基于双能γ射线的煤炭灰分测量模型及其应用

程栋+滕召胜+黎福海+代扬

文章编号：16742974(2014)05009907

收稿日期：20131209

基金项目：国家科技支撑计划项目（2012BAJ24B00）

作者简介：程 栋（1978-），男，湖北黄冈人，湖南大学讲师

通讯联系人，Email:chengdongchina@163.com



摘 要：针对传统双能γ射线测量法检测误差较大以及灰分成分对检测精度影响大的问题，建立了基于模糊神经网络的双能γ射线的新型煤炭灰分测量模型，并应用该模型对煤炭灰分进行了在线检测试验，实例分析了两种双能γ射线测量方法在煤炭灰分检测中的应用情况．试验结果表明：相比于传统双能γ射线测量法3%的平均相对误差，本文提出的基于模糊神经网络的双能γ射线的灰分测量法的相对误差小于1%，且其测量结果不受灰分组成成分的影响.同时，利用X射线荧光光谱分析法（XRF）分析了灰分的化学组分与其含量的关系，研究了灰分化学组分对双能γ透射法检测结果的影响．结果表明：煤炭中Fe,Ca,Mg和S元素的含量会影响双能γ射线透射法的检测精度，其成分含量波动越大，检测结果误差也越大.

关键词：煤；灰分；双能γ射线；模糊神经网络；化学组分

中图分类号：TD94 文献标识码：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



近年来随着清洁煤技术在全球范围内的广泛使用和发展，煤炭质量和煤炭灰分含量检测技术在煤炭冶金领域得到非常重要的应用[1].对于钢铁企业，煤炭中的灰分每增加1%，将导致炼铁时焦比增加2%～2.5%，高炉单产降低2.5%～3%，炉渣增加2.7%～2.9%[2].因此，对于钢铁企业和电厂而言，控制采购和生产时煤炭中的灰分含量成为降低能耗以及提高经济效益的重要手段.

煤炭是由可燃烧物质和不可燃烧物质两大部分组成，其中可燃烧部分包括C，H，O，N，S等（低Z元素），以C为主，不可燃烧部分为灰分，包括Ca，Mg，Al，Si，Fe等（高Z元素）[3-5].当前，煤炭灰分的测定方法主要包括灼烧称重法、辐射测量法、天然放射性方法、光电式测灰法和图像处理测灰法等，相比传统的灼烧称重法以及其他测量方法，辐射测量法中的双能量γ射线透射法的测量精度高，受物料的形状、厚度、粒度、堆密度等因素影响小，性能价格比高，安全性能好，易于推广，是目前应用最广泛的煤炭灰分检测技术[6-8].

本文基于双能γ射线透射法的基本工作原理，研究双能γ射线透射法在煤炭实际生产过程的应用，针对煤炭中灰分化学组分影响煤炭灰分检测结果，造成检测误差波动大的问题，利用模糊神经网络的局部逼近能力，建立了拟合模糊神经网络的新型双能γ射线煤炭灰分检测模型，从而有效解决传统双能γ透射法误差波动大的问题，并通过对比灼烧称重法和传统双能γ测量方法的测量结果，验证了该模型的合理性.此外，利用X射线荧光光谱分析法（XRF）对煤炭的灰分进行检测，得到煤炭灰分的化学组分，通过对比分析煤炭灰分含量和灰分组成成分的关系，分析灰分中的不同组分对传统双能γ射线透射法灰分测量结果的影响.

1 基于双能γ射线的煤炭灰分测量模型

1.1 双能γ射线煤炭探测系统

利用双能γ射线测量煤炭灰分的依据是γ射线与物质作用仅与物质中元素的种类和各自的含量有关，而与元素组成的化合物分子种类无关[9].在低能γ射线的照射下，煤炭中硅、铝等“高Z元素”原子的光电效应截面比碳等“低Z元素”的相应截面要大得多，而前者的散射截面却比后者小[10-11].

对于不同能量的γ射线，吸收物不同则衰减率不同.低能γ241Am射线穿过煤炭时，射线对灰分变化敏感，煤炭灰分对射线衰减的影响大，射线通过煤样的衰减率与煤炭堆积厚度以及灰分含量有关.中能γ137Cs射线穿过固定灰分范围内的煤炭时，灰分对其衰减的影响较小，煤炭中灰分在固定范围内变化时，中能γ137Cs射线通过煤炭的衰减率可近似认为不变，射线的衰减量取决于煤炭厚度.因此，测量双能γ射线的衰减率可计算出堆积厚度随机变化的煤炭的灰分含量.

双能γ射线探测系统主要由射源、NaI探测器、MCA多频道分析仪、控制主板以及终端输出显示组成，如图1[1]所示.其中闪烁探测器测得的双能γ射线混合能谱，如图2[12]所示，采用的NaI闪烁探测器具有时间响应快、能量分辨率高等特点，在测量241Am和137Cs的混合γ射线时，容易把两者甄别出来.



图1 煤质探测系统示意图

Fig.1 Schematic diagram of coal detection system



幅度/V

图2NaI探测器能谱示意图

Fig.2 Typical spectrum of NaI detector

1.2 基于双能γ射线的煤炭灰分测量模型

γ能量射线穿越煤层后，其强度按照指数规律衰减[4]，即

I=I0exp -μ•ρd+Ib(1)

式中I为衰减后γ射线的强度；I0为初始γ射线的强度；Ib为固定装置吸收的射线强度，其值为常数，且Ib<<I，一般情况下可以忽略；μ为煤样对γ射线的吸收系数；ρ为煤样层密度；d为煤样厚度.

对于低能γ241Am射线和中能γ137Cs射线来说，可得到二者通过煤层的衰减率为［7-8］：

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

μi=lnIi0Ii－Ib•1ρd(3)

式中i=1表示低能γ241Am射线，i=2表示中能γ137Cs射线；K为γ射线衰减率.

根据式（3）联合低能γ241Am射线和中能γ137Cs射线的吸收率可得到二者的比例系数R［7-8］：

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

早前的研究［1-2］表明煤炭灰分含量A与其对γ射线的质量吸收系数和之间存在一种线性关系：

A=a+bR(5)

式中a和b是常量，其值取决于所检测煤质的种类.

对于不同种类的煤质而言，传统的双能γ射线透射法是利用γ射线探测系统得到双能γ射线吸收系数比R，并通过传统灼烧称重法检测多组煤样得到各组煤样的灰分含量，从而拟合试验数据和测量数据得到a和b的确定值.

此外，可以通过煤炭中“高Z元素”和“低Z元素”对241Am低能窄束γ射线质量衰减系数计算得出a和b的确定值[7].煤质的总质量吸收系数μ1可通过煤中第j类元素的质量吸收系数μj及其百分含量Cj按下式计算得出：

μ1=∑jμjCj(6)

若将煤作为可燃物质和不可燃物质组成的二元模型，式（5）可简化为[7]：

μ1=μHCH+μLCL(7)

且

CH+CL=1(8)

式中下标H和L分别表示煤炭中的可燃物质和不可燃矿物质.

联立式（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表示为：

a=－2μLμH－μL(10)

b=2μ2μH－μL(11)

式中μH和μL分别为煤炭中的“高Z元素”和“低Z元素”对241Am低能窄束γ射线质量衰减系数.

1.3 基于模糊神经网络的双能γ射线的煤炭灰分

测量模型

上述两种方法得到的煤炭灰分线性关系方程虽然能较为准确地测量煤炭中的灰分含量，但由于其测量结果容易受到煤炭灰分组成成分等因素的影响，且其误差波动大，难以满足生产需要.

模糊神经网络在处理非线性、模糊性的信息识别上有很大的优越性，其通过对目标系统的响应数据进行学习，不断提高拟合的精度.为了提高双能γ射线的煤炭灰分测量结果的精度，针对煤炭种类在钢铁企业和电厂变化周期较频繁的情况，本文采用模糊组分模式识别方法来实现煤炭灰分的准确测量，同时将神经网络理论应用于模糊系统，从而克服单纯模糊方法自学习能力较弱的问题，图3所示为本文建立的基于模糊神经网络煤炭灰分测量系统结构示意图.



图3 基于模糊神经网络煤炭灰分测量示意图

Fig.3 Schematic of coal ash measurement 

model based on fuzzy neural network



系统的输入向量为 x=［x1, x2, …, xn］T，每个分量xi均为模糊化的语言变量，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个语言变量值，它是定义在模式特征量论域Ui上的一个模糊集合.相应的隶属函数为 uji (i=1, 2, …,n；j=1, 2, …,mi；n是输入量的维数；mi 是 xi 的模糊分割数）.

本文建立的基于模糊神经网络的双能γ射线的煤炭灰分测量方法的FNN模型如图4所示.系统输入的固有特征向量集为{R, I1/I2}, 由试凑法和经验法确定其模糊分割数分别为：m1=2，m2=3，同时选择煤灰分含量作为网络的模糊输出.



图4模糊神经网络结构图

Fig.4 Schematic of fuzzy neural network structure

图中第1层为输入层，该层的各结点直接与输入向量的各分量 xi 连接，它起着将输入值x传送到下一层的作用.

第2层为模糊分割层，该层的每个结点代表输入向量的一个语言变量值，其作用是计算各输入分量属于各语言变量值模糊集合的隶属度函数uji.系统选择隶属度函数为高斯函数表示

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

式中cij和σij分别表示隶属度函数的中心值和宽度.

第3层为推理层，其中每个结点代表一条模糊规则.

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

第4层为输出层，此系统的输入输出关系为

y=∑6j=1ωjαj/∑6j=1αj(14)

式中ωj实际上也就是该层的连接权.

网络模型中需要学习的参数主要是最后一层的连接权ωj (j=1, 2, …, m)，以及第2层的隶属度函数的中心值cij和σij (i=1,2 , …, n; j=1, 2, …, mi).

这里采用误差代价函数来调整参数的学习算法.

E=12∑ni=1yi－yid2(15)

式中yid为对应 xi的期望输出.

2 基于双能γ射线的煤炭灰分测量模型应用

2.1 基于双能γ射线的煤炭灰分测量

为了验证基于模糊神经网络的双能γ射线的煤炭灰分测量模型测量的准确性，本文将对比传统双能γ射线透射法与基于模糊神经网络的双能γ射线测量法测量煤炭灰分的检测结果.

试验选用内蒙古某煤矿出产的煤炭作为研究对象，其灰分含量为1%~37%.为了保证标定煤质的测量结果具有代表性，在总体煤堆中的不同区域随机选取24组试验煤样.首先，利用双能γ射线实验平台获得各组煤样低能和中能的总质量吸收系数μ1和μ2，从而得到比例系数R的值；然后，利用传统的灼烧称重法对其进行灰分检测，表1所示为试验检测得到的各组煤样R值以及通过传统灰分试验获得的煤炭Acon结果.

表1 煤质吸收系数比例R和灼烧

称重法灰分检测结果对比

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

从表1可知煤灰分含量Acon和R存在着明显的线性关系.利用最小二乘法对表1中的数据进行拟合，得到Acon和R的关系

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

其中，截距a=-132.853 4，斜率b=84.723 1，其相关系数为0.997 4，标准误差为0.492 7，拟合的方程如图5所示.从图5中可以看出，通过拟合曲线计算的煤炭灰分值与传统方法的测量值之间误差较小，误差在3%左右浮动，说明拟合线性方程能在一定误差范围内很好地表示煤炭中灰分含量与双能γ射线质量吸收系数比例值R之间的关系.

煤质的质量吸收系数比例R

图5 煤质中灰分含量与质量吸收系数比例R关系

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

absorption coefficient ratio R of the coal



为了验证了本文建立的基于模糊神经网络的双能γ射线的煤炭灰分测量模型的合理性，对传统双能γ射线检测仪器中的控制主板进行相应修正，将所建立的新型煤炭灰分检测模型应用于控制主板.在试验用煤的不同煤层中随机选取16组煤样，利用两种双能γ射线测量方法分别为其中的8组煤样进行灰分检测，然后采用灼烧称重法对已检测的煤样进行传统灰分测量，从而验证两种双能γ射线测量方法的检测精度.

表2所示为传统的双能γ射线透射法和灼烧称重法的灰分试验测量结果对比，从中可知双能γ射线透射法的灰分测量结果误差主要集中在3%左右，但是对于灰分含量较低的煤炭（5.55%和4.34%），传统的双能γ射线透射法的检测精度偏离了误差的正常范围，分别达到为8.29%和12.44%.这主要是因为煤质灰分的组成成分会影响双能γ透射法的测量精度，且煤质中灰分含量越低，灰分组成的检测结果的影响越大[13].

表2 传统双能γ射线透射法煤质灰分测量精度

Tab.2 Coal ash measurement accuracy

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

NO

R

Aγ/%

Acon/%

误差/%

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所示为基于模糊神经网络的双能γ射线煤炭灰分测量结果与灼烧称重法的灰分测量结果的对比，从中可以看出，本文建立的模糊神经网络双能γ测量方法的灰分测量结果误差都小于1%，其平均误差为0.72%，且对于不同灰分含量的煤炭，其测量误差波动小，小于0.5%.

表3 模糊神经网络双能γ射线煤质灰分测量精度

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

γrays using fuzzy neural network

NO

R

Aγ/%

Acon/%

误差/%

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

综上所述，相比于传统双能γ射线透射法，本文建立的基于模糊神经网络的双能γ射线煤炭灰分测量模型的检测精度更高，且该方法减少了煤质灰分组成对测量结果精度的影响，其测量精度不受煤炭中灰分含量的影响.

2.2 双能γ射线透射法误差分析

为了验证煤中灰分组成成分对双能γ透射法灰分测量精度的影响，本文采用X射线荧光光谱分析法（XRF）分析试验煤炭灰分组成成分及其含量，并对比煤中灰分含量的变化情况，分析煤炭灰分中的不同组分与煤炭灰分含量之间的相对关系.表4为第一次试验中24组试验用煤通过传统灼烧称重法试验后残留的煤炭灰分的化学组成成分及其所占比重，其中R2O表示Na2O和K2O的混合物质，M表示Sr，Zr，Ba，V，Au，Ga以及La等重金属单质.

表4 灰分组成成分及其比重

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

NO

灰分组成

比例/%

NO

灰分组成

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

约1

从表4中可知，试验煤炭燃烧后的灰分主要是Si，Al，Mg，Ca，Fe，Ti等物质的氧化物以及盐类，这些物质在煤中的含量及比重是决定煤灰分含量的关键.其中Si，Al的氧化物占灰分总比重的80%以上，而Mg，Ca，Fe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含量对双能γ射线透射法的检测精度影响很大，特别在煤炭灰分含量少的情况下，Fe2O3变化引起的测量误差值随着煤炭中灰分含量的减少而增加[13-14]，因而可以确定表2中灰分含量较小的两组煤炭检测结果误差值超出正常范围是由于煤炭灰分组成成分引起的.

表5为6组不同煤炭灰分的组成成分及其比重与煤炭灰分含量的对比关系，分析二者之间的关系可以看出随着煤炭灰分含量的增加，SiO2，Al2O3，TiO2以及R2O等的比重也随之线性递增，如图6所示.而其他灰分组成成分与煤炭灰分含量之间无线性关系，如图7所示，从而进一步验证了煤炭灰分的组成成分对双能γ射线透射法测量结果的影响.

表5 煤质灰分含量与灰分组成成分对比关系

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

煤质灰分含量/%

图6 SiO2，Al2O3，TiO2和R2O与煤质灰分关系



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

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



从图7中可以看出，随着煤炭灰分含量的增加，灰分中Fe2O3，CaO，MgO以及SO3等的含量并没有出现线性的变化，且没有任何的变化规律，因此可知，煤炭中Mg，Ca，Fe以及S元素的含量对传统的双能γ射线透射法的检测结果有很大的影响.这主要是因为硫酸盐物质在高温燃烧环境下容易分解，部分硫酸盐会分解为氧化物和SO2气体， SO2会随着燃气排出，而Fe2O3，CaO和MgO在高温燃烧环境下容易和燃烧产物发生化学反应影响其在煤炭灰分中的比重.

因此，当煤炭中Fe，Ca，Mg以及S元素的含量比较高时，传统的双能γ射线透射法测量煤炭灰分含量的误差会超过可接受范围，使得双能γ射线透射法在煤炭灰分测量中受到很大的限制，而本文建立的基于模糊神经网络的双能γ射线的煤炭灰分测量技术能有效解决灰分组成成分对测量结果的影响，且其测量精度更高.

煤质中灰分含量/%

图7 Fe2O3，CaO，MgO和SO3与煤质灰分关系

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

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



3 结 论

1）利用传统的双能γ射线测量方法测量了煤炭中灰分含量，并和传统灼烧称重法的煤炭灰分检测结果进行对比，试验结果表明传统的双能γ射线透射法能在一定范围内较好地检测煤质中的灰分含量，但煤炭灰分的组成成分会影响双能γ透射法的测量精度.

2）针对传统的双能γ射线测量方法测量误差偏大以及测量不稳定的问题，建立基于模糊神经网络的双能γ射线的煤炭灰分测量模型，并利用该模型进行了试验测量．测量结果显示相比于传统的双能γ射线测量方法3%的误差，新建测量模型的测量误差小于1%，且有效解决了煤炭中灰分元素对测量结果的影响.

3）利用X射线荧光光谱分析法（XRF）分析煤炭灰分组成成分及其含量对煤炭灰分测量的影响，煤炭中Fe，Ca，Mg和S元素的含量会影响传统双能γ射线测量法的检测精度，其成分含量波动越大，检测结果误差也越大.

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