用D－D中子发生器快速检测煤中硫含量

贾福全

（吉林建筑工程学院 基础科学部，吉林 长春 130118）

0 引 言

酸雨中的硫酸成分约占60%～65%，主要来源于燃烧煤炭、石油和天然气等释放出的SO2（经光化学反应生成硫酸）。我国煤炭中硫的平均含量约为1.10%，其中动力用煤占我国煤炭总消费量的90%以上。2012年煤炭产量预计为73亿吨，被燃烧的硫约为0.73亿吨，产生的SO2气体将超过1.75亿吨。这些气体不仅腐蚀锅炉，污染空气，溶于水后还危害自然环境，威胁人类健康。所以，需要快速检测煤炭中的硫含量来指导煤炭的脱硫，降低SO2气体的排放[1－2]。煤炭中含硫物质的成分复杂，目前燃烧法还是检测硫含量的主要方法[3]。由于硫酸盐中的硫在温度超过1350℃才能分解，所以测量过程复杂，且耗时很长。由于是抽样分析，每次只能测量几克煤炭样品，采样普遍性差，很难快速、准确地指导煤炭的脱硫[4]。文中以MCNP模拟计算为主，研究了以D－D中子发生器为中子源，快速检测煤炭中硫含量的可行性[5]。

1 中子感生瞬发伽马射线分析法快速分析煤炭中硫含量的原理

中子与煤炭中硫元素的原子核作用时，快中子非弹性散射反应和热中子俘获反应都释放出瞬发特征伽马射线。

硫的快中子非弹散射反应的方程式为：

处于激发态的3216S在瞬间退激到基态，并释放出能量分别为2.30MeV和4.29MeV的特征伽马射线，但几率非常低，很难用来测量煤炭中的硫含量。

硫的热中子俘获反应的方程式为：

硫的热中子俘获截面约为491mb，比较明显的特征伽马射线能量依次为5.42MeV，2.38MeV，0.84MeV，其中，产生5.42MeV 特征伽马射线的几率最高，可以用于测量煤炭中的硫元素含量。

在定量分析中，单位体积煤炭样品中的硫含量（G）与其特征伽马射线峰面积（A）间有下列关系[6－8]：

式中：p，q—— 待测常数。

测量出几组标准煤炭样品中硫的A和G（G是吉林省计量科学院的化验值），利用多元线性回归求出p和q的值，代入式（3）就可以测量未知样品中的硫含量。

2 实验装置的设计

2.1 中子源的选择

放射性同位素中子源、反应堆中子源和加速器中子源是目前常见的中子源。在检测煤炭中硫含量时，采用的是俘获反应释放的瞬发伽马射线，因此，D－D中子发生器具有明显的优势：中子产额适中且容易控制，可以提高煤炭中硫含量分析的效率；中子能量为2.5MeV，低于大部分元素和中子发生非弹反应的阈值，几乎没有非弹性散射伽马射线，有利于用俘获反应测量煤炭中的硫含量；关闭电源时没有中子产生，容易防护。所以，文中选择D－D中子发生器作中子源。

2.2 伽马射线探测器的选择

BGO，NaI，HPGe探测器是目前常用的3种伽马射线探测器。BGO（Bi4Ge3O12）是一种无机氧化物晶体，不溶于水。与HPGe探测器比，BGO探测器具有3个明显的优点：

1）能承受中子辐照；

2）无需液氮冷却；

3）探测效率高。

和NaI晶体相比，BGO晶体具有2个主要的优点：

1）不易潮解，稳定性好，透明度好；

2）平均原子序数和密度都比较大，对伽马射线的探测效率高，有利于伽马射线的测量。

所以，文中选择了BGO伽马射线探测器。

2.3 实验装置图

实验装置主要由D－D中子发生器（中子能量为2.5MeV左右，产额为106n／s）、中子防护体（密度为0.93×103kg／m3的聚乙烯）、煤炭样品箱（由10mm厚聚乙烯板制成）、BGO探测器（Φ76mm×76mm）、多道分析器以及计算机等6部分组成，其结构原理如图1所示。

图1 实验装置结构原理图

3 MCNP模拟结果

煤炭中除了硫元素外，还含有碳、氧、氢、氮、钙、铝、硅、铁、镁等元素，很难用MCNP程序模拟每一种情况。为了简化模拟计算的模型，文中保持氢、氧含量不变，分别为4%和11%，碳和硫含量之和为68%，剩余元素含量和为17%。不同硫含量在中子产额为106n／s，检测时间为1000s时的MCNP模拟计算结果见表1。

表1 煤炭中硫含量的模拟计算结果 %

“硫含量实际值”是指煤炭样品中硫的实际含量；“硫含量测量值”是模拟计算值，“绝对偏差”是“硫含量测量值”与“硫含量实际值”之差。

4 结 语

“煤中全硫的测定方法”（中华人民共和国国家标准，GB／T 214－1996标准）规定：在硫含量低于1.00%时，测量的绝对误差不能高于0.05%；硫含量在1.00%与4.00%之间，测量的绝对误差不能高于0.10%；当硫含量高于4.00%时，测量的绝对误差不能高于0.20%。由表1的数据可以看出，在硫含量低于1.00%时，测量的绝对误差低于0.05%；在硫含量高于1.00%时，测量的绝对误差低于0.10%。模拟计算的结果都达到了国家标准的要求，所以用D－D中子发生器快速检测煤炭中硫的含量是可行的。

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