmission[J]. Applied Radiation and Isotopes, 2002, 57(1): 353-358.

［8］ XU Qi, ZHANG Yongchuan. A novel automated separator based on dual energy gammarays transmission[J]. MeasSci Technol, 2000,11(3): 1383-1388.

［9］ PREM S M Tripathi, KAMLESH K Mishra, RAJIV R P Roy, et al. Investigations on desulphurization of some highsulphur indian coals by γrayinduced chlorinolysis[J]. Applied Radiation and Isotopes, 2002, 56(1): 975-984.

［10］LIM C S, ABERNETHY D A. Online coal analysis using fast neutroninduced gammarays[J]. Applied Radiation and Isotopes, 2005, 63(5): 697-704.

［11］SANG Haifeng, WANG Fuli, LIU Linmao, et al. Detection of element content in coal by pulsed neutron method based on an optimized backpropagation neural network[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 2005, 239(4): 202-208.

［12］張志康, 楊鼓行,雷章云, 等. 雙能量γ射線透射法煤炭灰分在線測(cè)量的實(shí)現(xiàn)[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù), 1991, 11(3): 132-138.

ZHANG Zhikang, YANG Guhang, LEI Zhangyun, et al. Online determination of ash content of coal based on the transmission of bienergy γray[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 1991, 11(3): 132-138. （In Chinese）

［13］馬永和, 翁放, 肖度元, 等. 成分對(duì)雙能γ射線穿透法測(cè)灰的影響[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù), 1989, 9(6): 324-326.

MA Yonghe, WEN Fang, XIAO Duyuan, et al. Study on the improved efficiency tracing technique[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 1989, 9(6): 324-326. （In Chinese）

［14］程渤, 庹先國(guó), 周建斌, 等. 射線透射法測(cè)煤灰分的影響因素及校正方法研究[J]. 成都理工學(xué)院學(xué)報(bào), 2002, 29(1): 65-68.

CHENG Bo, TUO Xianguo, ZHOU Jianbin, et al. Influence factors and corrections of lowenergy γray penetration in ash analysis[J]. Journal of Chengdu University of Technology, 2002, 29(1): 65-68. （In Chinese）

［2］ 韓斌, 孫健, 王文清. SCL2000型煤灰分儀在控制外購(gòu)精煤質(zhì)量中的應(yīng)用[J]. 選煤技術(shù), 2003, 3(6): 43-45.

HAN Bin, SUN Jian, WANG Wenqing. Application of SCL2000 coal ash analyzer in controlling the quality of purchased coal[J]. Coal Preparation Technology, 2003, 3(6): 43-45.（In Chinese）

［3］ ANTON Zubrik, SLAVOMIR Hredzak, LUDMILA Turcaniova. Distribution of inorganic and organic substances in the hydrocyclone separated slovak subbituminous coal[J]. Fuel, 2010, 89(3): 2126-2132.

［4］ 李書(shū)宇. COALSCAN 2500型在線灰分儀在柴里選煤廠的應(yīng)用[J]. 選煤技術(shù), 2000, 5(10): 32-33.

LI Shuyu. Application of COALSCAN 2500 online ash analyzer in chaili coal preparation plant[J]. Coal Preparation Technology, 2000, 5(10): 32-33. （In Chinese）

［5］ 黃興濱, 王國(guó)榮, 孫普男, 等. 測(cè)量煤炭灰分的低能γ射線反散射方法[J]. 核技術(shù), 2005, 28(11): 877-880.

HUANG Xingbin, WANG Guorong, SUN Punan, et al. Backscattering techniques of low energy γray for determining ash content of coal[J]. Nuclear Techniques, 2005, 28(11): 877-880.（In Chinese）

［6］ 衣宏昌, 梁漫春, 林謙. 基于輻射測(cè)量技術(shù)的幾種煤灰分檢測(cè)方法的比較[J]. 選煤技術(shù), 2004, 2(4): 54-56.

YI Hongchang, LI Manchun, LIN Qian. Comparison of several radiometric techniques of coal ash detection methods[J]. Coal Preparation Technology, 2004, 2(4): 54-56. （In Chinese）

［7］ LIU Wenzhong, KONG Li, QU Tan, et al. An evaluation of measurement uncertainties in the online measurement of coal ash content by gammaray transmission[J]. Applied Radiation and Isotopes, 2002, 57(1): 353-358.

［8］ XU Qi, ZHANG Yongchuan. A novel automated separator based on dual energy gammarays transmission[J]. MeasSci Technol, 2000,11(3): 1383-1388.

［9］ PREM S M Tripathi, KAMLESH K Mishra, RAJIV R P Roy, et al. Investigations on desulphurization of some highsulphur indian coals by γrayinduced chlorinolysis[J]. Applied Radiation and Isotopes, 2002, 56(1): 975-984.

［10］LIM C S, ABERNETHY D A. Online coal analysis using fast neutroninduced gammarays[J]. Applied Radiation and Isotopes, 2005, 63(5): 697-704.

［11］SANG Haifeng, WANG Fuli, LIU Linmao, et al. Detection of element content in coal by pulsed neutron method based on an optimized backpropagation neural network[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 2005, 239(4): 202-208.

［12］張志康, 楊鼓行,雷章云, 等. 雙能量γ射線透射法煤炭灰分在線測(cè)量的實(shí)現(xiàn)[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù), 1991, 11(3): 132-138.

ZHANG Zhikang, YANG Guhang, LEI Zhangyun, et al. Online determination of ash content of coal based on the transmission of bienergy γray[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 1991, 11(3): 132-138. （In Chinese）

［13］馬永和, 翁放, 肖度元, 等. 成分對(duì)雙能γ射線穿透法測(cè)灰的影響[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù), 1989, 9(6): 324-326.

MA Yonghe, WEN Fang, XIAO Duyuan, et al. Study on the improved efficiency tracing technique[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 1989, 9(6): 324-326. （In Chinese）

［14］程渤, 庹先國(guó), 周建斌, 等. 射線透射法測(cè)煤灰分的影響因素及校正方法研究[J]. 成都理工學(xué)院學(xué)報(bào), 2002, 29(1): 65-68.

CHENG Bo, TUO Xianguo, ZHOU Jianbin, et al. Influence factors and corrections of lowenergy γray penetration in ash analysis[J]. Journal of Chengdu University of Technology, 2002, 29(1): 65-68. （In Chinese）