輻射測量法在煤的灰分測試中的應用

摘要：本文主要介紹低能γ射線反散射法、高能γ湮沒輻射法、雙能量γ射線透射法、中子瞬發γ分析法在煤的灰分測試中的應用，對比了這幾種方法的優缺點，給企業應用提供了建議。

關鍵詞：低能γ射線 高能γ湮沒輻射法 雙能量γ射線透射法 中子瞬發γ分析法

1 簡介

為了解煤炭的品質與性質，技術人員通常會通過測定其灰分的方式來確定。灰分作為衡量煤炭質量的重要指標，在煤炭質量檢測中占據重要地位，它指的是煤炭在高溫灼燒過程中，煤炭中所含的有機物質與無機物質相互反應分解最終形成的產物。傳統的灰分測定方法為灼燒稱重法，即通過對比和分析燃燒前后質量，最終得出所含雜質比例從而確定煤炭中的灰分含量。同時，在現場檢測時，技術人員也會采用快灰快浮的方式進行處理，但這種測量手法所需時間過長，檢測效率低下，不適應現代煤炭加工制造的實際需求，因而使用范圍有限，難以推廣。為進一步適應煤炭工業的快速發展需求，提高煤炭質量檢測效率，荷蘭于二十世紀二十年代首先研制出了“森得萊克斯”X射線測灰儀，這種測灰儀的問世有效地解決了傳統灰分測量難題，同時也極大地提升了煤炭質量檢測效率，為企業節省了檢測成本，從而有效地提高了其經濟效益。但目前從總體來看，在線測灰仍以輻射測量法為主要檢測手段，這種檢測方法具有很強的實時性，工序較為簡易，減輕了工人負擔，同時受外界影響度小，檢測結果準確度高。

2 輻射測量法在煤的灰分檢測中的應用

2.1 低能γ射線反散射法 低能γ射線反散射法是基于康普頓效應發展起來的，它利用γ射線穿過物質時除損失部分能量外，還剩余一部分能量散射開來的原理，最后通過測量與質量吸收系數成比例的低能γ射線反射強度最終確定灰分含量。煤炭由可燃部分與不可燃部分組成，其中可燃部分的主要成分為硫、碳、氫等，其中碳元素含量在80%以上，其等效原子序數Zeq≈14，而不可燃部分的主要成分則為鐵、硅、鈣等，其中硅的含量在80%以上，其等效原子序數Zeq≈6。對煤炭而言，所有不可燃部分均可以算作灰分。在測試時，通過低能γ射線照射，硅、鈣、鋁等原子的光電效應大于可燃部分中硫、碳、氫、氧等原子，從而確定煤炭的灰分。我國于二十世紀六十年代就開始關注并著手研究此類測量儀器，并于1976年首次鑒定了第一臺低能γ射線反射測灰儀。這種灰分測量方法所需技術以及模型較為簡易，測量工序嚴格，對所測量煤炭的各項指標均有明確規定與要求，因此在實際使用中難以實行，適用范圍較窄，推廣難度大。

2.2 高能γ湮沒輻射法 高能γ淹沒輻射法是一種新型的測量方法，其優勢為測量準確度高、穿透能力強、檢測效率高，它適應了煤的灰分檢測的需求，應用范圍較廣。能量>1.022MeV的高能γ射線與煤中物質的原子核作用，會有一定幾率產生正、負電子對，產生的正電子會立即與一個負電子發生湮沒反應，產生一對能量為511keV的γ射線。高能γ射線與物質發生電子對效應的幾率與物質的原子序數平方成正比，煤中的灰分越高，其平均原子序數越高，可以利用這個原理，通過測量511keV的γ射線強度來確定煤的灰分含量。高能γ湮沒輻射法與其他測量法相比，不易受到高原子序數的影響，但它同時也存在測量條件復雜，測量統計精度較低，輻射安全性能不高等缺點。因此，目前技術人員針對這一問題加緊研究，以進一步改造傳統的測量技術，減小誤差，改善測量條件。

2.3 雙能量γ射線透射法 雙能量γ射線透射法實現了煤灰分的在線測量，它將低能γ射線和中能γ射線的放射源充分結合起來，最后通過分析和對比二者的原子序數，最終得出灰分含量。隨著放射源吸收量的不斷增加，其原子序數也隨之增加，而灰分的原子序數遠高于煤炭，因此其吸收量也相對較大，這就使灰分的測量成為可能。除原子序數外，雙能量γ射線的吸收量還與輻射的質量厚度有密切關系，而輻射的質量厚度由運輸機上煤層的荷重量與散密度共同決定。因此，在實際測量時技術人員通常會采用兩種射線對煤層進行透射，并觀察和測量其衰減情況，而無需增設其他設備，這就大大減輕了技術負擔，它可以適應多種復雜測量環境，實用性較強，目前被廣泛應用于煤炭工業中。

2.4 中子瞬發γ分析法 中子瞬發γ分析法是一種準確度和靈敏度較高的測量方法，同時具備非破壞性分析特點，在科研和工農業生產領域應用廣泛。其測量原理為，通過收集與分析煤炭中各元素與中子因俘獲輻射和非彈性散射而產生的瞬發γ射線，最終得出煤的灰分含量，同時還可以進一步確定煤炭中其他物質含量水平，如發熱量、水分、硫分等。但與其他測量方法相比，這種測量方法不僅耗時較長，而且設備分析過程復雜，檢測成本較高，不適宜大范圍推廣。

3 總結

隨著現代煤炭工業的不斷發展壯大，灰分測量被越來越多地應用于煤炭質量檢測中。而為了進一步提升煤炭質量檢測效率，防止灰分超標，影響煤炭品質，煤炭企業必須要加強技術革新力度，積極研發現代測量工藝，在線測灰方法就是在此背景下誕生的。本文主要研究了輻射測量法在煤的灰分測試中的應用，這種測量法成本較低，穩定性強，不易受到外界影響，具備較強的發展潛力。

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作者簡介：高奇（1985-），男，陜西人，蘭州資源環境職業技術學院，本科，專職教師，研究方向：工程地質，工程勘察，煤礦地質。