煤炭灰分檢測技術進展

付超 楊小平 張晨曦 牛杰

摘 要：煤炭灰分是煤炭的重要基礎指標。隨著選煤技術的快速發展，傳統測試方法不能滿足生產的需要，這就給煤炭灰分檢測技術的發展和相應設備的產生創造了條件。本文主要介紹了近年來國內外主流的煤炭灰分檢測技術的進展，以及相關設備的工作原理和在煤企的推廣應用情況。

關鍵詞：煤炭灰分；原子輻射技術；在線檢測

中圖分類號： TQ533.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2017）03-187-2

0 引言

煤炭作為我國能源結構的重要組成部分，在相當一段時間內，其主導地位不會發生大的改變。煤炭灰分指的是煤在一定條件下經過充分燃燒后，其中的礦物質分解、化合后生成的殘留物。煤炭的灰分含量不光是常規工業分析指標，而且還是相關機構、煤企等進行煤質評價，加工利用，貿易計價等的基礎指標。國標中對煤炭灰分含量測定規定的方法主要有快速灰化法和緩慢灰化法。

隨著選煤技術自動化程度的提高，之前多作為例常分析方法的快速灰化法存在檢測數據滯后、工序繁雜、管理成本高、工人工作環境差和勞動強度大等問題，無法很好地滿足指導生產的要求。

基于此，國內外先后有大量學者專家從事了煤炭灰分檢測技術的研究，設計生產的灰分檢測設備在應用中都取得了很好的效果。

1 主流灰分檢測設備簡介

從上世紀末開始，隨著民用核技術、計算機技術的快速發展，基于原子輻射技術的在線測灰設備應運而生，這種設備由于現場適應性強、準確度高、維護成本低以及性價比高等特點，現已在市場上占據絕對優勢。本文將對這類灰分檢測設備做重點介紹。基于原子輻射技術設計生產的測灰儀根據是否有放射源可以分為有源測灰儀和無源測灰儀。

1.1 有源測灰儀

基于原子輻射技術設計生產的有源測灰儀根據基本原理可以分為以下幾種：低能γ射線反散射測灰儀、高能γ射線湮沒輻射測灰儀、雙能γ射線透射測灰儀、中子瞬發γ射線分析儀等。

1.1.1 低能γ射線反散射測灰儀

低能γ射線（能量小于100keV），與煤炭相互作用時主要表現出光電效應以及康普頓散射效應。當煤的灰分含量比較低時，此時其等效原子序數也較小，則產生的光電效應也比較弱，即透過煤粒的全能光子就比較多，而同時，發生康普頓散射的γ射線會比較強；相反，而當煤的灰分含量比較高時，即其等效原子序數也較大時，則產生的光電效應也會比較強，透過煤粒的全能光子相對比較少，而同時發生康普頓散射的γ射線會也較弱。所以，基于以上結論則可以通過探測透射光子和散射光子的數量就可以測量煤炭的灰分含量。

從20世紀60年代起，我國的學者專家就開始研究開發基于低能γ射線技術的灰分儀，并于1976年順利完成我國第一臺低能γ射線測灰儀的鑒定。后來煤科院唐山分院研制的ZTHY型在線測灰儀取得了較好的應用效果，并且受到國內多家煤企的青睞。

2007年，中核工業第五研究設計院成功設計開發了一種便攜式低能γ光子背散射煤炭灰分測量儀，這種設備以其特有的便攜、高效等特點在特定場景應用非常成功。

2014年，湖南大學設計開發的快速γ射線煤炭灰分儀，以其快速精確等特點成功應用于多家火力發電廠。

國外比較有代表性的產品主要有英國的RFCQM測灰儀、波蘭的G-3型測灰儀以及國內外都非常著名的澳大利亞COALSCAN系列中的COALSCAN1500型測灰儀等。

1.1.2 高能γ射線湮沒輻射測灰儀

煤中所含物質的原子核與高能γ射線（能量大于1.022MeV）相互作用，都會有發生正負電子對湮沒反應，進而產生能量為 511keV的γ射線。研究表明，煤中的灰分含量越高，則與高能γ射線發生電子對湮沒反應所產生的能量為511keV的γ射線也越強。基于這個結論，便可以通過探測能量為511keV的γ射線強度，進而來確定待測煤炭的灰分含量。

高能γ射線湮沒輻射測灰儀具有測量準確度高、檢測效率高、應用范圍廣等優勢，并且測量不易受到高原子序數的影響。但是由于采用高能放射源，并且測量過程中需要探測511keV的γ射線，因此屏蔽要求高，安全性能差。所以這種設備并沒有大規模的推廣使用。

1.1.3 雙能γ射線透射式測灰儀

雙能γ射線透射式測灰儀是基于單能（低能）γ射線透射式測灰儀，經過改良發展而來。低能γ射線透射過某種物質后，該物質對低能γ射線的吸收量隨其原子序數的增大而增大，所以灰分對γ射線的吸收量就比精煤要大，基于此設計生產了單能γ射線透射式測灰儀。雖然與反散射式測灰法比起來有所進步，但這種設備對待測煤流有兩點要求：煤流粒度均勻和質量厚度恒定。

為此在低能γ放射源的基礎上增加了一個中能γ放射源，而中能γ放射源透射過煤層后煤流對它的吸收量恰好只與煤流的質量厚度有關。

因此實際應用中，讓中、低能γ射線搭配使用，同時透射同一煤流，然后再測量兩種γ射線強度的衰減情況，這樣便可以不再考慮煤流厚度對測量結果的影響，更加準確地測得待測煤流的灰分含量，這就是雙能γ射線透射式測灰儀的工作原理。

這種設備在國內外有廣泛的應用，在市場上占有絕對優勢。國內有代表性的產品主要有清華大學設計開發的ZZ-89系列測灰儀、北京市煤炭礦用機電設備技術開發有限公司生產的SCL-2000型灰分儀以及西北電力集團燃料公司研制的TN-2000型分析儀等。國外這類產品有德國的LB420型測灰儀，以及澳大利亞的COALSCAN系列產品（主要有2100型、2500型、2800型和3500型等）。這兩種產品均代表了世界先進水平，在國內外的使用都獲得的巨大成功。雙能γ射線透射式測灰儀的缺點是首先對煤流的粒度有一定的要求，另外如果煤中高原子序數元素組成含量高對測試結果影響較大。

1.1.4 中子瞬發γ射線分析儀

研究表明，中子γ射線與待測煤樣中目標元素的靶核相互作用，會發生中子俘獲反應和非彈性散射反應，進而會產生特征γ射線。煤中的不同元素對應的特征γ射線的能量和峰面積也不同。中子瞬發γ射線分析儀就是利用這一理論設計生產的。這種設備不光能獲得煤炭的灰分含量，同時還可以獲取其他重要的煤炭工業指標，在石化、建材和農業等方面也有廣泛的應用。但由于分析過程復雜，設備成本較高，并且需要頻繁更換放射源，所以在選煤行業沒有得到大范圍推廣。

1.2 無源測灰儀

無源測灰儀主要指天然γ射線測灰儀。這種設備通過使用高靈敏度的γ射線探測器來檢測煤中天然放射性元素，進而確定其灰分含量。由于煤炭也是一種礦物質，含有一定量的鈾、釷和鉀等具有天然放射性的元素，并且煤中的無機礦物質（灰分主要成分）所包含的天然放射性元素要遠遠高于有機質（揮發分主要成分）含有的天然放射性元素。基于以上結論，通過使用高靈敏度的γ射線探測裝置便可以對煤炭灰分含量進行快速檢測。

這種類型的測灰儀由于其不需要使用專門的放射源，避免了放射源管理與維護，另外更具有實時性強、適應性強、安裝簡單等優勢，在國內外均得到了較好的發展。國內應用比較好的產品是開封市測控技術有限公司的研發的NGAM-2008型天然射線灰分儀。國外比較有代表性的產品有英國的NGCQM型測灰儀和波蘭的RODOS型測灰儀。

這種類型的設備存在的主要缺點就是：

首先，需要做好射線屏蔽工作以及配置高精度的探頭。

其次，這種設備測試的準確度與待測煤樣中放射性元素分布情況密切相關。

最后，與雙能γ射線透射式測灰儀相比，這種設備測量精確度與準確度明顯不高。

2 其他測灰儀

除過上面提到的原子輻射類灰分檢測設備之外，還有近幾年發展較快的基于圖像識別技術的測灰儀，其工作原理是首先使用采用工業攝像機搭建的圖像采集系統實時采集皮帶上的煤粒圖像，然后在計算機中使用一定的圖像處理算法獲得能夠區分無機礦物質（灰分主要成分）和精煤的特征參數，最后通過建立模型實現煤炭灰分的實時在線測量[5]。這種設備具有無放射性、可實現灰分在線監測、檢測速度快、管理使用方便等特點，發展前景廣闊，但目前仍處在實驗室研究階段，還沒有出現可以推廣使用的產品。

3 結語

隨著“中國制造2025”的提出，煤炭企業的轉型升級

勢在必行。其中全面實現煤炭灰分的在線監測就是重要一環。

本文主要介紹了基于原子輻射技術的煤炭灰分檢測技術的發展，并從放射性檢測和無源灰分檢測兩個方面介

紹了兩大類設備的基本原理及對應產品的國內外使用情況。最后還介紹了基于圖像識別技術的在線測灰儀，使讀者能夠對當前煤炭灰分檢測技術發展有一個比較全面的了解。

參 考 文 獻

[1] 楊鴻昌.TY-1型數字式低能γ射線測灰儀的研制及應用[J].原子能科學技術，1987，21（2）：130-136.

[2] 衣宏昌，梁漫春，林謙.基于輻射測量技術的幾種煤灰分檢測方法的比較[J].選煤技術，2004（2）：54-56.

[3] 張勇.波蘭選煤廠使用的G-3型輻射式測灰儀[J].煤炭工程，1989（7）：47.

[4] 騰國彤，周振華.LB420型及ZTHY型測灰儀使用的探討[J].科苑論壇，2001（7）：50.

[5] 張澤琳，楊建國.煤灰分在線檢測方法及設備[J].選煤技術，2012（4）：59-63.

[6] 高奇.輻射測量法在煤的灰分測試中的應用[J].中小企業管理與科技（上旬刊），2014，9：232.

[7] 趙彥.基于激光誘導擊穿光譜的煤質灰分測定方法研宄[D].太原理工大學，2014.

[8] 牛靈欣.基于γ射線的工業用煤定量分析[D].鄭州大學，2010.