煤炭灰分在線檢測技術(shù)對比分析

錢 坤，陳開玲

(1.山西中煤楊澗煤業(yè)有限公司；2.山西中煤東坡煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036000)

煤炭的灰分是煤在一定溫度下完全燃燒后，留下的固態(tài)殘留物所占的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。傳統(tǒng)化學(xué)法檢測煤炭灰分屬于離線分析，所需時間長，不能及時指導(dǎo)生產(chǎn)。煤炭灰分在線檢測技術(shù)解決了傳統(tǒng)化學(xué)法滯后帶來的一系列問題，有利于提高產(chǎn)品的合格率，推進(jìn)智能化工廠的建設(shè)。實(shí)現(xiàn)煤炭灰分在線檢測主要依賴輻射測量技術(shù)，早在20世紀(jì)60年代人們就開始研究使用放射性同位素測量煤炭灰分的技術(shù)。目前常用及最新的測量技術(shù)有[1-9]：雙能量γ射線透射法，天然γ射線測量法，中子活化瞬發(fā)γ射線分析法，X射線熒光分析法，激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析法，多能X射線吸收法等。各種灰分在線檢測技術(shù)都具有各自的特點(diǎn)和適用范圍。

1 檢測原理

主要依賴輻射測量技術(shù)的煤炭灰分在線檢測方法，其理論基礎(chǔ)為[1-6，9，11]：把煤看作是兩種原子序數(shù)元素的混合物，一種是以C為代表原子序數(shù)比較低的元素，平均值為6左右，簡稱為低Z元素；另一種是以Si、Al為代表，原子序數(shù)比較高的元素，平均原子序數(shù)大于12，簡稱為高Z元素。在煤炭灰分中，SiO2和Al2O3的含量占絕大多數(shù)，而Si和Al在氧化物中約占一半，所以煤炭灰分中高Z元素質(zhì)量約占50%的結(jié)論帶有普遍意義，可以說只要測定煤中高Z元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，乘以近似為Z的常數(shù)就是煤的灰分值。

利用輻射測量煤炭灰分的方法都需要測量某種射線的強(qiáng)度，而該強(qiáng)度與射線在煤中的作用概率以及衰減相關(guān)，射線在物質(zhì)中衰減服從一個被廣泛應(yīng)用的指數(shù)衰減規(guī)律，即：[4-6，9，11]

I=I0×e-μρd

式中：I是衰減后的強(qiáng)度；I0為射線的初始強(qiáng)度；d是物質(zhì)厚度；ρ是物質(zhì)密度；μ是物質(zhì)的質(zhì)量衰減(或吸收)系數(shù)，該系數(shù)與射線種類、能量、元素組成有關(guān)。這個看似簡單的物理規(guī)律是核技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)規(guī)律之一，但它準(zhǔn)確成立的條件有兩個：一是射線為“窄束”，二是射線盡可能準(zhǔn)直。

2 煤炭灰分在線檢測技術(shù)分析比較

2.1 雙能量γ射線透射技術(shù)

雙能量γ射線灰分測量主要是將低能γ射線和中能γ射線結(jié)合后實(shí)現(xiàn)煤炭灰分在線測量。低能γ射線減弱情況與煤中高Z元素含量有關(guān)，主要用來測定煤中高Z元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；中能γ射線對不同元素的質(zhì)量衰減系數(shù)差別很小，它的減弱吸收只與被透射煤的質(zhì)量厚度有關(guān)。利用中能γ射線的這一特性，可對煤料的厚度進(jìn)行校正。

雙能量γ射線灰分測量采用透射方案，恰好可以實(shí)現(xiàn)射線準(zhǔn)直，從而滿足指數(shù)衰減規(guī)律的使用條件。這是其受物料密度、粒度、厚度變化影響小的物理基礎(chǔ)，從而使其實(shí)際應(yīng)用精度好于大多數(shù)灰分在線檢測設(shè)備。該檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)直接對輸煤膠帶上的散煤實(shí)現(xiàn)在線測量，不需要分流、采樣、破碎、制樣等附加設(shè)備；

(2)沒有垂直偏析現(xiàn)象；

(3)能測量較大的粒度(小于300 mm)；

(4)受水分影響較??；

(5)有較大的灰分測量動態(tài)范圍；

(6)有較大的煤流厚度測量動態(tài)范圍(精煤最大質(zhì)量厚度30 g/cm2，原煤最大質(zhì)量厚度20 g/cm2)；

(7)輻射安全性好，具有較高的性能價格比，是目前應(yīng)用最廣泛、最成熟的技術(shù)。

該技術(shù)的缺點(diǎn)：

(1)受煤中高原子序數(shù)元素特別是鐵含量的影響較大，對混煤測量誤差較大；

(2)煤流厚度超過上述最大測量范圍時，射線會大大衰減，設(shè)備無法正常工作[10]；

(3)使用放射源，辦理采購、驗(yàn)收、退役等手續(xù)復(fù)雜，周期長。

2.2 天然γ射線測量法

天然γ射線測量法是通過測量煤自身發(fā)出的γ粒子數(shù)量來確定煤的灰分。由于煤中礦物質(zhì)含有鉀-40、鈾-238、釷-232的天然γ放射性元素[6]，通過測量由煤自身的放射性物質(zhì)引起的γ計數(shù)率來反映煤中礦物質(zhì)含量，從而確定煤的灰分。其公式為：

Ad=AK+BU+CTh+D

式中。A、B、C、D為常數(shù)，根據(jù)煤種進(jìn)行標(biāo)定；K、U、Th分別為鉀-40、鈾-238、釷-232的γ射線強(qiáng)度。英國、澳大利亞、伊朗等國的科研部門或公司從20世紀(jì)80年代開始研究該方法[9]。

該方法的優(yōu)點(diǎn)：不用放射源。

該方法的缺點(diǎn)如下：

(1)天然γ放射性元素含量與Al、Si、Ca、Fe等元素含量沒有必然關(guān)聯(lián)，二者在特定礦點(diǎn)中的相關(guān)性決定了這種方案的可行性，因此有的地方可以利用此方法測量，有的地方不能測量，并且不適合測量混煤。

(2)γ計數(shù)率測量非常困難，且受環(huán)境影響大。煤炭的放射性比土壤、水泥等物質(zhì)低，尤其是低灰分煤，其放射性只有百萬分之幾，因此容易受環(huán)境影響。

2.3 中子活化瞬發(fā)γ射線分析技術(shù)(PGNAA)

中子活化是指被照射的原子俘獲中子后變得具有放射性的過程。中子與物質(zhì)的原子核作用很復(fù)雜，其中有2種作用可以快速產(chǎn)生不同原子核所特有的γ射線，即特征γ射線。這2種作用是：俘獲反應(yīng)和非彈性散射。通過測量特征γ射線，可以定性或定量分析物質(zhì)中的元素種類及其成分。

如果使用中子照射煤，測定煤中各元素發(fā)射出來的特征γ射線，可以分析煤中的H、Si、Al、S、Fe等元素含量，進(jìn)而推算出灰分、發(fā)熱量等數(shù)據(jù)。

該技術(shù)的關(guān)鍵之一是選擇中子源，目前主要有3種中子源方案：一是252Cf(锎-252)裂變中子源；二是中子管；三是Am-Be中子源。這3種中子源的特性相差很大，選擇不同的中子源，技術(shù)方案也不一樣。

252Cf(锎-252)裂變中子源能夠發(fā)射較高通量的中子，且很少有其他干擾射線，是理想的中子活化分析源。但也有幾個不利因素限制了其大規(guī)模應(yīng)用：一是半衰期短，其半衰期只有2.65 a；二是價格很貴，這是因?yàn)樗纳a(chǎn)需要高通量中子反應(yīng)堆輻照產(chǎn)生；三是貨源不能保證，目前主要靠美國生產(chǎn)。美國曾經(jīng)一度停產(chǎn)，使252Cf成為世界上“最難買”的放射源；四是C和O元素俘獲反應(yīng)截面小，使用252Cf源對煤中C和O元素分析不靈敏。

中子管是一種可人工控制的中子發(fā)生器，其發(fā)射能量為14 MeV的中子，可利用非彈性散射測量C和O，同時利用中子在煤中被氫元素慢化成熱中子后發(fā)生俘獲反應(yīng)測量其他元素等。但中子管的缺點(diǎn)是壽命短：國產(chǎn)設(shè)備在幾十小時到幾百小時，國外設(shè)備長壽命產(chǎn)品在幾千小時(價格也十分昂貴)。提高中子管壽命還有很長路要走，國內(nèi)尚未見工業(yè)化應(yīng)用案例[9，11]。

Am-Be中子源，它是利用Am-241衰變發(fā)射的α射線轟擊Be產(chǎn)生中子，其中子最高能量在5 MeV以上，因此可利用俘獲反應(yīng)和非彈性散射來測量煤的灰分。由于是通過α射線轟擊Be產(chǎn)生中子，中子產(chǎn)率低，若用于在線煤質(zhì)分析，中子源的活度應(yīng)大于1 110 GBq。同時中子源發(fā)射與中子強(qiáng)度相當(dāng)?shù)摩蒙渚€，該射線又是C元素的特征γ射線，因此會影響C的測量。澳大利亞Scantech和清華大學(xué)做過這方面的研究，但沒有實(shí)際應(yīng)用。

該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：可以測量多種元素成分，包括硫分、灰分，可了解更多煤質(zhì)信息。

該技術(shù)的缺點(diǎn)如下：

(1)中子活化核心技術(shù)能譜處理方法、穩(wěn)普技術(shù)以及長壽命中子管、中子源均被國外壟斷，價格居高不下[11-12]。

(2)產(chǎn)生的特征γ射線能量很高，一般在1～10 MeV范圍，這給射線探測帶來困難：一是探測效率低，高能γ射線很容易穿透探測器而不被探測到；二是探測到的全能峰比例小，不容易形成明顯的特征γ射線能峰，給能譜分析帶來困難。

(3)特征γ射線能譜相當(dāng)復(fù)雜。因?yàn)槊褐械膸缀趺糠N元素都有很多特征γ射線，這些射線都要被測量，而其中只有幾個占主要的射線是被用來分析的。

(4)射線探測器的選擇問題。目前主要有3種探測器供選擇：一是高純鍺探測器，其特點(diǎn)是能量分辨率高，需在低溫下工作(液氮制冷)，由于該探測器體積不大，因此對高能γ射線的探測效率低(約1%)，且易受中子損傷；二是NaI探測器，其能量分辨率較低，在常溫下工作，可以制成較大體積，實(shí)現(xiàn)較高探測效率，缺點(diǎn)是特征峰不明顯，有的元素根本無法看到特征峰；三是BGO探測器，其能量分辨率較NaI還低，常溫下工作，可以制成較大體積，探測效率比NaI高，但特征峰不明顯。

目前在用的系統(tǒng)中，更多采用NaI探測器。NaI探測器的能量分辨率低，很多的特征γ射線產(chǎn)生的能譜相互疊加，只能顯示出幾個強(qiáng)度高的γ射線峰。各元素含量的變化都會對整個能譜形狀產(chǎn)生影響，而不是只在其特征能量處產(chǎn)生影響，因此需要通過標(biāo)定一系列標(biāo)準(zhǔn)樣品，并進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理計算，才能計算出灰分以及各元素成分。但在這種方法下，煤中各元素成分只能在標(biāo)準(zhǔn)樣品中同種元素含量附近的較小范圍內(nèi)波動，超出范圍將增大誤差，甚至出現(xiàn)錯誤，這就需要對不同煤種采用不同的計算參數(shù)。

2.4 X射線熒光分析(XRF)

利用X射線熒光分析技術(shù)快速測量煤炭灰分的原理是：利用初始入射的X射線照射煤樣，可以激發(fā)出煤中各種元素的特征X射線，測量這些特征X射線，理論上就可以分析出煤中各種元素的含量。

這種技術(shù)對高原子序數(shù)的元素敏感，因?yàn)樵氐脑有驍?shù)越高，被激發(fā)的效率就越高，從而產(chǎn)生的特征X射線數(shù)量就越多。而煤灰中的主要成分Si、Al原子序數(shù)較低，特征X射線的激發(fā)效率較低，產(chǎn)生的特征X射線較少，這對測量不利。

另一方面，元素的原子序數(shù)越低，其特征X射線的能量也越低，例如煤灰的主要成分Si、Al，其特征X射線能大部分被2 cm厚的空氣吸收，同樣道理，特征X射線在煤中的穿透厚度極低(幾十微米)，因此只能測量到煤表面成分。為使測量數(shù)據(jù)有代表性，需要專用制樣系統(tǒng)，將煤預(yù)處理至很小的粒度(小于0.2 mm)。X射線熒光分析系統(tǒng)復(fù)雜，價格高昂，這些限制了該技術(shù)在現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用。

2.5 激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析(LIBS)

此方法的原理是：利用高能脈沖激光(幾個納秒的時間寬度)照射煤表面，在微米數(shù)量級的范圍內(nèi)產(chǎn)生高溫，引起該區(qū)域內(nèi)煤形成等離子體，等離子體中的各種元素發(fā)光，測量該光譜，可以獲得各元素的含量信息。目前國內(nèi)外有很多單位研究利用該技術(shù)測量煤炭成分，但存在如下問題：

(1)發(fā)射光譜的強(qiáng)度與形成等離子體溫度有關(guān)，而等離子體溫度不僅與激光功率穩(wěn)定性有關(guān)，還與煤炭水分、煤表面反射特性等因素有關(guān)；

(2)與煤炭的揮發(fā)分有關(guān)；

(3)作用范圍很小，采樣占總體比例極低，代表性差；

(4)需要專用制樣系統(tǒng)，樣品需要磨成粉，并壓成需要的形狀；

(5)由于采用高能激光照射煤，會產(chǎn)生微小火花，存在一定危險隱患。

2.6 多能X射線吸收法(MXRA)

多能X射線吸收法測量煤炭灰分的基本原理是[2，6-7]：通過被電場加速的電子轟擊金屬靶產(chǎn)生人工射線，人工射線中不同能量區(qū)間的射線與煤中各元素的作用截面不同，能量較低的射線對Si、Al、Ca、Fe等元素變化均敏感，能量居中的射線對Ca、Fe等元素變化更敏感，能量較高的射線對密度變化敏感，對元素含量變化不敏感；利用探測器測量經(jīng)煤衰減后的射線能譜，可分析出3種能量區(qū)間的射線強(qiáng)度變化，利用射線的衰減規(guī)律建立方程組并求解，獲得各種組分的含量，進(jìn)而計算出灰分。此方法受煤中元素成分比例變化的影響小，可以適應(yīng)混煤、重介選煤等情況下的煤質(zhì)檢測，與X射線熒光分析和激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析比較，此方法的采樣量比較大，測量結(jié)果更可信。

該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：一是不使用放射源；二是測量準(zhǔn)確性高，不受煤灰中高原子序數(shù)元素(Fe)比例變化的影響；三是維護(hù)工作量低，應(yīng)用成本低。

該技術(shù)的缺點(diǎn)：一是對煤流幾何條件要求高，為了保證測量精度，要求被測煤粒度小于13 mm，膠帶上煤流厚度大于3 cm，寬度大于10 cm。二是需要分流、采樣、破碎、制樣等附加設(shè)備，系統(tǒng)較為復(fù)雜，成本較高。

2.7 幾種煤炭灰分在線檢測技術(shù)對比

以上6種煤炭灰分在線檢測技術(shù)的對比列于表1。

表1 6種煤炭灰分在線檢測技術(shù)的對比

3 結(jié) 語

煤炭灰分在線檢測技術(shù)在煤炭行業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控、自動裝車配煤，燃煤電廠的智能化煤場、燃煤鍋爐能效監(jiān)控等方面發(fā)揮了重要作用，對提升煤炭生產(chǎn)加工與綜合利用企業(yè)的智能化與自動化水平具有重要意義。

對6種煤炭灰分在線檢測技術(shù)的分析表明，每種檢測技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢，也因各自的缺點(diǎn)而影響其推廣使用。在我國，雙能量γ射線透射、天然γ射線測量法、多能X射線吸收法在工業(yè)應(yīng)用上取得了較好的效果。各企業(yè)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際，靈活地選擇最合適的灰分在線檢測技術(shù)。