煤炭灰分在線檢測技術對比分析

董媛媛

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.煤炭工業節能監測中心，北京 100013)

在一定溫度下，煤炭經過完成燃燒后，所殘留的固態物質所占總體殘留物的質量百分數就是煤炭灰分。應用傳統化學方式來對煤炭灰分進行檢測，這種方式屬于離線分析，耗費時間較多，而且無法及時指導生產。引入煤炭灰分在線檢測技術后，能夠對化學檢測法所帶來的一系列問題進行很好地處理，極大地提高煤炭生產合格率，促進現代化工廠的發展。所謂，煤炭灰分在線檢測技術，其核心技術就是輻射測量技術。其中，在20世紀六十年代的時候，就已經有許多的專家學者對應用放射性同位素來對煤炭灰分進行測量開展研究工作。到目前為止，較為常見的煤炭灰分在線檢測技術包括：雙能量γ射線透射技術、X射線熒光分析以及中子活化瞬發γ射線分析技術等。不同的在線檢測技術適用著不同的環境范圍，其產生的效果也各有不同。

1 檢測原理

煤炭灰分在線檢測技術主要依賴于輻射測量技術，該技術的理論基礎就是將煤炭當做兩種原子序數元素的混合物，這兩種原子序數元素一種是以C為主要元素，平均值為6，簡稱為低Z元素[1]。而另外一種元素是將Al、Si作為主要元素，其原子序數平均值高于12，也被稱為高Z元素。基于化學法來對煤炭灰分進行分析，可以看出Al2O3和SiO2的含量非常高，并且這兩種元素在氧化物中占比近乎一半，因此人們常說高Z元素在煤炭灰分中占比50%的結論是具有可靠性的[2]。通過適當方式測出煤炭中高Z元素的質量分析，再將這個數值與近似為Z的常數相乘，便可得到煤炭的灰分值。如果采用輻射測量法來對煤炭灰分進行測量，那么需要對某種射線強度進行測量，而且射線強度和射線在煤炭中起到的作用有著密切關系，在物質中，射線衰減主要遵循一個指數衰減規律：

I=I0×e-μpd

其中，I指的是射線衰減之后的強度；I0則是射線的初始強度；μ指的是質量衰減系數；p表示物質密度；而d為物質厚度[3]。這個物理規律要想成立，必須滿足兩個條件：①射線為“窄束”，②確保射線準直。

2 煤炭灰分在線監測技術

2.1 雙能量γ射線透射技術

所謂能量γ射線透射技術，就是利用低能γ射線和中能γ射線有效結合，之后對煤炭灰分進行測量。其中，低能γ射線的衰減程度和物質中的高Z元素有著密切關系，也就是檢測出高Z元素的質量分數[4]。另外，中能γ射線是對其他元素的衰減程度進行檢測，由于衰減和吸收都只是與煤炭的質量厚度存在聯系，所以該方式能夠校對煤炭厚度。

基于透射技術，能夠實現射線準直，進而滿足一般的衰減規律。受到厚度、粒度等因素的影響，使得實際應用精度高于大部分的灰分檢測設備。經過分析，可以看出該技術有著明顯優勢：

1) 不存在垂直偏析情況[5]。

2) 直接針對處于輸煤傳送帶上的煤炭進行灰分測量，不需要采取其他附加設備。

3) 灰分測量動態范圍較大。

4) 具有良好的輻射安全性，而且性能價格比較高，到目前為止，應用非常廣泛。

2.2 天然γ射線測量法

天然γ射線測量法的檢測原理就是利用煤炭自身所具備的γ粒子數量來得出煤炭灰分。因為煤炭中含有多種天然γ射線元素，所以對這些放射性物質所帶來的計數率進行檢測便可清晰地反映出煤炭中的物質含量，最后確定灰分。該檢測公式為：

Ad=AK+BU+CTh+D

其中，A、B、C、D都屬于常數，基于煤炭種類進行劃分，將K、U、Th分別定義為鉀、鋰、釷三種放射性元素的強度，該方式具有不需要使用放射源的優勢[6]。

其缺點分為幾種：第一，天然γ射線元素和其他元素含量沒有必然聯系，當在特定礦點中，二者之間的聯系確定了方案的可行性，所以有些地方能夠測量，有些地方無法測量，不適用于測量混煤。第二，測量γ計數率有著巨大難度，很容易受到環境因素的影響。相比土壤和水泥，煤炭放射性較低，灰分越低，越容易受到環境因素影響[7]。

2.3 中子活化瞬發γ射線分析技術

中子活化指的是中子被原子俘獲后逐漸帶有放射性的過程。由于物質和中心的原子核的功能作用較為復雜，能夠在短時間內產生不同的γ射線，也叫作特征γ射線。這種作用通常分為為兩種：非彈性散射和俘獲反應[8]。當采用中心照射技術來對煤炭中各個元素所形成的特征γ射線進行測量，能清晰地獲取到H、Al、Si 等元素的含量，從而計算出發熱量和灰分等。中子活化分析技術的核心就是挑選中子源，常見的有三種選擇方案。第一種為252Cf裂變中子源；第二種為Am-Be中子源；第三種為中子管。

其中，252Cf裂變中子源所發射的中子通量較高，而且其他干擾射線數量很少，屬于比較理想的分析源。但是由于自身因素，會受到幾方面的限制。比如，半衰期短，一般僅有2.65 a，另外成本較高，生產過程需要采取高通量中子進行反應，造價過高。最后，貨源無法保障。該物質被公認為最難買的放射源。

中子管能夠進行人為控制，所發射中子的能量為14Mev，基于非彈性散射方式來對C和O進行測量，并使用熱中子的俘獲反應來對其他元素進行測量。由于中子管壽命周期較短，國產設備能夠使用幾百小時，而國外設備能夠應用幾千小時，但是造價也比較昂貴。

Am-Be中子源，其原理是Am-241衰變而發射出來的射線對Be進行轟擊從而形成中子。該中子能量遠遠高于5MeV，所以能夠通過非彈性散射和俘獲反應來對煤炭灰分進行測量。因為中子形成是由α射線對Be進行轟擊，這種方式產生率較低。如果應用在線檢測技術，該中子源的活度高于1 100 GBq[9]。該技術具有幾方面缺點：

其一，該技術所形成的特征γ射線能量很高，通常在1～10MeV范圍內，會對測量造成影響。一方面測量效率較低，射線很容易透過檢測器而無法被檢測到[10]。另一方面，所檢測的全能峰占比較小，難以形成具有特征的γ射線全能峰，這些都會對后期測量帶來影響。

其二，特征γ射線能譜比較復雜，由于煤炭中有著多種元素，并且都具有特征γ射線，要是全部開展測量，會消耗大量精力[11]。

2.4 射線熒光分析

應用該技術測量煤炭灰分的檢測原理為：通過初始射線對煤炭樣本進行照射，能夠讓煤炭中其他元素的特征X射線充分激發，并對這些特征X射線進行測量，便能夠測量出這些元素的含量。該技術對于高原子序數的元素有著較高的敏感度，相對而言，原子序數高，被激發的可能性越高，所產生的X射線越多[12]。煤炭灰里面富含Al和Si元素，但是這兩種元素的原子序數比較低，所以產生的特征X射線較少，對于后續測量后者不利影響。

除此之外，原子序數低，所產生的特征X射線能量也比較低[13]。比如，煤炭中的Si和Al，這兩種物質所發射出來的特征X射線容易被空氣吸取。同理，特征X射線的穿透能力很差，僅有幾十微米，所以只可以測量到表面[14]。為保障測量精度和可靠性，需要采用專業的制樣系統，對煤炭進行處理，變為粒度小于0.2 mm的顆粒。另外，在對特征X射線進行熒光分析時，流程過于繁瑣復雜，而且花費成本較高，這些外在因素對于技術的應用有著一定的限制作用[15]。

2.5 激光誘導擊穿光譜分析

該技術的檢測原理就是通過高能脈沖激光來對煤炭表面進行照射，在一定范圍內溫度逐漸提高，導致煤炭內生成等離子體，其內部元素發出光亮，對光譜進行測量，能夠得出各類元素在煤炭灰中的具體含量。但是在實際工作中，存在許多問題：

1) 和煤炭自身的揮發分存在聯系。

2) 利用高能激光照射煤炭表面，能夠形成火花，帶來一定的風險隱患。

3) 該測量技術作用范圍較小，而且煤炭取樣比例很低，不具有代表性[16]。

2.6 對比分析

表1為5種煤炭灰分在線檢測技術的對比分析。

表1 五種煤炭灰分在線檢測技術對比分析

3 結 語

對于煤炭行業而言，應用煤炭灰分在線檢測技術，不管是在自動裝車配煤，還是在煤炭生產過程監控中都有著非常明顯的作用。基于現代化檢測技術，準確獲取到煤炭灰分中不同元素的含量，從而提高煤炭生產的合格率，推動煤炭行業的健康發展。通過本文對五種煤炭灰分在線監測技術的對比分析，得知不同檢測技術的各自優勢特點。發展至今，天然γ射線測量法和雙能量γ射線透射技術在多個領域得到廣泛應用，并取得了不小的成果。