煤炭灰分線上探測方法對比研究

郭小東

摘 ?要：文章詳細講述了采用雙向能源γ射線穿透技術等為典型代表的幾種常規煤炭灰燼組分線上探測解決方案的根本原理、工藝方法特征、一般優勢及弊端，并且針對探測準確程度、使用范疇、穩定性、安全性和性能與價格比等等重要參數實行了比較與研究。

關鍵詞：煤炭灰燼組分;線上探檢;γ射線;鐳射

中圖分類號：TQ533 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：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

煤炭的灰燼組分是煤炭資源在特定溫度環境條件下充分燃燒以后，剩余的固體狀態殘渣所占整體質量的比例參數。常規化學方法探測煤炭灰燼組分是一種線下研究探測法，消耗的周期較長，無法第一時間對挖掘開采作業進行合理的指導。煤炭灰燼組分線上探測解決方案規避了常規化學方法落后特性所引發的諸多弊端，有益于提升煤炭的成品合格比例，推動智慧型生產車間的建造。達成煤炭灰燼組分線上探測一般依靠射線輻射探量解決方案，自從20世紀70年代相關工程技術人員就已經著手探索應用具有輻射性功能同位素探測煤炭灰燼組分的經濟法。現階段常規和最先進的探測解決方案一般為：雙向能源γ射線穿透技術，自然γ射線探測技術，中微子活性化瞬間爆發γ射線解析技術，X射線紫外線解析技術，鐳射引導穿透光波解析技術，多功能X射線吸取技術等等。相關煤炭灰燼組分線上探測解決方案均具備相應的特性及使用范疇。

1 探測根本原理

煤炭灰燼組分線上探測解決方案是一種依靠輻射探測手段的煤炭灰燼組分在線探測解決方案，這種方法的理論依據是：把煤炭視為兩類原子序列數值化學元素構成的混合物質，一類為以碳元素為主要組成成分的原子序列數值相對較低的化學元素，其平均原子序列數值為7上下，相關技術人員稱其為低Z化學元素;另一類為以硅元素、鋁元素為主要組成成分，原子序列數值相對較高的化學元素，其平均原子序列數值>11，故稱其為高Z化學元素。在煤炭灰燼組分里，通常來講二氧化硅和三氧化二鋁屬于絕對多數的組成成分，而且硅元素和鋁元素在氧化物總數里占據半壁江山，所以煤炭灰分中高Z元素質量約占50%的結論帶有普遍意義，可以說只要測定煤中高Z元素的質量分數，乘以近似為Z的常數就是煤的灰分值。

采用具有放射性的射線探測煤炭灰燼組分的解決方案均要求探測相關射線的能量強弱，然而此類能量強弱與相關射線在煤炭中發生作用的幾率和衰減程度密切相關，相關射線在煤炭中衰減的規律符合一種被相關領域廣泛認可的指數型分布函數。

2 煤炭灰燼組分線上探測方法研究對比

2.1 雙向能源γ射線穿透方案

雙向能源γ射線穿透法煤炭灰燼組分探測的原理是把較低能量值的γ射線和中等能量值的γ射線適當結合以后達成煤炭灰燼組分線上探測。較低能量值的γ射線衰減狀況和煤炭中高Z化學元素組成結構相關聯，一般用檢測評定煤炭中高Z化學元素的質量百分數;中等能量值的γ射線對各種化學元素的質量衰退程度區別非常小，其衰弱和吸取僅僅與被穿透的煤炭的有效厚度相關。通過中等能量值的γ射線的這個特性，能夠對煤炭的有效厚度實行修正。

雙向能源γ射線穿透法煤炭灰燼組分探測使用穿透輻射模式，剛好能夠完成射線準確正直，進而符合指數型衰減規律的應用條件。上述情況受到材料密度、顆粒程度、材料厚度變動損傷較少的物質基本條件，進而使得該方案實際應用準確程度高于絕大多數煤炭灰燼組分線上探測裝備。此類探測解決方案的優勢如下：（1）直接對輸煤膠帶上的散煤實現在線測量，不需要分流、采樣、破碎、制樣等附加設備。（2）杜絕豎直方向偏折情況。（3）可以探測相對較大的顆粒程度。（4）水分損傷程度比較小。（5）具有非常大的煤炭灰燼組分探測動態區間。（6）具有相對的煤炭流量厚度探測動態區間。

此類方案的缺陷：（1）容易遭到煤炭中較高原子序列數值化學元素尤其是鐵元素百分比的制約相對比較大，針對混合煤炭探測誤差相對比較大。（2）煤炭流量厚度溢出允許的最大測量量程時，射線可能大幅度減弱，裝備不能正常運作。（3）使用放射源，辦理采購、驗收、退役等手續復雜，周期長。

2.2 天然γ射線穿透探測方案

天然γ射線穿透探測方案是借助捕捉煤炭本身輻射出來的γ粒子的發生量來明確煤炭的灰燼組分。因為煤炭中礦物質中包含鉀-40、鈾-238、釷-232的天然γ放射性元素，通過測量由煤自身的放射性物質引起的γ計數率來反映煤中礦物質含量，從而確定煤的灰分。

此類探測解決方案的優勢如下：不需要放射源頭。

此類方案的缺陷有下述幾種：（1）天然γ放射性化學元素組成成分和鋁元素、硅元素、鈣元素、鐵元素等等化學元素組成成分無直接聯系，二者在相應的礦場中的關聯性制約了此種解決方案的可操作性，所以某些區域能夠采用該方案探測煤炭灰燼組分，另外的區域則無法探測煤炭灰燼組分，而且不能探測混合型煤炭。（2）γ計量比率探測難度較大，并且容易受到周邊條件因素的制約。煤炭資源的輻射能力相比土壤石塊、水泥混凝土等等物質要低一些，特別是較低煤炭灰燼組分煤炭，輻射特性僅有一百萬分之幾的數量級，所以極易遭到環境因素的制約。

2.3 中微子活性化瞬間爆發γ射線解析技術

微子活性化指的是原子受到相應的輻射以后捕獲中子之后產生后天輻射特性的反應進程。中微子與相關物質的原子核相互反應過程極其復雜多變，當中有兩種相互反應能夠迅速產生各類原子核所獨有的γ射線，就是特性γ射線。上述兩類反應為：捕捉效應和非彈性散射效應。借助探測特性γ射線的能量，相關工程技術人員能夠定性甚至定量研究被測試樣本中的化學元素類別和該物質的組成成分。

假如利用中子射線照射煤炭樣本，探測確定煤炭中各種化學元素散發出的特性γ射線，能夠研究煤炭樣本中含有的氫元素、硅元素、鋁元素、硫元素、鐵元素等化學元素的百分比構成，從而推斷出煤炭灰燼組成成分、熱量輸出程度等有關參數。

該技術的關鍵之一是選擇中子源，目前主要有3種中子源方案：一是252Cf（锎-252）裂變中子源;二是中子管;第三是Am-Be。

此類探測解決方案的優勢：能夠探測很多種類的化學元素組成成分，包含硫元素組分、灰燼組分，通過結果能夠掌握更多的煤炭品質的信息數據。

此類探測解決方案的優勢如下所示：（1）中微子活性化核心解決方案能量光譜處置方案、穩定普解決方案和長周期中微子管、中微子源頭材料都被國外相關企業所壟斷，價格一直高高在上。（2）發出的特性γ射線能量密度較高，通常在（1～11）MeV區間段內，此情況給射線檢測造成不小的難度： 一來檢測效率差，高能量γ射線比較容易透過檢測裝置而未能被捕捉到;二來捕捉到的全能量峰值占比少，較難完成顯著的特性γ射線能量峰值，將會給能量光譜解析造成很多阻礙。（3）特性γ射線能量光譜比較復雜多變。由于煤炭樣本中基本上所有的化學元素均具備許多種類的特性γ射線，上述所有的射線均可能被捕捉到，然而當中僅有為數不多的若干個占主導地位的射線是有實際研究價值的。

現階段國內正在使用的系統裝置中，多數使用NaI檢測設備。NaI檢測設備的能量識別比率差，導致很多的特性γ射線發出的能量光譜互相重疊，僅僅可以表現出來若干個能量密度高的γ射線峰值曲線。每種相關化學元素所占的百分比的波動均可能對全部能量光譜形狀造成不利制約影響，而不能僅僅在該化學元素特性能量曲線處發生影響效果，因此需要通過標定一系列標準樣品，并進行復雜的數據處理計算，才能計算出灰分以及各元素成分。需要對不同煤種采用不同的計算參數。

2.4 X射線紫外線光譜研究

采用X射線紫外線光譜研究解決方案迅速探測煤炭灰燼組成成分的根本原理為：使用初始入射煤炭樣本的X射線對其進行照射操作，此方法能夠激發出煤炭樣本中每種相關化學元素的特性X射線，探測相應的特性X射線，就能夠研究判斷出煤炭樣本中各種化學元素的百分比含量。

2.5 鐳射引導穿透光波解析技術

本解決方案的基本原理為：使用高能量脈沖鐳射激光照射煤炭樣本表層，可以在微米數量級的區域內快速產生高溫效應，能夠引發相關區域里面的煤炭樣本發生反應成為等離子體，等離子體內部的各類相關化學元素可以發射光譜，捕捉到相應的光譜，便能夠獲取到各種相關化學元素的百分比含量信息數據。現階段國內外已經有眾多相關企業和科研單位探索采用此項解決方案探測煤炭灰燼組成成分。

2.6 多功能X射線吸取技術

多功能X射線吸取技術探測煤炭灰燼組成成分的根本原理為：采用被電磁場加速的電子撞擊合金目標生成人造射線，獲得各種組分的含量，進而計算出灰分。

此方法的優勢為：一來不使用放射性源頭;二來探測精度高，煤炭灰燼中高原子序列數值化學元素比例波動的影響可以忽略不計;最后是維護簡易，使用成本較低。

此方法的缺點為：一來對煤炭流形狀條件規定較為嚴格。二來系統有附屬裝置，整體裝備復雜多變，運營成本高。

3 結束語

煤炭灰燼組成成分線上探測解決方案在煤炭領域生產進程管控、自動化裝煤，電廠的智慧型儲存等層面發揮了關鍵效果，對大幅度提高煤炭運輸與綜合深加工相關單位的智慧化與自動化層次具有非常重要實際價值。

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