用D－D中子發生器快速檢測煤中硫含量

賈福全

（吉林建筑工程學院 基礎科學部，吉林 長春 130118）

0 引 言

酸雨中的硫酸成分約占60%～65%，主要來源于燃燒煤炭、石油和天然氣等釋放出的SO2（經光化學反應生成硫酸）。我國煤炭中硫的平均含量約為1.10%，其中動力用煤占我國煤炭總消費量的90%以上。2012年煤炭產量預計為73億噸，被燃燒的硫約為0.73億噸，產生的SO2氣體將超過1.75億噸。這些氣體不僅腐蝕鍋爐，污染空氣，溶于水后還危害自然環境，威脅人類健康。所以，需要快速檢測煤炭中的硫含量來指導煤炭的脫硫，降低SO2氣體的排放[1－2]。煤炭中含硫物質的成分復雜，目前燃燒法還是檢測硫含量的主要方法[3]。由于硫酸鹽中的硫在溫度超過1350℃才能分解，所以測量過程復雜，且耗時很長。由于是抽樣分析，每次只能測量幾克煤炭樣品，采樣普遍性差，很難快速、準確地指導煤炭的脫硫[4]。文中以MCNP模擬計算為主，研究了以D－D中子發生器為中子源，快速檢測煤炭中硫含量的可行性[5]。

1 中子感生瞬發伽馬射線分析法快速分析煤炭中硫含量的原理

中子與煤炭中硫元素的原子核作用時，快中子非彈性散射反應和熱中子俘獲反應都釋放出瞬發特征伽馬射線。

硫的快中子非彈散射反應的方程式為：

處于激發態的3216S在瞬間退激到基態，并釋放出能量分別為2.30MeV和4.29MeV的特征伽馬射線，但幾率非常低，很難用來測量煤炭中的硫含量。

硫的熱中子俘獲反應的方程式為：

硫的熱中子俘獲截面約為491mb，比較明顯的特征伽馬射線能量依次為5.42MeV，2.38MeV，0.84MeV，其中，產生5.42MeV 特征伽馬射線的幾率最高，可以用于測量煤炭中的硫元素含量。

在定量分析中，單位體積煤炭樣品中的硫含量（G）與其特征伽馬射線峰面積（A）間有下列關系[6－8]：

式中：p，q—— 待測常數。

測量出幾組標準煤炭樣品中硫的A和G（G是吉林省計量科學院的化驗值），利用多元線性回歸求出p和q的值，代入式（3）就可以測量未知樣品中的硫含量。

2 實驗裝置的設計

2.1 中子源的選擇

放射性同位素中子源、反應堆中子源和加速器中子源是目前常見的中子源。在檢測煤炭中硫含量時，采用的是俘獲反應釋放的瞬發伽馬射線，因此，D－D中子發生器具有明顯的優勢：中子產額適中且容易控制，可以提高煤炭中硫含量分析的效率；中子能量為2.5MeV，低于大部分元素和中子發生非彈反應的閾值，幾乎沒有非彈性散射伽馬射線，有利于用俘獲反應測量煤炭中的硫含量；關閉電源時沒有中子產生，容易防護。所以，文中選擇D－D中子發生器作中子源。

2.2 伽馬射線探測器的選擇

BGO，NaI，HPGe探測器是目前常用的3種伽馬射線探測器。BGO（Bi4Ge3O12）是一種無機氧化物晶體，不溶于水。與HPGe探測器比，BGO探測器具有3個明顯的優點：

1）能承受中子輻照；

2）無需液氮冷卻；

3）探測效率高。

和NaI晶體相比，BGO晶體具有2個主要的優點：

1）不易潮解，穩定性好，透明度好；

2）平均原子序數和密度都比較大，對伽馬射線的探測效率高，有利于伽馬射線的測量。

所以，文中選擇了BGO伽馬射線探測器。

2.3 實驗裝置圖

實驗裝置主要由D－D中子發生器（中子能量為2.5MeV左右，產額為106n／s）、中子防護體（密度為0.93×103kg／m3的聚乙烯）、煤炭樣品箱（由10mm厚聚乙烯板制成）、BGO探測器（Φ76mm×76mm）、多道分析器以及計算機等6部分組成，其結構原理如圖1所示。

圖1 實驗裝置結構原理圖

3 MCNP模擬結果

煤炭中除了硫元素外，還含有碳、氧、氫、氮、鈣、鋁、硅、鐵、鎂等元素，很難用MCNP程序模擬每一種情況。為了簡化模擬計算的模型，文中保持氫、氧含量不變，分別為4%和11%，碳和硫含量之和為68%，剩余元素含量和為17%。不同硫含量在中子產額為106n／s，檢測時間為1000s時的MCNP模擬計算結果見表1。

表1 煤炭中硫含量的模擬計算結果 %

“硫含量實際值”是指煤炭樣品中硫的實際含量；“硫含量測量值”是模擬計算值，“絕對偏差”是“硫含量測量值”與“硫含量實際值”之差。

4 結 語

“煤中全硫的測定方法”（中華人民共和國國家標準，GB／T 214－1996標準）規定：在硫含量低于1.00%時，測量的絕對誤差不能高于0.05%；硫含量在1.00%與4.00%之間，測量的絕對誤差不能高于0.10%；當硫含量高于4.00%時，測量的絕對誤差不能高于0.20%。由表1的數據可以看出，在硫含量低于1.00%時，測量的絕對誤差低于0.05%；在硫含量高于1.00%時，測量的絕對誤差低于0.10%。模擬計算的結果都達到了國家標準的要求，所以用D－D中子發生器快速檢測煤炭中硫的含量是可行的。

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