煤炭灰分線上探測(cè)方法對(duì)比研究

郭小東

摘 ?要：文章詳細(xì)講述了采用雙向能源γ射線穿透技術(shù)等為典型代表的幾種常規(guī)煤炭灰燼組分線上探測(cè)解決方案的根本原理、工藝方法特征、一般優(yōu)勢(shì)及弊端，并且針對(duì)探測(cè)準(zhǔn)確程度、使用范疇、穩(wěn)定性、安全性和性能與價(jià)格比等等重要參數(shù)實(shí)行了比較與研究。

關(guān)鍵詞：煤炭灰燼組分;線上探檢;γ射線;鐳射

中圖分類號(hào)：TQ533 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）25-0128-02

Abstract： This paper describes in detail the fundamental principle， process characteristics， general advantages and disadvantages of several conventional on-line detection solutions for coal ash components， which are typically represented by two-way energy γ-ray penetration technology. In addition， some important parameters such as detection accuracy， application scope， stability， safety and performance-to-price ratio are compared and studied.

Keywords： coal ash composition; on-line detection; γ-ray; laser

引言

煤炭的灰燼組分是煤炭資源在特定溫度環(huán)境條件下充分燃燒以后，剩余的固體狀態(tài)殘?jiān)颊w質(zhì)量的比例參數(shù)。常規(guī)化學(xué)方法探測(cè)煤炭灰燼組分是一種線下研究探測(cè)法，消耗的周期較長(zhǎng)，無(wú)法第一時(shí)間對(duì)挖掘開(kāi)采作業(yè)進(jìn)行合理的指導(dǎo)。煤炭灰燼組分線上探測(cè)解決方案規(guī)避了常規(guī)化學(xué)方法落后特性所引發(fā)的諸多弊端，有益于提升煤炭的成品合格比例，推動(dòng)智慧型生產(chǎn)車間的建造。達(dá)成煤炭灰燼組分線上探測(cè)一般依靠射線輻射探量解決方案，自從20世紀(jì)70年代相關(guān)工程技術(shù)人員就已經(jīng)著手探索應(yīng)用具有輻射性功能同位素探測(cè)煤炭灰燼組分的經(jīng)濟(jì)法。現(xiàn)階段常規(guī)和最先進(jìn)的探測(cè)解決方案一般為：雙向能源γ射線穿透技術(shù)，自然γ射線探測(cè)技術(shù)，中微子活性化瞬間爆發(fā)γ射線解析技術(shù)，X射線紫外線解析技術(shù)，鐳射引導(dǎo)穿透光波解析技術(shù)，多功能X射線吸取技術(shù)等等。相關(guān)煤炭灰燼組分線上探測(cè)解決方案均具備相應(yīng)的特性及使用范疇。

1 探測(cè)根本原理

煤炭灰燼組分線上探測(cè)解決方案是一種依靠輻射探測(cè)手段的煤炭灰燼組分在線探測(cè)解決方案，這種方法的理論依據(jù)是：把煤炭視為兩類原子序列數(shù)值化學(xué)元素構(gòu)成的混合物質(zhì)，一類為以碳元素為主要組成成分的原子序列數(shù)值相對(duì)較低的化學(xué)元素，其平均原子序列數(shù)值為7上下，相關(guān)技術(shù)人員稱其為低Z化學(xué)元素;另一類為以硅元素、鋁元素為主要組成成分，原子序列數(shù)值相對(duì)較高的化學(xué)元素，其平均原子序列數(shù)值>11，故稱其為高Z化學(xué)元素。在煤炭灰燼組分里，通常來(lái)講二氧化硅和三氧化二鋁屬于絕對(duì)多數(shù)的組成成分，而且硅元素和鋁元素在氧化物總數(shù)里占據(jù)半壁江山，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(shuō)只要測(cè)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。

采用具有放射性的射線探測(cè)煤炭灰燼組分的解決方案均要求探測(cè)相關(guān)射線的能量強(qiáng)弱，然而此類能量強(qiáng)弱與相關(guān)射線在煤炭中發(fā)生作用的幾率和衰減程度密切相關(guān)，相關(guān)射線在煤炭中衰減的規(guī)律符合一種被相關(guān)領(lǐng)域廣泛認(rèn)可的指數(shù)型分布函數(shù)。

2 煤炭灰燼組分線上探測(cè)方法研究對(duì)比

2.1 雙向能源γ射線穿透方案

雙向能源γ射線穿透法煤炭灰燼組分探測(cè)的原理是把較低能量值的γ射線和中等能量值的γ射線適當(dāng)結(jié)合以后達(dá)成煤炭灰燼組分線上探測(cè)。較低能量值的γ射線衰減狀況和煤炭中高Z化學(xué)元素組成結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，一般用檢測(cè)評(píng)定煤炭中高Z化學(xué)元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù);中等能量值的γ射線對(duì)各種化學(xué)元素的質(zhì)量衰退程度區(qū)別非常小，其衰弱和吸取僅僅與被穿透的煤炭的有效厚度相關(guān)。通過(guò)中等能量值的γ射線的這個(gè)特性，能夠?qū)γ禾康挠行Ш穸葘?shí)行修正。

雙向能源γ射線穿透法煤炭灰燼組分探測(cè)使用穿透輻射模式，剛好能夠完成射線準(zhǔn)確正直，進(jìn)而符合指數(shù)型衰減規(guī)律的應(yīng)用條件。上述情況受到材料密度、顆粒程度、材料厚度變動(dòng)損傷較少的物質(zhì)基本條件，進(jìn)而使得該方案實(shí)際應(yīng)用準(zhǔn)確程度高于絕大多數(shù)煤炭灰燼組分線上探測(cè)裝備。此類探測(cè)解決方案的優(yōu)勢(shì)如下：（1）直接對(duì)輸煤膠帶上的散煤實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，不需要分流、采樣、破碎、制樣等附加設(shè)備。（2）杜絕豎直方向偏折情況。（3）可以探測(cè)相對(duì)較大的顆粒程度。（4）水分損傷程度比較小。（5）具有非常大的煤炭灰燼組分探測(cè)動(dòng)態(tài)區(qū)間。（6）具有相對(duì)的煤炭流量厚度探測(cè)動(dòng)態(tài)區(qū)間。

此類方案的缺陷：（1）容易遭到煤炭中較高原子序列數(shù)值化學(xué)元素尤其是鐵元素百分比的制約相對(duì)比較大，針對(duì)混合煤炭探測(cè)誤差相對(duì)比較大。（2）煤炭流量厚度溢出允許的最大測(cè)量量程時(shí)，射線可能大幅度減弱，裝備不能正常運(yùn)作。（3）使用放射源，辦理采購(gòu)、驗(yàn)收、退役等手續(xù)復(fù)雜，周期長(zhǎng)。

2.2 天然γ射線穿透探測(cè)方案

天然γ射線穿透探測(cè)方案是借助捕捉煤炭本身輻射出來(lái)的γ粒子的發(fā)生量來(lái)明確煤炭的灰燼組分。因?yàn)槊禾恐械V物質(zhì)中包含鉀-40、鈾-238、釷-232的天然γ放射性元素，通過(guò)測(cè)量由煤自身的放射性物質(zhì)引起的γ計(jì)數(shù)率來(lái)反映煤中礦物質(zhì)含量，從而確定煤的灰分。

此類探測(cè)解決方案的優(yōu)勢(shì)如下：不需要放射源頭。

此類方案的缺陷有下述幾種：（1）天然γ放射性化學(xué)元素組成成分和鋁元素、硅元素、鈣元素、鐵元素等等化學(xué)元素組成成分無(wú)直接聯(lián)系，二者在相應(yīng)的礦場(chǎng)中的關(guān)聯(lián)性制約了此種解決方案的可操作性，所以某些區(qū)域能夠采用該方案探測(cè)煤炭灰燼組分，另外的區(qū)域則無(wú)法探測(cè)煤炭灰燼組分，而且不能探測(cè)混合型煤炭。（2）γ計(jì)量比率探測(cè)難度較大，并且容易受到周邊條件因素的制約。煤炭資源的輻射能力相比土壤石塊、水泥混凝土等等物質(zhì)要低一些，特別是較低煤炭灰燼組分煤炭，輻射特性僅有一百萬(wàn)分之幾的數(shù)量級(jí)，所以極易遭到環(huán)境因素的制約。

2.3 中微子活性化瞬間爆發(fā)γ射線解析技術(shù)

微子活性化指的是原子受到相應(yīng)的輻射以后捕獲中子之后產(chǎn)生后天輻射特性的反應(yīng)進(jìn)程。中微子與相關(guān)物質(zhì)的原子核相互反應(yīng)過(guò)程極其復(fù)雜多變，當(dāng)中有兩種相互反應(yīng)能夠迅速產(chǎn)生各類原子核所獨(dú)有的γ射線，就是特性γ射線。上述兩類反應(yīng)為：捕捉效應(yīng)和非彈性散射效應(yīng)。借助探測(cè)特性γ射線的能量，相關(guān)工程技術(shù)人員能夠定性甚至定量研究被測(cè)試樣本中的化學(xué)元素類別和該物質(zhì)的組成成分。

假如利用中子射線照射煤炭樣本，探測(cè)確定煤炭中各種化學(xué)元素散發(fā)出的特性γ射線，能夠研究煤炭樣本中含有的氫元素、硅元素、鋁元素、硫元素、鐵元素等化學(xué)元素的百分比構(gòu)成，從而推斷出煤炭灰燼組成成分、熱量輸出程度等有關(guān)參數(shù)。

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;第三是Am-Be。

此類探測(cè)解決方案的優(yōu)勢(shì)：能夠探測(cè)很多種類的化學(xué)元素組成成分，包含硫元素組分、灰燼組分，通過(guò)結(jié)果能夠掌握更多的煤炭品質(zhì)的信息數(shù)據(jù)。

此類探測(cè)解決方案的優(yōu)勢(shì)如下所示：（1）中微子活性化核心解決方案能量光譜處置方案、穩(wěn)定普解決方案和長(zhǎng)周期中微子管、中微子源頭材料都被國(guó)外相關(guān)企業(yè)所壟斷，價(jià)格一直高高在上。（2）發(fā)出的特性γ射線能量密度較高，通常在（1～11）MeV區(qū)間段內(nèi)，此情況給射線檢測(cè)造成不小的難度： 一來(lái)檢測(cè)效率差，高能量γ射線比較容易透過(guò)檢測(cè)裝置而未能被捕捉到;二來(lái)捕捉到的全能量峰值占比少，較難完成顯著的特性γ射線能量峰值，將會(huì)給能量光譜解析造成很多阻礙。（3）特性γ射線能量光譜比較復(fù)雜多變。由于煤炭樣本中基本上所有的化學(xué)元素均具備許多種類的特性γ射線，上述所有的射線均可能被捕捉到，然而當(dāng)中僅有為數(shù)不多的若干個(gè)占主導(dǎo)地位的射線是有實(shí)際研究?jī)r(jià)值的。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)正在使用的系統(tǒng)裝置中，多數(shù)使用NaI檢測(cè)設(shè)備。NaI檢測(cè)設(shè)備的能量識(shí)別比率差，導(dǎo)致很多的特性γ射線發(fā)出的能量光譜互相重疊，僅僅可以表現(xiàn)出來(lái)若干個(gè)能量密度高的γ射線峰值曲線。每種相關(guān)化學(xué)元素所占的百分比的波動(dòng)均可能對(duì)全部能量光譜形狀造成不利制約影響，而不能僅僅在該化學(xué)元素特性能量曲線處發(fā)生影響效果，因此需要通過(guò)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(jì)算，才能計(jì)算出灰分以及各元素成分。需要對(duì)不同煤種采用不同的計(jì)算參數(shù)。

2.4 X射線紫外線光譜研究

采用X射線紫外線光譜研究解決方案迅速探測(cè)煤炭灰燼組成成分的根本原理為：使用初始入射煤炭樣本的X射線對(duì)其進(jìn)行照射操作，此方法能夠激發(fā)出煤炭樣本中每種相關(guān)化學(xué)元素的特性X射線，探測(cè)相應(yīng)的特性X射線，就能夠研究判斷出煤炭樣本中各種化學(xué)元素的百分比含量。

2.5 鐳射引導(dǎo)穿透光波解析技術(shù)

本解決方案的基本原理為：使用高能量脈沖鐳射激光照射煤炭樣本表層，可以在微米數(shù)量級(jí)的區(qū)域內(nèi)快速產(chǎn)生高溫效應(yīng)，能夠引發(fā)相關(guān)區(qū)域里面的煤炭樣本發(fā)生反應(yīng)成為等離子體，等離子體內(nèi)部的各類相關(guān)化學(xué)元素可以發(fā)射光譜，捕捉到相應(yīng)的光譜，便能夠獲取到各種相關(guān)化學(xué)元素的百分比含量信息數(shù)據(jù)。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有眾多相關(guān)企業(yè)和科研單位探索采用此項(xiàng)解決方案探測(cè)煤炭灰燼組成成分。

2.6 多功能X射線吸取技術(shù)

多功能X射線吸取技術(shù)探測(cè)煤炭灰燼組成成分的根本原理為：采用被電磁場(chǎng)加速的電子撞擊合金目標(biāo)生成人造射線，獲得各種組分的含量，進(jìn)而計(jì)算出灰分。

此方法的優(yōu)勢(shì)為：一來(lái)不使用放射性源頭;二來(lái)探測(cè)精度高，煤炭灰燼中高原子序列數(shù)值化學(xué)元素比例波動(dòng)的影響可以忽略不計(jì);最后是維護(hù)簡(jiǎn)易，使用成本較低。

此方法的缺點(diǎn)為：一來(lái)對(duì)煤炭流形狀條件規(guī)定較為嚴(yán)格。二來(lái)系統(tǒng)有附屬裝置，整體裝備復(fù)雜多變，運(yùn)營(yíng)成本高。

3 結(jié)束語(yǔ)

煤炭灰燼組成成分線上探測(cè)解決方案在煤炭領(lǐng)域生產(chǎn)進(jìn)程管控、自動(dòng)化裝煤，電廠的智慧型儲(chǔ)存等層面發(fā)揮了關(guān)鍵效果，對(duì)大幅度提高煤炭運(yùn)輸與綜合深加工相關(guān)單位的智慧化與自動(dòng)化層次具有非常重要實(shí)際價(jià)值。

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