煤炭灰分檢測技術(shù)進展

付超 楊小平 張晨曦 牛杰

摘 要：煤炭灰分是煤炭的重要基礎(chǔ)指標。隨著選煤技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)測試方法不能滿足生產(chǎn)的需要，這就給煤炭灰分檢測技術(shù)的發(fā)展和相應(yīng)設(shè)備的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。本文主要介紹了近年來國內(nèi)外主流的煤炭灰分檢測技術(shù)的進展，以及相關(guān)設(shè)備的工作原理和在煤企的推廣應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：煤炭灰分；原子輻射技術(shù)；在線檢測

中圖分類號： TQ533.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2017）03-187-2

0 引言

煤炭作為我國能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在相當一段時間內(nèi)，其主導地位不會發(fā)生大的改變。煤炭灰分指的是煤在一定條件下經(jīng)過充分燃燒后，其中的礦物質(zhì)分解、化合后生成的殘留物。煤炭的灰分含量不光是常規(guī)工業(yè)分析指標，而且還是相關(guān)機構(gòu)、煤企等進行煤質(zhì)評價，加工利用，貿(mào)易計價等的基礎(chǔ)指標。國標中對煤炭灰分含量測定規(guī)定的方法主要有快速灰化法和緩慢灰化法。

隨著選煤技術(shù)自動化程度的提高，之前多作為例常分析方法的快速灰化法存在檢測數(shù)據(jù)滯后、工序繁雜、管理成本高、工人工作環(huán)境差和勞動強度大等問題，無法很好地滿足指導生產(chǎn)的要求。

基于此，國內(nèi)外先后有大量學者專家從事了煤炭灰分檢測技術(shù)的研究，設(shè)計生產(chǎn)的灰分檢測設(shè)備在應(yīng)用中都取得了很好的效果。

1 主流灰分檢測設(shè)備簡介

從上世紀末開始，隨著民用核技術(shù)、計算機技術(shù)的快速發(fā)展，基于原子輻射技術(shù)的在線測灰設(shè)備應(yīng)運而生，這種設(shè)備由于現(xiàn)場適應(yīng)性強、準確度高、維護成本低以及性價比高等特點，現(xiàn)已在市場上占據(jù)絕對優(yōu)勢。本文將對這類灰分檢測設(shè)備做重點介紹?；谠虞椛浼夹g(shù)設(shè)計生產(chǎn)的測灰儀根據(jù)是否有放射源可以分為有源測灰儀和無源測灰儀。

1.1 有源測灰儀

基于原子輻射技術(shù)設(shè)計生產(chǎn)的有源測灰儀根據(jù)基本原理可以分為以下幾種：低能γ射線反散射測灰儀、高能γ射線湮沒輻射測灰儀、雙能γ射線透射測灰儀、中子瞬發(fā)γ射線分析儀等。

1.1.1 低能γ射線反散射測灰儀

低能γ射線（能量小于100keV），與煤炭相互作用時主要表現(xiàn)出光電效應(yīng)以及康普頓散射效應(yīng)。當煤的灰分含量比較低時，此時其等效原子序數(shù)也較小，則產(chǎn)生的光電效應(yīng)也比較弱，即透過煤粒的全能光子就比較多，而同時，發(fā)生康普頓散射的γ射線會比較強；相反，而當煤的灰分含量比較高時，即其等效原子序數(shù)也較大時，則產(chǎn)生的光電效應(yīng)也會比較強，透過煤粒的全能光子相對比較少，而同時發(fā)生康普頓散射的γ射線會也較弱。所以，基于以上結(jié)論則可以通過探測透射光子和散射光子的數(shù)量就可以測量煤炭的灰分含量。

從20世紀60年代起，我國的學者專家就開始研究開發(fā)基于低能γ射線技術(shù)的灰分儀，并于1976年順利完成我國第一臺低能γ射線測灰儀的鑒定。后來煤科院唐山分院研制的ZTHY型在線測灰儀取得了較好的應(yīng)用效果，并且受到國內(nèi)多家煤企的青睞。

2007年，中核工業(yè)第五研究設(shè)計院成功設(shè)計開發(fā)了一種便攜式低能γ光子背散射煤炭灰分測量儀，這種設(shè)備以其特有的便攜、高效等特點在特定場景應(yīng)用非常成功。

2014年，湖南大學設(shè)計開發(fā)的快速γ射線煤炭灰分儀，以其快速精確等特點成功應(yīng)用于多家火力發(fā)電廠。

國外比較有代表性的產(chǎn)品主要有英國的RFCQM測灰儀、波蘭的G-3型測灰儀以及國內(nèi)外都非常著名的澳大利亞COALSCAN系列中的COALSCAN1500型測灰儀等。

1.1.2 高能γ射線湮沒輻射測灰儀

煤中所含物質(zhì)的原子核與高能γ射線（能量大于1.022MeV）相互作用，都會有發(fā)生正負電子對湮沒反應(yīng)，進而產(chǎn)生能量為 511keV的γ射線。研究表明，煤中的灰分含量越高，則與高能γ射線發(fā)生電子對湮沒反應(yīng)所產(chǎn)生的能量為511keV的γ射線也越強?；谶@個結(jié)論，便可以通過探測能量為511keV的γ射線強度，進而來確定待測煤炭的灰分含量。

高能γ射線湮沒輻射測灰儀具有測量準確度高、檢測效率高、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢，并且測量不易受到高原子序數(shù)的影響。但是由于采用高能放射源，并且測量過程中需要探測511keV的γ射線，因此屏蔽要求高，安全性能差。所以這種設(shè)備并沒有大規(guī)模的推廣使用。

1.1.3 雙能γ射線透射式測灰儀

雙能γ射線透射式測灰儀是基于單能（低能）γ射線透射式測灰儀，經(jīng)過改良發(fā)展而來。低能γ射線透射過某種物質(zhì)后，該物質(zhì)對低能γ射線的吸收量隨其原子序數(shù)的增大而增大，所以灰分對γ射線的吸收量就比精煤要大，基于此設(shè)計生產(chǎn)了單能γ射線透射式測灰儀。雖然與反散射式測灰法比起來有所進步，但這種設(shè)備對待測煤流有兩點要求：煤流粒度均勻和質(zhì)量厚度恒定。

為此在低能γ放射源的基礎(chǔ)上增加了一個中能γ放射源，而中能γ放射源透射過煤層后煤流對它的吸收量恰好只與煤流的質(zhì)量厚度有關(guān)。

因此實際應(yīng)用中，讓中、低能γ射線搭配使用，同時透射同一煤流，然后再測量兩種γ射線強度的衰減情況，這樣便可以不再考慮煤流厚度對測量結(jié)果的影響，更加準確地測得待測煤流的灰分含量，這就是雙能γ射線透射式測灰儀的工作原理。

這種設(shè)備在國內(nèi)外有廣泛的應(yīng)用，在市場上占有絕對優(yōu)勢。國內(nèi)有代表性的產(chǎn)品主要有清華大學設(shè)計開發(fā)的ZZ-89系列測灰儀、北京市煤炭礦用機電設(shè)備技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的SCL-2000型灰分儀以及西北電力集團燃料公司研制的TN-2000型分析儀等。國外這類產(chǎn)品有德國的LB420型測灰儀，以及澳大利亞的COALSCAN系列產(chǎn)品（主要有2100型、2500型、2800型和3500型等）。這兩種產(chǎn)品均代表了世界先進水平，在國內(nèi)外的使用都獲得的巨大成功。雙能γ射線透射式測灰儀的缺點是首先對煤流的粒度有一定的要求，另外如果煤中高原子序數(shù)元素組成含量高對測試結(jié)果影響較大。

1.1.4 中子瞬發(fā)γ射線分析儀

研究表明，中子γ射線與待測煤樣中目標元素的靶核相互作用，會發(fā)生中子俘獲反應(yīng)和非彈性散射反應(yīng)，進而會產(chǎn)生特征γ射線。煤中的不同元素對應(yīng)的特征γ射線的能量和峰面積也不同。中子瞬發(fā)γ射線分析儀就是利用這一理論設(shè)計生產(chǎn)的。這種設(shè)備不光能獲得煤炭的灰分含量，同時還可以獲取其他重要的煤炭工業(yè)指標，在石化、建材和農(nóng)業(yè)等方面也有廣泛的應(yīng)用。但由于分析過程復雜，設(shè)備成本較高，并且需要頻繁更換放射源，所以在選煤行業(yè)沒有得到大范圍推廣。

1.2 無源測灰儀

無源測灰儀主要指天然γ射線測灰儀。這種設(shè)備通過使用高靈敏度的γ射線探測器來檢測煤中天然放射性元素，進而確定其灰分含量。由于煤炭也是一種礦物質(zhì)，含有一定量的鈾、釷和鉀等具有天然放射性的元素，并且煤中的無機礦物質(zhì)（灰分主要成分）所包含的天然放射性元素要遠遠高于有機質(zhì)（揮發(fā)分主要成分）含有的天然放射性元素。基于以上結(jié)論，通過使用高靈敏度的γ射線探測裝置便可以對煤炭灰分含量進行快速檢測。

這種類型的測灰儀由于其不需要使用專門的放射源，避免了放射源管理與維護，另外更具有實時性強、適應(yīng)性強、安裝簡單等優(yōu)勢，在國內(nèi)外均得到了較好的發(fā)展。國內(nèi)應(yīng)用比較好的產(chǎn)品是開封市測控技術(shù)有限公司的研發(fā)的NGAM-2008型天然射線灰分儀。國外比較有代表性的產(chǎn)品有英國的NGCQM型測灰儀和波蘭的RODOS型測灰儀。

這種類型的設(shè)備存在的主要缺點就是：

首先，需要做好射線屏蔽工作以及配置高精度的探頭。

其次，這種設(shè)備測試的準確度與待測煤樣中放射性元素分布情況密切相關(guān)。

最后，與雙能γ射線透射式測灰儀相比，這種設(shè)備測量精確度與準確度明顯不高。

2 其他測灰儀

除過上面提到的原子輻射類灰分檢測設(shè)備之外，還有近幾年發(fā)展較快的基于圖像識別技術(shù)的測灰儀，其工作原理是首先使用采用工業(yè)攝像機搭建的圖像采集系統(tǒng)實時采集皮帶上的煤粒圖像，然后在計算機中使用一定的圖像處理算法獲得能夠區(qū)分無機礦物質(zhì)（灰分主要成分）和精煤的特征參數(shù)，最后通過建立模型實現(xiàn)煤炭灰分的實時在線測量[5]。這種設(shè)備具有無放射性、可實現(xiàn)灰分在線監(jiān)測、檢測速度快、管理使用方便等特點，發(fā)展前景廣闊，但目前仍處在實驗室研究階段，還沒有出現(xiàn)可以推廣使用的產(chǎn)品。

3 結(jié)語

隨著“中國制造2025”的提出，煤炭企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級

勢在必行。其中全面實現(xiàn)煤炭灰分的在線監(jiān)測就是重要一環(huán)。

本文主要介紹了基于原子輻射技術(shù)的煤炭灰分檢測技術(shù)的發(fā)展，并從放射性檢測和無源灰分檢測兩個方面介

紹了兩大類設(shè)備的基本原理及對應(yīng)產(chǎn)品的國內(nèi)外使用情況。最后還介紹了基于圖像識別技術(shù)的在線測灰儀，使讀者能夠?qū)Ξ斍懊禾炕曳謾z測技術(shù)發(fā)展有一個比較全面的了解。

參 考 文 獻

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

[3] 張勇.波蘭選煤廠使用的G-3型輻射式測灰儀[J].煤炭工程，1989（7）：47.

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