煤炭灰分线上探测方法对比研究

郭小东

摘  要：文章详细讲述了采用双向能源γ射线穿透技术等为典型代表的几种常规煤炭灰烬组分线上探测解决方案的根本原理、工艺方法特征、一般优势及弊端，并且针对探测准确程度、使用范畴、稳定性、安全性和性能与价格比等等重要参数实行了比较与研究。

关键词：煤炭灰烬组分;线上探检;γ射线;镭射

中图分类号：TQ533         文献标志码：A         文章编号：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

煤炭的灰烬组分是煤炭资源在特定温度环境条件下充分燃烧以后，剩余的固体状态残渣所占整体质量的比例参数。常规化学方法探测煤炭灰烬组分是一种线下研究探测法，消耗的周期较长，无法第一时间对挖掘开采作业进行合理的指导。煤炭灰烬组分线上探测解决方案规避了常规化学方法落后特性所引发的诸多弊端，有益于提升煤炭的成品合格比例，推动智慧型生产车间的建造。达成煤炭灰烬组分线上探测一般依靠射线辐射探量解决方案，自从20世纪70年代相关工程技术人员就已经着手探索应用具有辐射性功能同位素探测煤炭灰烬组分的经济法。现阶段常规和最先进的探测解决方案一般为：双向能源γ射线穿透技术，自然γ射线探测技术，中微子活性化瞬间爆发γ射线解析技术，X射线紫外线解析技术，镭射引导穿透光波解析技术，多功能X射线吸取技术等等。相关煤炭灰烬组分线上探测解决方案均具备相应的特性及使用范畴。

1 探测根本原理

煤炭灰烬组分线上探测解决方案是一种依靠辐射探测手段的煤炭灰烬组分在线探测解决方案，这种方法的理论依据是：把煤炭视为两类原子序列数值化学元素构成的混合物质，一类为以碳元素为主要组成成分的原子序列数值相对较低的化学元素，其平均原子序列数值为7上下，相关技术人员称其为低Z化学元素;另一类为以硅元素、铝元素为主要组成成分，原子序列数值相对较高的化学元素，其平均原子序列数值>11，故称其为高Z化学元素。在煤炭灰烬组分里，通常来讲二氧化硅和三氧化二铝属于绝对多数的组成成分，而且硅元素和铝元素在氧化物总数里占据半壁江山，所以煤炭灰分中高Z元素质量约占50%的结论带有普遍意义，可以说只要测定煤中高Z元素的质量分数，乘以近似为Z的常数就是煤的灰分值。

采用具有放射性的射线探测煤炭灰烬组分的解决方案均要求探测相关射线的能量强弱，然而此类能量强弱与相关射线在煤炭中发生作用的几率和衰减程度密切相关，相关射线在煤炭中衰减的规律符合一种被相关领域广泛认可的指数型分布函数。

2 煤炭灰烬组分线上探测方法研究对比

2.1 双向能源γ射线穿透方案

双向能源γ射线穿透法煤炭灰烬组分探测的原理是把较低能量值的γ射线和中等能量值的γ射线适当结合以后达成煤炭灰烬组分线上探测。较低能量值的γ射线衰减状况和煤炭中高Z化学元素组成结构相关联，一般用检测评定煤炭中高Z化学元素的质量百分数;中等能量值的γ射线对各种化学元素的质量衰退程度区别非常小，其衰弱和吸取仅仅与被穿透的煤炭的有效厚度相关。通过中等能量值的γ射线的这个特性，能够对煤炭的有效厚度实行修正。

双向能源γ射线穿透法煤炭灰烬组分探测使用穿透辐射模式，刚好能够完成射线准确正直，进而符合指数型衰减规律的应用条件。上述情况受到材料密度、颗粒程度、材料厚度变动损伤较少的物质基本条件，进而使得该方案实际应用准确程度高于绝大多数煤炭灰烬组分线上探测装备。此类探测解决方案的优势如下：（1）直接对输煤胶带上的散煤实现在线测量，不需要分流、采样、破碎、制样等附加设备。（2）杜绝竖直方向偏折情况。（3）可以探测相对较大的颗粒程度。（4）水分损伤程度比较小。（5）具有非常大的煤炭灰烬组分探测动态区间。（6）具有相对的煤炭流量厚度探测动态区间。

此类方案的缺陷：（1）容易遭到煤炭中较高原子序列数值化学元素尤其是铁元素百分比的制约相对比较大，針对混合煤炭探测误差相对比较大。（2）煤炭流量厚度溢出允许的最大测量量程时，射线可能大幅度减弱，装备不能正常运作。（3）使用放射源，办理采购、验收、退役等手续复杂，周期长。

2.2 天然γ射线穿透探测方案

天然γ射线穿透探测方案是借助捕捉煤炭本身辐射出来的γ粒子的发生量来明确煤炭的灰烬组分。因为煤炭中矿物质中包含钾-40、铀-238、钍-232的天然γ放射性元素，通过测量由煤自身的放射性物质引起的γ计数率来反映煤中矿物质含量，从而确定煤的灰分。

此类探测解决方案的优势如下：不需要放射源头。

此类方案的缺陷有下述几种：（1）天然γ放射性化学元素组成成分和铝元素、硅元素、钙元素、铁元素等等化学元素组成成分无直接联系，二者在相应的矿场中的关联性制约了此种解决方案的可操作性，所以某些区域能够采用该方案探测煤炭灰烬组分，另外的区域则無法探测煤炭灰烬组分，而且不能探测混合型煤炭。（2）γ计量比率探测难度较大，并且容易受到周边条件因素的制约。煤炭资源的辐射能力相比土壤石块、水泥混凝土等等物质要低一些，特别是较低煤炭灰烬组分煤炭，辐射特性仅有一百万分之几的数量级，所以极易遭到环境因素的制约。

2.3 中微子活性化瞬间爆发γ射线解析技术

微子活性化指的是原子受到相应的辐射以后捕获中子之后产生后天辐射特性的反应进程。中微子与相关物质的原子核相互反应过程极其复杂多变，当中有两种相互反应能够迅速产生各类原子核所独有的γ射线，就是特性γ射线。上述两类反应为：捕捉效应和非弹性散射效应。借助探测特性γ射线的能量，相关工程技术人员能够定性甚至定量研究被测试样本中的化学元素类别和该物质的组成成分。

假如利用中子射线照射煤炭样本，探测确定煤炭中各种化学元素散发出的特性γ射线，能够研究煤炭样本中含有的氢元素、硅元素、铝元素、硫元素、铁元素等化学元素的百分比构成，从而推断出煤炭灰烬组成成分、热量输出程度等有关参数。

该技术的关键之一是选择中子源，目前主要有3种中子源方案：一是252Cf（锎-252）裂变中子源;二是中子管;第三是Am-Be。

此类探测解决方案的优势：能够探测很多种类的化学元素组成成分，包含硫元素组分、灰烬组分，通过结果能够掌握更多的煤炭品质的信息数据。

此类探测解决方案的优势如下所示：（1）中微子活性化核心解决方案能量光谱处置方案、稳定普解决方案和长周期中微子管、中微子源头材料都被国外相关企业所垄断，价格一直高高在上。（2）发出的特性γ射线能量密度较高，通常在（1～11）MeV区间段内，此情况给射线检测造成不小的难度： 一来检测效率差，高能量γ射线比较容易透过检测装置而未能被捕捉到;二来捕捉到的全能量峰值占比少，较难完成显著的特性γ射线能量峰值，将会给能量光谱解析造成很多阻碍。（3）特性γ射线能量光谱比较复杂多变。由于煤炭样本中基本上所有的化学元素均具备许多种类的特性γ射线，上述所有的射线均可能被捕捉到，然而当中仅有为数不多的若干个占主导地位的射线是有实际研究价值的。

现阶段国内正在使用的系统装置中，多数使用NaI检测设备。NaI检测设备的能量识别比率差，导致很多的特性γ射线发出的能量光谱互相重叠，仅仅可以表现出来若干个能量密度高的γ射线峰值曲线。每种相关化学元素所占的百分比的波动均可能对全部能量光谱形状造成不利制约影响，而不能仅仅在该化学元素特性能量曲线处发生影响效果，因此需要通过标定一系列标准样品，并进行复杂的数据处理计算，才能计算出灰分以及各元素成分。需要对不同煤种采用不同的计算参数。

2.4 X射线紫外线光谱研究

采用X射线紫外线光谱研究解决方案迅速探测煤炭灰烬组成成分的根本原理为：使用初始入射煤炭样本的X射线对其进行照射操作，此方法能够激发出煤炭样本中每种相关化学元素的特性X射线，探测相应的特性X射线，就能够研究判断出煤炭样本中各种化学元素的百分比含量。

2.5 镭射引导穿透光波解析技术

本解决方案的基本原理为：使用高能量脉冲镭射激光照射煤炭样本表层，可以在微米数量级的区域内快速产生高温效应，能够引发相关区域里面的煤炭样本发生反应成为等离子体，等离子体内部的各类相关化学元素可以发射光谱，捕捉到相应的光谱，便能够获取到各种相关化学元素的百分比含量信息数据。现阶段国内外已经有众多相关企业和科研单位探索采用此项解决方案探测煤炭灰烬组成成分。

2.6 多功能X射线吸取技术

多功能X射线吸取技术探测煤炭灰烬组成成分的根本原理为：采用被电磁场加速的电子撞击合金目标生成人造射线，获得各种组分的含量，进而计算出灰分。

此方法的优势为：一来不使用放射性源头;二来探测精度高，煤炭灰烬中高原子序列数值化学元素比例波动的影响可以忽略不计;最后是维护简易，使用成本较低。

此方法的缺点为：一来对煤炭流形状条件规定较为严格。二来系统有附属装置，整体装备复杂多变，运营成本高。

3 结束语

煤炭灰烬组成成分线上探测解决方案在煤炭领域生产进程管控、自动化装煤，电厂的智慧型储存等层面发挥了关键效果，对大幅度提高煤炭运输与综合深加工相关单位的智慧化与自动化层次具有非常重要实际价值。

参考文献：

[1]程栋，滕召胜，黎福海，等.一种新型煤炭灰分双能量γ射线检测方法[J].中南大学学报（自然科学版），2018，45（5）：1510-1515.

[2]贾文宝，黑大千，单卿.PGNAA技术在国内煤炭行业中应用现状及问题[C]//中国核学会2011年学术年会论文集（第9册），2019.

[3]黄兴滨，王国荣，孙普男，等.测量煤炭灰分的低能γ射线反散射方法[J].核技术，2018，28（11）：877-880.