郭小東

摘 ?要：文章詳細(xì)講述了采用雙向能源γ射線穿透技術(shù)等為典型代表的幾種常規(guī)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(yōu)勢及弊端，并且針對探測準(zhǔn)確程度、使用范疇、穩(wěn)定性、安全性和性能與價格比等等重要參數(shù)實行了比較與研究。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)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(huán)境條件下充分燃燒以后，剩余的固體狀態(tài)殘渣所占整體質(zhì)量的比例參數(shù)。常規(guī)化學(xué)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(yè)進(jìn)行合理的指導(dǎo)。煤炭灰燼組分線上探測解決方案規(guī)避了常規(guī)化學(xué)方法落后特性所引發(fā)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(chǎn)車間的建造。達(dá)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(jì)70年代相關(guān)工程技術(shù)人員就已經(jīng)著手探索應(yīng)用具有輻射性功能同位素探測煤炭灰燼組分的經(jīng)濟(jì)法。現(xiàn)階段常規(guī)和最先進(jìn)的探測解決方案一般為：雙向能源γ射線穿透技術(shù)，自然γ射線探測技術(shù)，中微子活性化瞬間爆發(fā)γ射線解析技術(shù)，X射線紫外線解析技術(shù)，鐳射引導(dǎo)穿透光波解析技術(shù)，多功能X射線吸取技術(shù)等等。相關(guān)煤炭灰燼組分線上探測解決方案均具備相應(yīng)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(jù)是：把煤炭視為兩類原子序列數(shù)值化學(xué)元素構(gòu)成的混合物質(zhì)，一類為以碳元素為主要組成成分的原子序列數(shù)值相對較低的化學(xué)元素，其平均原子序列數(shù)值為7上下，相關(guān)技術(shù)人員稱其為低Z化學(xué)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(shù)值相對較高的化學(xué)元素，其平均原子序列數(shù)值>11，故稱其為高Z化學(xué)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(shù)的組成成分，而且硅元素和鋁元素在氧化物總數(shù)里占據(jù)半壁江山，所以煤炭灰分中高Z元素質(zhì)量約占50%的結(jié)論帶有普遍意義，可以說只要測定煤中高Z元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，乘以近似為Z的常數(shù)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(guān)射線的能量強弱，然而此類能量強弱與相關(guān)射線在煤炭中發(fā)生作用的幾率和衰減程度密切相關(guān)，相關(guān)射線在煤炭中衰減的規(guī)律符合一種被相關(guān)領(lǐng)域廣泛認(rèn)可的指數(shù)型分布函數(shù)。

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(dāng)結(jié)合以后達(dá)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(xué)元素組成結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，一般用檢測評定煤炭中高Z化學(xué)元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù);中等能量值的γ射線對各種化學(xué)元素的質(zhì)量衰退程度區(qū)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(guān)。通過中等能量值的γ射線的這個特性，能夠?qū)γ禾康挠行Ш穸葘嵭行拚?/p>

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(zhǔn)確正直，進(jìn)而符合指數(shù)型衰減規(guī)律的應(yīng)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(zhì)基本條件，進(jìn)而使得該方案實際應(yīng)用準(zhǔn)確程度高于絕大多數(shù)煤炭灰燼組分線上探測裝備。此類探測解決方案的優(yōu)勢如下：（1）直接對輸煤膠帶上的散煤實現(xiàn)在線測量，不需要分流、采樣、破碎、制樣等附加設(shè)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(tài)區(qū)間。（6）具有相對的煤炭流量厚度探測動態(tài)區(qū)間。

此類方案的缺陷：（1）容易遭到煤炭中較高原子序列數(shù)值化學(xué)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(xù)復(fù)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(fā)生量來明確煤炭的灰燼組分。因為煤炭中礦物質(zhì)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(zhì)引起的γ計數(shù)率來反映煤中礦物質(zhì)含量，從而確定煤的灰分。

此類探測解決方案的優(yōu)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(xué)元素組成成分和鋁元素、硅元素、鈣元素、鐵元素等等化學(xué)元素組成成分無直接聯(lián)系，二者在相應(yīng)的礦場中的關(guān)聯(lián)性制約了此種解決方案的可操作性，所以某些區(qū)域能夠采用該方案探測煤炭灰燼組分，另外的區(qū)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(zhì)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(shù)量級，所以極易遭到環(huán)境因素的制約。

2.3 中微子活性化瞬間爆發(fā)γ射線解析技術(shù)

微子活性化指的是原子受到相應(yīng)的輻射以后捕獲中子之后產(chǎn)生后天輻射特性的反應(yīng)進(jìn)程。中微子與相關(guān)物質(zhì)的原子核相互反應(yīng)過程極其復(fù)雜多變，當(dāng)中有兩種相互反應(yīng)能夠迅速產(chǎn)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(yīng)為：捕捉效應(yīng)和非彈性散射效應(yīng)。借助探測特性γ射線的能量，相關(guān)工程技術(shù)人員能夠定性甚至定量研究被測試樣本中的化學(xué)元素類別和該物質(zhì)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(xué)元素散發(fā)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(xué)元素的百分比構(gòu)成，從而推斷出煤炭灰燼組成成分、熱量輸出程度等有關(guān)參數(shù)。

該技術(shù)的關(guān)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(yōu)勢：能夠探測很多種類的化學(xué)元素組成成分，包含硫元素組分、灰燼組分，通過結(jié)果能夠掌握更多的煤炭品質(zhì)的信息數(shù)據(jù)。

此類探測解決方案的優(yōu)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(wěn)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(guān)企業(yè)所壟斷，價格一直高高在上。（2）發(fā)出的特性γ射線能量密度較高，通常在（1～11）MeV區(qū)間段內(nèi)，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(fù)雜多變。由于煤炭樣本中基本上所有的化學(xué)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(dāng)中僅有為數(shù)不多的若干個占主導(dǎo)地位的射線是有實際研究價值的。

現(xiàn)階段國內(nèi)正在使用的系統(tǒng)裝置中，多數(shù)使用NaI檢測設(shè)備。NaI檢測設(shè)備的能量識別比率差，導(dǎo)致很多的特性γ射線發(fā)出的能量光譜互相重疊，僅僅可以表現(xiàn)出來若干個能量密度高的γ射線峰值曲線。每種相關(guān)化學(xué)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(xué)元素特性能量曲線處發(fā)生影響效果，因此需要通過標(biāo)定一系列標(biāo)準(zhǔn)樣品，并進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)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(shù)。

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(jìn)行照射操作，此方法能夠激發(fā)出煤炭樣本中每種相關(guān)化學(xué)元素的特性X射線，探測相應(yīng)的特性X射線，就能夠研究判斷出煤炭樣本中各種化學(xué)元素的百分比含量。

2.5 鐳射引導(dǎo)穿透光波解析技術(shù)

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(shù)量級的區(qū)域內(nèi)快速產(chǎn)生高溫效應(yīng)，能夠引發(fā)相關(guān)區(qū)域里面的煤炭樣本發(fā)生反應(yīng)成為等離子體，等離子體內(nèi)部的各類相關(guān)化學(xué)元素可以發(fā)射光譜，捕捉到相應(yīng)的光譜，便能夠獲取到各種相關(guān)化學(xué)元素的百分比含量信息數(shù)據(jù)?，F(xiàn)階段國內(nèi)外已經(jīng)有眾多相關(guān)企業(yè)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(shù)

多功能X射線吸取技術(shù)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(biāo)生成人造射線，獲得各種組分的含量，進(jìn)而計算出灰分。

此方法的優(yōu)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(shù)值化學(xué)元素比例波動的影響可以忽略不計;最后是維護(hù)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(guī)定較為嚴(yán)格。二來系統(tǒng)有附屬裝置，整體裝備復(fù)雜多變，運營成本高。

3 結(jié)束語

煤炭灰燼組成成分線上探測解決方案在煤炭領(lǐng)域生產(chǎn)進(jìn)程管控、自動化裝煤，電廠的智慧型儲存等層面發(fā)揮了關(guān)鍵效果，對大幅度提高煤炭運輸與綜合深加工相關(guān)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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