中子活化煤質分析儀在沙曲選煤廠的應用

周海淵，郭世明，宋青鋒，趙 龍，李鳳毅

(1.華晉焦煤集團 沙曲選煤廠，山西 呂梁 033300；2.丹東東方測控技術股份有限公司，遼寧 丹東 118000)

沙曲選煤廠作為山西焦煤集團最大的煉焦煤分選基地，其重介分選系統存在的主要問題是入選原煤灰分波動大，缺乏有效的實時灰分檢測手段，導致精煤灰分波動大(9.00%～11.50%)，影響了選煤廠的經濟效益?？焖?、準確、及時檢測和自動化采制系統是智能化分選的關鍵[1].目前,在重介選煤工藝點應用較多的檢測技術是伽馬射線灰分檢測技術[2-3]和天然射線灰分檢測技術[4].伽馬射線灰分檢測技術是一種成熟的灰分在線檢測技術，但是這種技術受介質殘留影響較大。根據楊喆的研究[5]，重介殘留達到0.04%，伽馬射線灰分儀將產生0.3%的絕對誤差，重介殘留達到0.09%，伽馬射線灰分儀將產生0.6%的絕對誤差，因此伽馬射線灰分檢測技術不適合應用在重介選煤工藝點。天然射線灰分檢測技術檢測煤中灰分的天然放射性強度，但是對于低灰分的精煤，其天然放射性強度較低，而放射性本身具有統計漲落特性[6],為了提升設備的檢測重現性，需要加大檢測的平滑時間，而重介入洗原煤灰分波動周期較小，對灰分分析設備的實時性要求較高，因此天然射線灰分檢測技術也不適合應用在重介選煤工藝點。缺乏精準的灰分在線檢測技術限制重介選煤智能化的進程，為了解決這一行業難題，沙曲選煤廠首次引進了基于瞬發伽馬中子活化分析技術(PGNAA)的多元素在線分析儀，結合溜槽自動取樣器，實時檢測重介精煤的灰分指標，指導重介洗選的密度調整，最終實現了分選過程智能化。

1 中子活化煤質分析儀檢測原理

PGNAA技術是一種實時、在線、全斷面的無損檢測技術，目前已經在水泥、煤炭等領域得到廣泛的應用[7-10].PGNAA技術采用252Cf自發裂變中子源作為檢測的激發源，實時發射出平均能量為2.35 MeV的快中子，快中子被測量裝置慢化為熱中子，熱中子照射物料與物料中各元素原子核發生熱中子俘獲反應，放射出不同能量及強度的特征γ射線，通過檢測特征γ射線的能量辨識物料中元素種類，通過檢測特定能量γ射線的強度得出元素含量[11].相比于激光誘導[12]、X熒光[13]、近紅外[14]等多成分分析技術，PGNAA技術具有以下幾個優點：

1)反應速度快，不受皮帶速度變化影響。2)采用中子作為激發源，中子呈電中性，不與原子核外電子發生作用，具有極強的穿透能力，可實現物料的全斷面檢測。3)生成的特征γ射線穿透能力較強，不受粉塵、蒸汽等惡劣環境的影響，適應性更好。4)多元素同時檢測，不受灰成分變化影響，可同時檢測灰分、硫分、灰成分等指標。

2 現場應用方案

自動取樣器安裝在沙曲選煤廠A系統重介精煤離心機下的溜槽處，取樣器每分鐘取樣一次，取到的煤樣經過一次給料輸運皮帶送至破碎機內并被破碎到13 mm粒度以下，破碎后的煤樣經斗提機送入分析儀料倉內，分析儀料倉內置料位計，分析儀根據料位高度自動控制分析儀內置的皮帶行走速度。物料經過密度檢測區域檢測煤樣的密度參數，經過水分檢測區域檢測煤樣水分指標，最后進入中子活化區域，進行元素分析，分析后的煤樣落入704#精煤皮帶。取樣分析儀系統原理效果圖見圖1.

圖1 取樣分析儀系統原理效果圖

3 分析儀檢測精度驗證

3.1 靜態驗證

采用沙曲選煤廠的重介精煤和煤泥作為基準樣品配制驗證樣品，基礎樣品的化驗數據見表1.根據表2配方配制出用于測試儀器性能的測試煤樣。

表1 基礎煤樣的煤質信息表

表2 測試煤樣配制及煤質結果信息表

將配制好的10個樣品分別放置到中子活化煤質分析儀內進行測試，測量結果見表3.統計儀器測量值和理論灰分值之間的標準差(σ)為0.14%.

表3 中子活化煤質分析儀對測試樣品的測量結果表

3.2 動態驗證

為了驗證分析儀動態檢測狀態下的測量精準度，該廠于2020年10月末對分析儀進行了動態驗證實驗，采用雙因素法進行，在分析儀皮帶尾部采集雙份參比樣品，樣品采集周期為60 min.對參比樣品分別進行縮分,共縮分為4份，一份用于化驗，一份由煤質車間留存，一份交紀檢監察科留存,一份交給設備生產方。動態驗證數據見表4，分析儀與化驗結果的對比趨勢曲線見圖2.中子活化煤質分析儀檢測結果與化驗室化驗結果的標準差(σ)為0.168%，實驗的采樣、制樣、化驗的標準差(σ)為0.136%，分析儀的標準差(σ)為0.1%.

表4 儀器與化驗室結果對比表

圖2 動態驗證數據趨勢圖

4 結 論

針對重介精煤灰分無法進行快速、精準檢測的行業難題，沙曲選煤廠首次將中子活化技術應用到重介選煤工藝點，經過靜態驗證、動態驗證兩種驗證方法，證明中子活化煤質分析儀在重介精煤工藝點具有極高的檢測精度。