煤炭灰分在線檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景

趙 輝

(鄂爾多斯市西北能源化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010030)

在一定溫度下，煤炭經(jīng)過完全燃燒后，殘留的固態(tài)物質(zhì)占煤樣質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)就是煤灰分。煤灰分的傳統(tǒng)化學(xué)檢測(cè)法需經(jīng)過取樣、制樣、篩分、檢測(cè)等工序，耗時(shí)極長(zhǎng)，無法及時(shí)指導(dǎo)生產(chǎn)[1]。煤質(zhì)在線檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)煤質(zhì)分析的實(shí)時(shí)、快速檢測(cè)，解決了傳統(tǒng)分析法工序復(fù)雜、結(jié)果滯后的問題，對(duì)生產(chǎn)指導(dǎo)更及時(shí)、更客觀[2]。煤灰分在線檢測(cè)技術(shù)分為基于核輻射原理的灰分測(cè)定技術(shù)和無放射源的灰分測(cè)定技術(shù)。

1 基于核輻射原理的煤質(zhì)灰分檢測(cè)技術(shù)

放射源煤質(zhì)分析法是采用放射性物質(zhì)作為檢測(cè)源，主要技術(shù)包括γ射線反散射法、γ射線穿透檢測(cè)技術(shù)、中子活化技術(shù)等。

1.1 γ射線反散射技術(shù)

γ射線反散射法灰分檢測(cè)技術(shù)[3]應(yīng)用較早，該法原理是基于不同能量的γ射線與不同原子序數(shù)的物質(zhì)將產(chǎn)生不同效應(yīng)，具體表現(xiàn)為不同物質(zhì)對(duì)不同能量的γ射線質(zhì)量吸收系數(shù)的差異[4-5]，而煤炭灰分主要為高原子序數(shù)的氧化物，只要利用γ射線檢測(cè)出高原子序數(shù)物質(zhì)的百分含量即可達(dá)到檢測(cè)灰分的目的。針對(duì)此原理，大多數(shù)科研人員致力于提高檢測(cè)靈敏度的研究。

黃興賓等[6]首次利用核參數(shù)建立了檢測(cè)靈敏度的數(shù)學(xué)表達(dá)式，研究了光電截面、相干散射與非相干散射截面、總質(zhì)量吸收系數(shù)等參數(shù)對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響，為γ射線反散射技術(shù)檢測(cè)靈敏度的提高提供依據(jù)。2019年程棟[7]針對(duì)煤炭灰分成分的變化對(duì)γ射線反散射灰分儀測(cè)量精度的影響做了研究，建立了基于雙低能γ射線測(cè)量的校正模型，提高了測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)了灰分儀的軟件自動(dòng)處理。檢驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文研究的校正模型，克服了儀器標(biāo)定頻繁，檢測(cè)精度低等缺點(diǎn)。

反散射測(cè)灰技術(shù)原理簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本低，但是檢測(cè)結(jié)果受煤質(zhì)成分變化影響較大，標(biāo)定頻率高，結(jié)果不穩(wěn)定，準(zhǔn)確標(biāo)定工作難度大。

1.2 γ射線穿透檢測(cè)技術(shù)

γ射線穿透測(cè)灰技術(shù)一般使用低能發(fā)射源镅和中能發(fā)射源銫相結(jié)合的技術(shù)進(jìn)行灰分檢測(cè)。低能γ射線穿過煤層時(shí)，其減弱強(qiáng)度隨物質(zhì)的原子序數(shù)增大而增大，同時(shí)，還與煤?jiǎn)挝幻娣e質(zhì)量有關(guān)，而中能γ射線吸收率只與煤?jiǎn)挝幻娣e質(zhì)量及煤層厚度有關(guān)，可以校正煤質(zhì)質(zhì)量帶來的誤差[8]。

趙拴明[9]就西安德泰克電子系統(tǒng)有限責(zé)任公司研發(fā)的快速測(cè)定儀進(jìn)行了試驗(yàn)性研究，并與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，其灰分偏差±0.3，表明在線儀器檢測(cè)準(zhǔn)確度滿足要求。2014年，程棟[10]等基于雙能γ射線透射法的基本工作原理，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，改善了傳統(tǒng)雙能γ透射法誤差波動(dòng)大的問題，使檢測(cè)誤差由原來的3%減小到1%。

此類測(cè)試方法由于低能γ射線對(duì)高原子序數(shù)元素敏感度極高，使測(cè)量精度受重成灰礦物的含量影響很大，若煤中鐵、鈣等元素變化范圍較大，則γ射線穿透技術(shù)的誤差會(huì)較大。

1.3 中子活化技術(shù)(PGNAA)

大多數(shù)的PGNAA分析儀采用同位素中子源，煤炭中元素受到中子源照射后，形成特征γ射線，從而得到各元素的含量，進(jìn)而計(jì)算出煤質(zhì)發(fā)熱量和灰分等。

C.S.Lim[11]等利用中子非彈性散射及熱捕獲的技術(shù)，研究了大顆粒度的煤質(zhì)檢測(cè)技術(shù)，并在模擬工況下進(jìn)行測(cè)試，考察了樣品均勻性及煤層厚度對(duì)檢測(cè)的影響，結(jié)果表明，該方法可以減小檢測(cè)誤差。景士偉[12]等應(yīng)用特色產(chǎn)品5×108n/s 脈沖中子發(fā)生器代替煤炭行業(yè)原來使用的化學(xué)分析方法，在節(jié)約成本的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了煤質(zhì)的在線分析，并使用上海硅酸鹽研究所生產(chǎn)的BGO(鍺酸鉍) 探頭代替NaI，提高了γ射線探測(cè)率。劉永超[13]等研究了中子活化分析系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用情況，通過數(shù)據(jù)證明，中子活化旁線煤質(zhì)分析系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果相比誤差小，分析速度快，適應(yīng)性強(qiáng)，能夠有效對(duì)入廠煤質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)質(zhì)量管控。梁椿豪[14]等基于瞬發(fā)伽馬中子活化分析( PGNAA)技術(shù)設(shè)計(jì)了重介精煤灰分的煤質(zhì)在線檢測(cè)系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)灰分測(cè)量的動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)差為0.105%，實(shí)現(xiàn)了對(duì)重介塊精煤灰分的智能控制。

PGNAA分析儀標(biāo)定后無需額外維護(hù)，通過改進(jìn)還可以檢測(cè)煤炭中其他物質(zhì)含量，而且儀器不工作時(shí)輻射安全性較好，在正常工作時(shí)分析儀周圍不需要操作或維護(hù)人員。但這種測(cè)量方法大多也采用旁路檢測(cè)，設(shè)備分析過程復(fù)雜，耗時(shí)較長(zhǎng)，檢測(cè)成本較高，中子通量易受許多因素影響產(chǎn)生波動(dòng)，不適宜大范圍推廣。

2 無源煤質(zhì)灰分檢測(cè)技術(shù)

無源技術(shù)主要有X射線吸收技術(shù)、無源技術(shù)包括天然射線檢測(cè)法、激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析法等。

2.1 X射線吸收法

X射線吸收法是利用X射線管產(chǎn)生入射X射線(一次X射線)激發(fā)被測(cè)樣品，激發(fā)樣品中每一種元素會(huì)放射出二次X射線，不同元素所放射的二次X射線具有特定能量特性或波長(zhǎng)特性，測(cè)量上述放射出的二次 X 射線能量及數(shù)量即可獲得樣品中各種元素種類及含量[15]。

楊晨光[16]等對(duì)煤矸X射線識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了研究，探索利用X射線識(shí)別焦煤、肥煤、氣煤中煤和矸石的可行性，研究了不同煤種的密度和灰分的線性關(guān)系，在不同粒級(jí)煤質(zhì)中，其識(shí)別正確率在93%以上。喬治忠[17]等結(jié)合X 射線煤質(zhì)在線檢測(cè)系統(tǒng)在哈爾烏素選煤廠的實(shí)際情況，詳細(xì)介紹了X射線煤質(zhì)在線檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用情況，通過長(zhǎng)期與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在灰分小于15%時(shí)，精度≤0.5% 1σ；灰分在15%～30%時(shí)，精度≤ 1.0% 1σ；灰分>30%時(shí)，精度≤1.5% 1σ。Tuan D.Nguyen[18]等研究了高分辨率X射線顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描(HRXMT)技術(shù)代替常規(guī)沉浮選煤技術(shù)，其選煤結(jié)果符合澳大利亞標(biāo)準(zhǔn) AS 4156.1-1994，為煤的可選性的無損無毒測(cè)定提供了一種新方法，X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)安全快捷，其在選煤分析中的應(yīng)用為開發(fā)在線選煤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供依據(jù)，這是傳統(tǒng)的浮沉分析無法實(shí)現(xiàn)的。

X射線煤質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)周期短，可接入配煤系統(tǒng)，直接根據(jù)灰分值實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)配煤比例，而且X 射線對(duì)人體健康和環(huán)境危害較小，安全性高，斷電后不產(chǎn)生輻射，但是 X 射線法只適合于測(cè)量原子序數(shù)較大的元素，測(cè)量精度和靈敏度均較低。

2.2 天然射線檢測(cè)法

該方法是基于放射性核素在自然界中普遍存在，一定質(zhì)量煤的灰分含量與煤炭釋放的放射性核素具有一定的關(guān)系，通過高靈敏度的γ射線探測(cè)器探測(cè)一定量煤發(fā)出的γ射線粒子，從而計(jì)算出其灰分含量[19-20]。

劉少偉[21]針對(duì)水峪選煤廠的實(shí)際情況，在精煤膠帶安裝1臺(tái)γ天然射線在線測(cè)灰儀。經(jīng)檢測(cè)，水峪焦精煤天然放射性核素含量處于中等偏上水平，天然放射性強(qiáng)度與灰分含量呈顯著的正相關(guān)性，灰分儀的測(cè)定誤差范圍在 -0.26%～0.17%，符合在線煤質(zhì)檢測(cè)儀的精度要求。葛學(xué)海[22]等研究了NGAM-2008天然射線灰分儀在代池壩選煤廠的運(yùn)行情況，對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，灰分儀計(jì)量精度高于1.08%。

此方法不涉及放射源安全管理工作，更安全環(huán)保，而且設(shè)備管理方便，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本低，精度符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但是只適用于測(cè)量含放射性物質(zhì)較高的煤灰，而且γ計(jì)數(shù)率測(cè)量難度較大，易受到環(huán)境因素的影響，而且灰分越低受環(huán)境影響越嚴(yán)重[23]。

2.3 激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析法

高能脈沖激光礦物全元素在線檢測(cè)技術(shù)利用高能量脈沖激光激發(fā)待測(cè)樣品，瞬間造成樣品材料的化學(xué)鍵斷裂、化學(xué)成分被電離化而形成離子體，通過攝取、記錄、分析等離子體發(fā)射的光譜信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測(cè)樣品中化學(xué)元素成分含量的測(cè)定。

邢濤[24]等研究了激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)在電廠入爐煤煤質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用情況，實(shí)際運(yùn)行情況表明，實(shí)驗(yàn)使用8組煤質(zhì)數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29161—2012《中子活化型煤炭在線分析儀》動(dòng)態(tài)精密度(95%置信概率)的要求。戈佳[25]等研究了高能脈沖激光礦物全元素在線檢測(cè)技術(shù)，并通過二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了煤質(zhì)的全元素分析，對(duì)煤中SO2、NOx、汞、砷、堿金屬等有害元素施行在線測(cè)試，為企業(yè)鍋爐配煤、燃燒優(yōu)化調(diào)整、脫硫和脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行提供及時(shí)、可靠、準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。龐立波[26]等采用分子光譜和等離子體光譜結(jié)合多元分析新技術(shù)研發(fā)了一種新型煤質(zhì)在線分析法，可同時(shí)在線測(cè)量發(fā)熱量、水分、固定碳、灰分、揮發(fā)分、硫含量、無機(jī)元素等關(guān)鍵指標(biāo)。李春艷[27]等利用基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(LIBS)的煤質(zhì)快速檢測(cè)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，建立基于譜線篩選的PLS模型，相對(duì)于傳統(tǒng)的PLS模型，預(yù)測(cè)樣品的灰分預(yù)測(cè)結(jié)果平均誤差從2.262%下降至1.972%，最大誤差從5.093%下降至3.575%，模型的性能得以顯著提高。李楊[28]利用激光發(fā)生器發(fā)出的激光光束經(jīng)過煤炭后產(chǎn)生的不同光譜，再利用PLS對(duì)光譜分析后，得到煤質(zhì)的技術(shù)參數(shù)。

該方法煤質(zhì)不需要預(yù)處理，樣品需求量小，檢測(cè)速度快、結(jié)果精度高[29]，但是激光擊打點(diǎn)檢測(cè)量極小，其性質(zhì)不能夠完全代表樣品的整體特性，檢測(cè)過程為破壞性檢測(cè)，其煤質(zhì)表面性質(zhì)被改變，而且檢測(cè)儀器自身的性能波動(dòng)和測(cè)量時(shí)環(huán)境變化對(duì)信號(hào)造成的干擾較大。

3 結(jié) 論

基于核輻射原理的檢測(cè)技術(shù)大多原理簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本低，但是對(duì)防護(hù)要求高，且多為旁路檢測(cè)，設(shè)備復(fù)雜。鑒于有源技術(shù)管理嚴(yán)格、防護(hù)要求高等原因，無源檢測(cè)技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)，其中的X 射線法只適合于測(cè)量原子序數(shù)較大的元素，測(cè)量精度和靈敏度均較低；天然射線檢測(cè)法安全環(huán)保，設(shè)備簡(jiǎn)單，易操作，但是只適用于測(cè)量含放射性物質(zhì)較高的煤灰；激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析法樣品不需預(yù)處理，且樣品需求量小，但是檢測(cè)結(jié)果不能夠完全代表樣品的整體特性，且為破壞性檢測(cè)，檢測(cè)后煤質(zhì)表面性質(zhì)改變。綜合考慮各類因素，無源在線分析技術(shù)會(huì)逐漸成為煤質(zhì)在線分析的發(fā)展方向，其主要研究?jī)?nèi)容是克服改善各類無源在線分析儀本身的缺點(diǎn)及開發(fā)無源在線檢測(cè)新技術(shù)。