NGAM-2008天然射線灰分儀在選煤廠原煤灰分檢測中的應用

葛學海，白云飛，陳 鵬，張立功，陳 榮

(開封市測控技術有限公司，河南 開封 475000)

根據煤炭工業“十二五”發展規劃，2015年我國原煤入選率要在65%以上[1]，2020年原煤入選率要在80%以上[2]。2015年的運行數據表明，該年度的原煤實際入選率為65.90%[3]，發展目標已實現。煤炭灰分是評價其經濟價值的基本指標之一，而洗選加工是煤炭降灰的主要手段。在當前煤炭市場低迷與經濟發展進入新常態的情況下，降本增效成為選煤企業提升經濟效益的根本途徑，而入選原煤的質量對降本增效有著重要影響，因此對入廠原煤灰分的檢測就顯得十分重要。

由于傳統人工檢測方法勞動強度大，檢測數據具有滯后性，且檢測結果受人為因素影響大，已不能適應當前煤質檢測的需要。為了減輕工人的勞動強度，提高檢測效率，減少結算糾紛，選煤企業迫切需要探索新的檢測方案，從而實現入廠原煤煤質檢測的自動化、連續化以及客觀、準確檢測。

1 有源煤灰分儀的不足

目前，煤炭測灰使用較多的在線灰分檢測設備是基于雙放射源透射技術的有源灰分儀。從現場實際使用效果來看，有源煤灰分儀在檢測原煤灰分時的應用效果不理想，主要存在四方面的問題：

(1)該灰分儀采用雙放射源，低能量放射源為241Am，能量為60 keV；中能量放射源為137Cs，能量為660 keV。根據GB/T 13366—2009《工業儀表用銫137γ輻射源》[4]規定：工業儀表用銫137γ輻射源的安全使用期限不超過10年，受環保、安全因素的制約，因而有源煤灰分儀的使用與維護很不方便。此外，由于放射源存在一定放射性，用戶對其安全性存在顧慮。

(2)該灰分儀的放射源發出的γ射線為錐形束(圖1)，僅能掃視膠帶中央3～5 cm的煤帶，如果被測煤流的灰分、粒度等在膠帶橫斷面方向上存在系統性差異，檢測結果就不能真實地反映入選原煤的實際情況。尤其是粒度較大的矸石，往往散落在膠帶兩側的邊緣區域，從而導致原煤灰分分布不均勻，灰分儀無法實現全斷面檢測，致使檢測結果的代表性差。

圖1 有源煤灰分儀的探測區域

(3)有源煤灰分儀要求被測煤流的最大質量厚度為 20 g/cm2，而入選原煤具有流量大、煤層厚、粒度大、分布不勻的特點。入選原煤煤流太厚，導致低能射線無法穿透，檢測靈敏度急劇下降；否則，只有通過加大低能放射源的活度來提高射線的穿透能力，但安全風險和投資成本均會隨之增加。

(4)有源煤灰分儀的放射源發出的γ射線不但能夠透射煤層，而且可以透射傳送帶。大型選煤廠的入廠原煤膠帶內通常含有鋼絲芯，而低能放射源241Am對鋼絲十分敏感，因此鋼絲對低能γ射線的吸收必定影響檢測結果[5-6]。

綜上所述，有源煤灰分儀在準確檢測入選原煤灰分時存在很大的局限性，其更適用于小流量、細粒度、低灰分、灰分分布均勻煤炭的檢測，如精煤產品灰分的檢測。相比之下，利用煤炭自身的天然放射性實現其灰分在線檢測的天然射線灰分儀則無需專門布置放射源，不僅使用與維護方便，且能夠實現煤流全斷面檢測，可以有效彌補有源煤灰分儀的不足。

2 NGAM-2008天然射線灰分儀

2.1 結構與工作原理

NGAM-2008天然射線灰分儀主要由γ射線探測器、環境輻射屏蔽體、射線能譜分析儀表、煤流負荷稱重裝置、主機、通訊模塊及灰分解析軟件等單元組成(圖2)。由于放射性核素在自然界普遍存在，巖石和土壤中都有一定量的天然放射性核素(如U系、Th系、40K等)，煤炭也不例外，因此對于一定質量的煤炭而言，其天然放射性強度與灰分呈正相關性，故通過檢測由煤炭的天然放射性引起的γ計數率，即能確定煤炭灰分。NGAM-2008天然射線灰分儀就是利用高效率、高靈敏度的γ射線探測器探測帶式輸送機運輸的煤流發出的微弱γ粒子，并結合稱重裝置，實現煤炭灰分的在線檢測。

圖2 NGAM-2008天然射線灰分儀結構圖Fig.2 Structural make-up of NGAM-2008 natural gamma-ray ash monitor

2.2 技術特點

(1)該灰分儀可利用煤炭的天然放射性實現灰分的在線檢測，無需專門布置放射源，符合安全、綠色、環保的理念；此外，沒有安全使用期限，使用壽命長，運行穩定可靠，使用與維護方便。

(2)探測器的核心關鍵元件采用進口元件，超大尺寸的探測晶體由特殊工藝制成，其探測效率遠高于普通探測器。探測器緊貼上膠帶的下側布置，并采用特殊機械結構設計，能夠實現全斷面檢測，即使膠帶上原煤灰分分布不均，對檢測結果也無影響，從而使檢測數據的準確性大大提高。 NGAM-2008天然射線灰分儀的探測區域如圖3所示。

(3)對同一煤種而言，膠帶上煤流射出的γ粒子數量與其灰分、煤流量呈正相關性，即煤炭灰分越高、煤層越厚，越有利于檢測。一般情況下，入選原煤具有流量大、灰分高等特點，而這有利于天然射線灰分儀的準確檢測。

(4)膠帶上煤流射出的γ射線數量較少，但單個γ粒子的能量較大，如40K核素射出的γ粒子的能量可達1 460 keV，且其對鐵、鈣等金屬不敏感，可以輕松透過鋼絲芯到達探測器，故天然射線灰分儀更適合檢測帶式輸送機運輸的煤炭灰分。

圖3 NGAM-2008天然射線灰分儀的探測區域

(5)由于煤流射出的γ射線微弱，為了屏蔽外界射線對探測器造成的干擾，該灰分儀配備有射線屏蔽體，屏蔽體采用特制合金材料制成，可有效屏蔽99%以上的外界γ射線，從而保證測量的準確性[7-10]。

3 應用實例

3.1 選煤廠概況

蘆嶺選煤廠為淮北礦業集團第三大選煤廠，是一座生產能力為3.0 Mt/a的礦井型煉焦煤選煤廠，入選原煤來自蘆嶺煤礦。目前，蘆嶺煤礦與蘆嶺選煤廠分置管理，實行單獨核算。為了提高原煤灰分的檢測效率和準確性，減少結算糾紛，蘆嶺選煤廠于2014年11月在入廠原煤帶式輸送機上安裝了一臺NGAM-2008天然射線灰分儀，輸送機的膠帶內含有鋼絲芯，膠帶寬度為1.2 m，運行速度為2.5 m/s，原煤流量為800 t/h。

3.2 檢測數據分析

由于結算應用的需要，蘆嶺選煤廠和開封市測控技術有限公司共同委托國家煤炭質量監督檢驗中心(西安)作為第三方檢測機構，對灰分儀的動態精度進行了測試。2015年1月30日—2月17日，該檢驗中心依據煤炭行業相關國家標準和現場實際情況制定了測試方案，對NGAM-2008天然射線灰分儀進行了測試。

NGAM-2008天然射線灰分儀的檢測值與人工取樣的化驗值數據見表1。

表1 煤樣灰分的檢測值與化驗值

根據GB/T 19952—2005《煤炭在線分析儀的操作測量性能評價方法》的規定，結合表1數據，對灰分儀動態精度進行了分析。

(1)離群值檢驗。在20組數據中找出檢測值與化驗值之差最大的組別，通過觀察，發現第1組的二者之差最大，dmax=-6.9。據此可計算統計量C：

由C值表查得臨界值C0.01,20=0.480。由于C

(2)灰分儀精度計算。按照《GB/T 19952—2005煤炭在線分析儀的操作測量性能評價方法》中“ 9.2.4.1.4分析儀動態精密度計算”的方法和步驟，該灰分儀的精度為2.1%。

(3)性能保證值檢驗。NGAM-2008天然射線灰分儀的制造廠家對灰分儀測量精密度的保證值為2.5%，按照GB/T 19952—2005《煤炭在線分析儀的操作測量性能評價方法》中“ 9.2.4.1.5性能保證值檢驗”的方法和步驟，該灰分儀的動態精度能夠達到制造商的保證值。

3.3 鑒定結果

國家煤炭質量監督檢驗中心(西安)的測試結果說明：該灰分儀的動態測量精度滿足制造商的保證值，為此，該制造商將EJ/T 1078-1998《γ輻射煤灰分測量儀》的要求定為其保證值[11-13]，詳見表2。

表2 NGAM-2008天然射線灰分儀的測量精密度

4 結語

NGAM-2008天然射線灰分儀自2014年11月在蘆嶺選煤廠投入運行以來，一直運行良好，對于灰分在35%～45%之間的高灰原煤，檢測精度始終保持在2%以內，完全滿足原煤結算要求，得到了結算雙方的認可，使結算糾紛大大減少。由于該灰分儀測量精度高，維護工作量少，還使煤樣采制化和監管人員得到精簡，相應人工費用得到降低，這對于企業降低生產成本十分有利。

鑒于NGAM-2008天然射線灰分儀應用效果良好，目前該灰分儀已在淮北礦業集團下屬的淮北選煤廠、臨渙選煤廠、朱仙莊選煤廠、桃園選煤廠等得到了進一步的推廣與應用，不僅實現了原煤煤質的自動化與連續化檢測，且提高了檢測效率和檢測精度。

[1] 國家發展改革委. 煤炭工業發展“十二五”規劃[EB/OL].( 2012-4-10)[2016-04-21]. http://www.fjmj.gov.cn/html/Mtbd/20120410083313.html.

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