NGAM-2008天然射线灰分仪在西南地区选煤厂的应用

葛学海，白云飞，陈 鹏，张立功，张广超

(开封市测控技术有限公司，河南省 开封市 475000)

NGAM-2008天然射线灰分仪在西南地区选煤厂的应用

葛学海，白云飞，陈 鹏，张立功，张广超

(开封市测控技术有限公司，河南省 开封市 475000)

针对我国西南地区的煤质情况，分析了应用有源灰分仪检测的问题，阐述了天然射线灰分仪的原理，基于煤样的天然放射性测试结果，分析了该灰分仪在攀煤集团和代池坝选煤厂的应用情况。现场应用表明：天然射线灰分仪的使用效果良好，完全满足用户的要求，在西南地区具有较好的应用推广价值。

天然射线灰分仪；有源灰分仪；高灰分测量；测量精密度

我国西南地区四省市(一般指四川省、贵州省、云南省及重庆市)的煤炭保有储量为843.4亿t，占全国的8.8%，基础储量占11%。西南地区的煤炭资源丰富，煤种齐全，是我国重要的煤炭生产基地之一[1-2]。但是，该地区煤矿煤层薄、地质变化大、赋存条件差，原煤质量很不稳定，突出表现为灰分高、且波动较大，目前这些地区原煤灰分大部分采用人工检测。生产实践表明，人工取样检测工序多，数据滞后，人为因素多，监管成本高，工人工作环境差，劳动强度大[3]，不符合现代企业要求实现煤质快速准确检测、减员降本增效的管理目的。尤其是在当前煤炭行业形势低迷的背景下，煤炭生产和洗选加工企业为了确保供需双方的经济利益，寻求更大的经济效益，需要煤质检测的公开、公平、公正，以避免煤质纠纷，创造良好的内部市场环境，因而急需一种可准确、高效、自动化的灰分在线检测仪器，因而在线灰分自动测量设备替代人工灰分检测是当前的发展趋势。目前，行业内常用到的在线灰分检测设备主要有基于双放射源的有源在线灰分仪和无放射源的天然射线在线灰分仪两类。

1 有源在线灰分仪

1.1 有源灰分仪原理

有源灰分仪检测灰分是基于射线透射原理(图1)，使用了两个γ射线放射源：高能放射源137Cs和低能放射源241Am。高低能量γ射线与物质相互作用机制不同，高能射线的穿透衰减只与煤层的质量厚度有关，而低能射线的穿透衰减不仅与煤层的质量厚度有关，还与煤的灰分含量有关，组合两种射线穿透强度的测量就可确定出灰分，并能自动补偿煤层厚度及散密度变化对测量结果的影响[4]。

图1 有源灰分仪灰分检测示意图

1.2 有源灰分仪的应用

受复杂地质条件的影响，西南地区的原煤灰分普遍偏高，多数入选原煤灰分在40%以上，例如：攀枝花煤业集团精煤公司入选花山煤矿的原煤待测灰分为55%左右，广旺能源代池坝选煤厂的入厂原煤待测灰分为45%左右。根据《EJ/T 1078—1998 γ辐射煤灰分测量仪》的要求：灰分仪的检测上限为50%，当待测灰分在30%～50%时，灰分仪的检测精度要<2.5%[5]。但是，有源灰分仪使用的241Am是低能放射源，能量只有60 keV，对灰分含量很敏感，待测煤流的灰分越大，对低能射线的阻挡吸收越强烈，导致有源探测器探测到的有效射线数量太少，信噪比下降，精度降低。因此，对于待测灰分超过检测上限的煤炭，有源灰分仪的使用效果不是很理想。

1.3 有源灰分仪的问题

针对高灰分煤流的在线检测，若要提高有源灰分仪的检测精度，从技术角度处理就必须加大放射源的活度，以提高探测器的信号接收概率。而有源灰分仪普遍使用的是活度300 mCi的四类放射源[6]，若再加大源强，环保安全风险会更大，国家的监管力度会更严格，相关的防护措施等级会更高，设备的成本升高，使用性价比会显著降低，而且也加大了用户的维护难度。使用用户本来就对放射源的使用有畏惧心理，因此在高灰分测量领域应用有源灰分仪普遍未得到用户的认可。相比之下，应用无放射源的新型天然射线灰分仪则可以很好地解决高灰分原煤在线灰分测量的问题。

2 天然射线灰分仪

天然放射性在自然界中普遍存在，煤炭也不例外，煤中的矿物成分都含有不同程度的页岩，而页岩中往往含有微量天然放射性元素，如钾、钍、铀等。对于一定质量的煤炭，其天然放射性强度的大小与灰分含量呈正相关关系，通过预先对天然放射性强度和灰分的关系进行标定，就可用已测定煤的天然放射性强度确定煤中的灰分。在美国、澳大利亚和新西兰，许多实验室都应用这种方法测定灰分[7]。该方法要求探测器足够灵敏，并充分屏蔽外界噪声，同时需要利用大数据量的能谱分析计算技术，才能实现在线灰分实时测量。

随着我国核探测材料制造工艺的进步，大尺寸闪烁晶体怕振动、易碎的难点已经攻克，可以制造出高灵敏度的射线探测器，而且随着大规模半导体嵌入式技术的应用，现场分析仪表的嵌入式处理器也完全可以实现短时间、高复杂的数学计算。2012年，开封市测控技术有限公司研制出国内第一台无源在线灰分仪——NGAM-2008天然射线灰分仪(图2)，并成功在兖矿集团东滩选煤厂应用[8]，从而开启了我国煤炭灰分无源检测的先河。该灰分仪使用基于大尺寸闪烁晶体的高灵敏度探测器探测煤中痕量的天然射线信号，利用合金材料屏蔽体屏蔽外界干扰，降低本底影响以提高信噪比，利用能谱分析技术统计多种放射性元素的含量，可以快速给出1 min可信的灰分数据，测量精密度最好可达到0.3%。

相对于有源灰分仪，NGAM-2008天然射线灰分仪不使用放射源，不需要环保部门的监管审批，并配有负荷称重装置，除了可给用户提供灰分信息，同时还可以给出可信的产量信息，产量计量精度优于0.5%。

图2 NGAM-2008天然射线灰分仪结构原理图

3 西南地区煤样的评估

为了评估NGAM-2008天然射线灰分仪在西南地区选煤厂应用的可能性，降低仪器在现场使用的技术风险，从四川、重庆、贵州等地取得了相关煤样进行实验室测试评估。表1是选取的攀枝花煤业集团小宝鼎煤矿、重庆能源南桐选煤厂及贵州永贵能源五凤选煤厂等地煤样的天然放射性强度测试结果。

表1 西南地区相关煤样的天然放射性测试结果

注：cps指探测器统计得到的煤样每秒钟发出天然射线的计数值。

根据对煤样的测试结果进行评估，可以出如下结论：

(1)来自四川、重庆、贵州的煤样均具有天然放射性，排除环境本底的影响后，比对从全国各地矿区取得的80余个煤样，西南地区煤样的天然放射性核素含量处于较高水平。

(2)同一矿区的煤样(如小宝鼎煤矿)，其天然放射性强度与灰分呈显著的正相关性：灰分越高，天然放射性强度越强。

此外，攀煤集团花山矿、太平矿、广旺代池坝选煤厂的煤样经测试也均具有上述特征。因此，西南地区的煤样完全满足天然射线灰分仪测量的基本要求，其高灰、高放射性特点非常适合天然射线灰分仪测量。

4 天然射线灰分仪的应用情况

自2013年4月以来，四川、重庆等地区先后推广应用了5台天然射线灰分仪，从用户的反馈来看，均取得了良好的应用效果。

4.1 攀煤集团精煤公司的应用

为保证煤质检测的公开、公平、公正，确保供需双方的经济利益，攀枝花煤业集团精煤分公司于2014年3月在格洗车间安装了一台NGAM-2008天然射线灰分仪，用于替代原人工取样检验，进行矿、厂双方的原煤结算灰分检测，以达到减少人为因素，降低管理成本，实现原煤灰分自动化、连续化、高效化地在线测量的目的。灰分仪所在胶带输送机带宽为1 000 mm、带速为2.46 m/s，运量为400 t/h，待测煤流灰分为45%～65%。

灰分仪正式投用后，攀煤集团公司对该灰分仪的测量结果进行了随机检验，以检查其实际使用效果。表2是11组抽检比对结果记录，比对、评价方法参照GB/T 19952—2005《煤炭在线分析仪测量性能评价方法》、EJ/T 1078—1998《γ辐射煤灰分测量仪》的规定进行。

表2 攀枝花煤业集团煤样灰分的测量值与化验值

根据国家标准GB/T 19952—2005《煤炭在线分析仪测量性能评价方法》：以均方根误差作为测量误差，综合表2比对数据，计算出该天然射线灰分仪的测量精度为1.49%[9]，完全满足使用要求。

4.2 代池坝选煤厂的应用

广旺能源代池坝选煤厂为群矿型选煤厂，主要入选代池坝、赵家坝及石洞沟3个煤矿的原煤，设计能力1.50 Mt/a，待测原煤灰分范围为26%～78%，平均56.14%，原煤质量较差[10]。集团为了厂矿内部考核结算，于2015年3月在该厂9#装载点入厂胶带上安装了一台NGAM-2008天然射线灰分仪，用于实时检测入选原煤的质量。安装灰分仪的胶带输送机带宽为800 mm，带速为1.6 m/s，运量为300 t/h，倾角0°，环境条件非常适宜灰分仪的安装及使用。

表3所示是2015年4月20日集团与厂、矿三方联合组织的比对实验的记录数据。

根据国家标准GB/T 19952—2005《煤炭在线分析仪测量性能评价方法》，并综合表3比对数据，计算该天然射线灰分仪的测量精度为1.08%，也满足生产使用要求。

表3 代池坝选煤厂煤样灰分的测量值与化验值Table 3 Comparison of measured and assay ash values of coal samples from Daichiba Coal Preparation Plant %

此外，代池坝选煤厂利用地磅称重系统，使用大煤量对该灰分仪的产量累计功能进行两次物料试验考核，考核的结果(表4)显示：该灰分仪的产量累计精度远优于厂家保证的0.5%，已达到0.25级皮带秤的效果。

表4 代池坝选煤厂NGAM-2008灰分仪产量累计功能试验结果

5 结论

截止2016年5月，西南地区的攀煤集团、广旺能源及重庆能源等用户已安装使用天然射线灰分仪5台，结合西南地区用户反馈的实际应用，该灰分仪可取得了如下良好效果：

(1)对50%左右的超高灰煤炭，该灰分仪测量精度在1.5%以内，完全达到EJ/T 1078—1998《γ辐射煤灰分测量仪》的规定：当待测灰分>30%，测量精度小于2.5%。灰分仪的测量精度符合生产要求，得到了使用用户的一致认可。

(2)该灰分仪不使用放射源，安全可靠，不需要额外的环保审批，管理成本低，并且设备的维护量小。从生产实践看，在应用的3年多时间里，天然射线探测器、能谱分析仪等核心部件稳定运行，未出现过重大停机故障，运行效果良好。

(3)该灰分仪可以用于集团公司内部的矿方和洗煤厂之间的内部考核和结算，可实时在线监测入选原煤质量，并根据反馈灰分信息，及时指导生产。

(4)该灰分仪还可以为用户带来可观的经济效益。以攀枝花煤业集团为例，安装在线无源灰分仪后，检测结果可得到用户认可，每班可少安排采样、制样、化验、监管人员5人，按每天两班组织生产，每人每年工资按4.5万元计算，可减少安排两个班的人工共10人，年节省工资成本支出45万元。

(5)此外，该灰分仪除可给出实时灰分数据，还可以给出可信的产量计量信息，累计量精度优于0.5%，可实现煤质、煤量一体化检测，极大方便了用户的生产管理。

综合上述的实际使用效果可见，天然射线灰分仪非常适合在原煤灰分高，且煤质波动大的西南地区的煤矿、选煤厂等企业使用，不仅可以取得好的应用效果，还能够创造良好的经济效益，极具市场推广价值。

[1] 贵州省《中国现代煤炭市场体系建设》课题组.关于西南地区现代煤炭体系建设的建议[C].2006'中国煤炭市场高峰论坛论文集:178-181.

[2] 秦云虎，王双美，张 静，等.中国西南地区动力用煤资源分级评价指标及资源量构成[J].中国煤炭地质,2013(9)：1-5.

[3] 彭 勇，张江云，柏仁宣.NGAM-2008天然射线灰分仪在原煤煤质检测中的研究应用 [J] .煤质技术，2014 (S1)：57-59.

[4] 马永和，杨英范.同位素方法检测煤炭灰分的进展 [J] .东北煤炭技术，1995(6)：52-59.

[5] 全国核仪器仪表标准化技术委员会. γ辐射煤灰分仪：EJ/T 1078-998[S] .北京：中国标准出版社，1998.

[6] 张志康，卓韵裳，林 谦，等.γ辐射煤灰分仪[M] .北京：原子能出版社，1999．

[7] 蔡少辉.核技术在煤质在线分析中的应用状况 [J] .核电子学与探测技术，1993 (6)：361-368.

[8] 葛学海，白云飞，陈 鹏，等. NGAM-2008天然射线灰分仪在东滩选煤厂的应用 [J] ．选煤技术，2014(4)：69-72.

[9] 杨华玉.γ射线在线灰分分析仪的操作测量性能评价方法 [J] .煤质技术，2007(3)：31-32.

[10] 刘 辉. 四川代池坝选煤厂原煤分选工艺研究 [J] .煤炭科学技术，2013(S1)：406-408．

Application of the NGAM-2008 natural gamma-ray ash monitor at coal preparation plants in southwest China

GE Xue-hai, BAI Yun-fei, CHEN Peng, ZHANG Li-gong, ZHANG Guang-chao

(Kaifeng Measurement & Control Technology Co., Ltd., Kaifeng 475000, Henan, China)

The coal produced in southwest China fluctuates widely in ash content. Following an analysis of the problems encountered in determination of the ash of the coal using active ash monitor, the paper goes to introduce the working principle of the natural gamma-ray ash monitor as well as the result of test made with coal sample and field application at the washery of Panzhihua Coal Group and Daichiba Coal Washery. Practice shows the ash monitor can work with a performance well up to the requirement of the plants, and its widespread application in southwest China is well warranted.

natural gamma-ray ash monitor; active ash monitor; high-ash coal measurement; measuring accuracy

1001-3571(2016)04-0063-04

TD948.9

A

2016-06-28

10.16447/j.cnki.cpt.2016.04.017

葛学海(1963—)，男，河南省开封市人，高级工程师，从事煤质在线检测设备的研究与推广工作。

E-mail：gexuehai@kfckgs.com Tel：13903780236

葛学海，白云飞，陈 鹏，等. NGAM-2008天然射线灰分仪在西南地区选煤厂的应用[J]. 选煤技术,2016(4)：63-66.