NIPGA法快速测量煤炭元素含量的环保意义

程道文， 兰 民， 刘林茂

（1.长春工业大学基础科学学院，吉林长春 130012; 2.东北师范大学物理学院，吉林长春 130024）

0 引 言

煤炭的大量燃烧（产物中的CO2，SOX，NOX，以及有毒重金属）加剧了温室效应，增加了酸雨量，扩大了酸雨范围，加剧了有毒重金属污染。到目前为止，相关单位主要还是采用化学方法来测量碳、氮、硫等元素以及重金属的含量，其测量过程复杂，时间长，精度低。而“中子感生瞬发伽马射线分析（NIPGA）”技术是利用非弹反应或者俘获反应来测量元素含量，与元素存在形式无关，且是大体积测量，所以测量精度高、速度快[1-3]。此技术不仅可以分析大体积样品，还可以实现在线分析，是很有发展前途的煤质测量方法[4-5]。文中具体介绍应用NIPGA技术快速测量煤炭元素含量的原理及其环境保护意义。

1 检测煤炭元素含量的环保意义

1.1 碳、氢、氧含量检测的环保意义

由于温室效应，地球变得越来越热，现在人类所处的气候点是近万年来最高的。在温室效应中起主要作用的是二氧化碳，而二氧化碳的主要来源是煤炭的大量燃烧。为了减少二氧化碳的排放，必须准确地测量出煤炭中碳、氢、氧的含量，计算出煤炭的低位热值、水分、灰分以及挥发分等，然后根据这些值合理地配煤、用煤，提高煤炭的使用效率，减少煤炭的使用量，降低二氧化碳的排放量。如果用化学方法分析这些参数，其过程复杂（需要经过采样、称重、恒温干燥、测定等繁琐的步骤），消耗时间多，不能及时指导煤炭的燃烧，降低二氧化碳的燃烧。另外，由于化学方法是小体积分析，采样不具备普遍性，测量精度低，人为误差大。

1.2 硫、氮含量的检测及其环保意义

2010年，我国被监测的443个城市中，189个城市出现酸雨。酸雨给环境和经济带来的影响和破坏是很大的。酸雨能直接进入水库、江、河以及海洋，导致水体酸化，给水生生物带来灭顶性灾害。如果农田土壤被酸雨酸化，本来固定在土壤矿化物中的有害重金属（如汞、镉、铅等）将再溶出，被粮食、蔬菜吸收和富集。人类摄取这些食物时，这些有害重金属将不断在人体内富集，危害人体健康。

人类活动造成酸雨的成分中，硫酸约占60%～65%，硝酸约占30%，它们主要来源于电厂、钢铁厂、冶炼厂等大型单位的煤炭燃烧。2010年被燃烧的氮约为0.4亿吨，硫约为0.3亿吨。产生的酸性气体直接排放到大气中，所形成的酸雨将危及生态环境，威胁人体健康。因此，必须测量煤炭中的氮、硫含量，但是由于含氮、硫的物质成分复杂，到目前为止，产煤、用煤单位还是主要采用凯氏法来测量煤炭中氮的含量，用燃烧来测量煤炭中硫的含量。这些方法只能测量出大部分的氮、硫，测量误差大，很难指导煤炭的合理使用，减少氮、硫氧化物的排放，而NIPGA法是利用热中子俘获来测量氮、硫的含量，由于测量速度快，测量精度高[6-7]，可控制氮、硫氧化物的排放。

2 NIPGA法检测元素含量的原理

中子与元素间的主要作用有弹性散射、非弹性散射、放出带电粒子的核反应、核裂变及辐射俘获。其中，快中子非弹性散射反应和热中子俘获反应都释放出瞬发伽马射线，选择产额高、受其它元素伽马射线干扰小的伽马线作为元素的特征伽马射线。然后根据特征伽马射线的能量确定元素种类，利用伽马射线总计数（通常称为伽马射线峰面积）计算元素含量。

2.1 煤炭中主要元素与中子间的核反应

碳的非弹截面非常大（为425 mb），释放出的4.43 MeV伽马射线受其它射线影响非常小，煤质测量中一般用此反应来测量碳元素的含量，反应方程式为:

氢的热中子俘获截面比较大，为332 mb，只能产生能量为2.22 MeV的特征伽马射线，NIPGA法检测氢含量只能用此反应，反应方程式为:

氧的快中子反应截面为474 mb，阈值约为6.4 MeV。非弹反应后，受激的16O在瞬间退激到基态，并释放出能量为6.13 MeV的伽马射线，NIPGA法一般用此反应来测量氧元素的含量，反应方程式为:

氮的快中子反应截面为430 mb，阈值约为2.44 MeV。非弹反应后，受激的在瞬间退激到基态，并释放出能量为2.30 MeV的伽马射线，但是，由于此能量和氢的2.22 MeV非常接近，很难用它来测量氮元素的含量。它的热中子俘获反应截面虽然小，但是能量为10.83 MeV的伽马射线所受的干扰非常小，可以用来测量氮元素的含量，反应方程式为:

硫的热中子俘获截面大约为491 mb，所释放出来的伽马射线能量为0.84，2.38，5.42 MeV等，其中，5.42 MeV伽马射线产生的几率较高，可以用于硫的测量，反应方程式为:

2.2 煤炭中主要元素含量的计算

在定量计算中，单位体积样品中某元素含量（G）与其特征峰净面积（N）间有以下关系[8]:

式中:N——该元素特征峰在测量时间t内的净计数;

G——煤炭样品中的该元素含量;

NL——洛喜米特常数;

A——该元素的相对原子质量;

φ——中子通量密度;

σ——反应截面;

ε——探测器的效率;

j——γ量子产额;

α——某同位素的丰度。

在实际应用中，φ，σ，ε，j，α，t，A和NL均为常数，而N为特征峰的总面积，所以N和G间的关系如下:

式中:p，q——待测常数。

测量出几组标准样品中该元素的N和G（G是计量科学院的化验值），通过线性回归求出p，q的值，再把p，q代入式（7），就可以利用式（7）测量未知样品中该元素的含量。

3 实验装置的设计

3.1 中子源的选择

常见的中子源主要有反应堆中子源，放射性同位素中子源以及加速器中子源。在检测煤炭元素含量时，需要同时利用俘获反应和非弹性散射反应，所以脉冲D-T中子发生器具有明显的优势:中子产额较高且可控，可以提高元素分析的效率;在关闭电源时没有中子产生，容易防护;产生的中子能量为14 MeV，有利于非弹反应和热中子俘获反应。

3.2 伽马射线探测器的选择

目前，用NIPGA技术检测元素含量中，常用的伽马射线探测器有BGO，NaI以及HPGe探测器。BGO晶体的化学分子式是Bi4Ge3O12，它是一种无机氧化物，不溶于水。

与NaI晶体相比，BGO晶体具有2个优点:

1）平均原子序数大，密度大，对伽马射线的探测效率高;

2）不潮解，透明度好，稳定性好。

与HPGe探测器相比，BGO探测器具有3个优点:

1）探测效率高;

2）不需要液氮冷却;

3）不怕中子辐照。

所以，BGO探测器更适合在煤炭元素检测中探测伽马射线。

3.3 实验装置图

采用NIPGA技术检测元素含量的实验装置如图1所示。

图1 煤炭元素检测装置图

中子源采用的是脉冲D-T中子发生器，用BGO探测器探测伽马射线，用聚乙烯防护中子，用铅室屏蔽周围介质与中子作用释放的伽马射线。

4 结 语

用NIPGA技术检测煤炭中C，H，O，N，S的含量，结果见表1（检测时间为15 min）。

表1中的“允许误差”是国家标准所允许的误差[9]。由表1可以看出，用NIPGA技术可以快速、准确地测量出煤炭中主要元素的含量，代替传统的化学检测方法，可以为环境保护，特别是酸雨的防治提供及时可靠的数据。

表1 10个标准煤样的检测结果 %

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