煤炭灰分在线检测技术对比分析

董媛媛

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3.煤炭工业节能监测中心，北京 100013)

在一定温度下，煤炭经过完成燃烧后，所残留的固态物质所占总体残留物的质量百分数就是煤炭灰分。应用传统化学方式来对煤炭灰分进行检测，这种方式属于离线分析，耗费时间较多，而且无法及时指导生产。引入煤炭灰分在线检测技术后，能够对化学检测法所带来的一系列问题进行很好地处理，极大地提高煤炭生产合格率，促进现代化工厂的发展。所谓，煤炭灰分在线检测技术，其核心技术就是辐射测量技术。其中，在20世纪六十年代的时候，就已经有许多的专家学者对应用放射性同位素来对煤炭灰分进行测量开展研究工作。到目前为止，较为常见的煤炭灰分在线检测技术包括：双能量γ射线透射技术、X射线荧光分析以及中子活化瞬发γ射线分析技术等。不同的在线检测技术适用着不同的环境范围，其产生的效果也各有不同。

1 检测原理

煤炭灰分在线检测技术主要依赖于辐射测量技术，该技术的理论基础就是将煤炭当做两种原子序数元素的混合物，这两种原子序数元素一种是以C为主要元素，平均值为6，简称为低Z元素[1]。而另外一种元素是将Al、Si作为主要元素，其原子序数平均值高于12，也被称为高Z元素。基于化学法来对煤炭灰分进行分析，可以看出Al2O3和SiO2的含量非常高，并且这两种元素在氧化物中占比近乎一半，因此人们常说高Z元素在煤炭灰分中占比50%的结论是具有可靠性的[2]。通过适当方式测出煤炭中高Z元素的质量分析，再将这个数值与近似为Z的常数相乘，便可得到煤炭的灰分值。如果采用辐射测量法来对煤炭灰分进行测量，那么需要对某种射线强度进行测量，而且射线强度和射线在煤炭中起到的作用有着密切关系，在物质中，射线衰减主要遵循一个指数衰减规律：

I=I0×e-μpd

其中，I指的是射线衰减之后的强度；I0则是射线的初始强度；μ指的是质量衰减系数；p表示物质密度；而d为物质厚度[3]。这个物理规律要想成立，必须满足两个条件：①射线为“窄束”，②确保射线准直。

2 煤炭灰分在线监测技术

2.1 双能量γ射线透射技术

所谓能量γ射线透射技术，就是利用低能γ射线和中能γ射线有效结合，之后对煤炭灰分进行测量。其中，低能γ射线的衰减程度和物质中的高Z元素有着密切关系，也就是检测出高Z元素的质量分数[4]。另外，中能γ射线是对其他元素的衰减程度进行检测，由于衰减和吸收都只是与煤炭的质量厚度存在联系，所以该方式能够校对煤炭厚度。

基于透射技术，能够实现射线准直，进而满足一般的衰减规律。受到厚度、粒度等因素的影响，使得实际应用精度高于大部分的灰分检测设备。经过分析，可以看出该技术有着明显优势：

1) 不存在垂直偏析情况[5]。

2) 直接针对处于输煤传送带上的煤炭进行灰分测量，不需要采取其他附加设备。

3) 灰分测量动态范围较大。

4) 具有良好的辐射安全性，而且性能价格比较高，到目前为止，应用非常广泛。

2.2 天然γ射线测量法

天然γ射线测量法的检测原理就是利用煤炭自身所具备的γ粒子数量来得出煤炭灰分。因为煤炭中含有多种天然γ射线元素，所以对这些放射性物质所带来的计数率进行检测便可清晰地反映出煤炭中的物质含量，最后确定灰分。该检测公式为：

Ad=AK+BU+CTh+D

其中，A、B、C、D都属于常数，基于煤炭种类进行划分，将K、U、Th分别定义为钾、锂、钍三种放射性元素的强度，该方式具有不需要使用放射源的优势[6]。

其缺点分为几种：第一，天然γ射线元素和其他元素含量没有必然联系，当在特定矿点中，二者之间的联系确定了方案的可行性，所以有些地方能够测量，有些地方无法测量，不适用于测量混煤。第二，测量γ计数率有着巨大难度，很容易受到环境因素的影响。相比土壤和水泥，煤炭放射性较低，灰分越低，越容易受到环境因素影响[7]。

2.3 中子活化瞬发γ射线分析技术

中子活化指的是中子被原子俘获后逐渐带有放射性的过程。由于物质和中心的原子核的功能作用较为复杂，能够在短时间内产生不同的γ射线，也叫作特征γ射线。这种作用通常分为为两种：非弹性散射和俘获反应[8]。当采用中心照射技术来对煤炭中各个元素所形成的特征γ射线进行测量，能清晰地获取到H、Al、Si 等元素的含量，从而计算出发热量和灰分等。中子活化分析技术的核心就是挑选中子源，常见的有三种选择方案。第一种为252Cf裂变中子源；第二种为Am-Be中子源；第三种为中子管。

其中，252Cf裂变中子源所发射的中子通量较高，而且其他干扰射线数量很少，属于比较理想的分析源。但是由于自身因素，会受到几方面的限制。比如，半衰期短，一般仅有2.65 a，另外成本较高，生产过程需要采取高通量中子进行反应，造价过高。最后，货源无法保障。该物质被公认为最难买的放射源。

中子管能够进行人为控制，所发射中子的能量为14Mev，基于非弹性散射方式来对C和O进行测量，并使用热中子的俘获反应来对其他元素进行测量。由于中子管寿命周期较短，国产设备能够使用几百小时，而国外设备能够应用几千小时，但是造价也比较昂贵。

Am-Be中子源，其原理是Am-241衰变而发射出来的射线对Be进行轰击从而形成中子。该中子能量远远高于5MeV，所以能够通过非弹性散射和俘获反应来对煤炭灰分进行测量。因为中子形成是由α射线对Be进行轰击，这种方式产生率较低。如果应用在线检测技术，该中子源的活度高于1 100 GBq[9]。该技术具有几方面缺点：

其一，该技术所形成的特征γ射线能量很高，通常在1～10MeV范围内，会对测量造成影响。一方面测量效率较低，射线很容易透过检测器而无法被检测到[10]。另一方面，所检测的全能峰占比较小，难以形成具有特征的γ射线全能峰，这些都会对后期测量带来影响。

其二，特征γ射线能谱比较复杂，由于煤炭中有着多种元素，并且都具有特征γ射线，要是全部开展测量，会消耗大量精力[11]。

2.4 射线荧光分析

应用该技术测量煤炭灰分的检测原理为：通过初始射线对煤炭样本进行照射，能够让煤炭中其他元素的特征X射线充分激发，并对这些特征X射线进行测量，便能够测量出这些元素的含量。该技术对于高原子序数的元素有着较高的敏感度，相对而言，原子序数高，被激发的可能性越高，所产生的X射线越多[12]。煤炭灰里面富含Al和Si元素，但是这两种元素的原子序数比较低，所以产生的特征X射线较少，对于后续测量后者不利影响。

除此之外，原子序数低，所产生的特征X射线能量也比较低[13]。比如，煤炭中的Si和Al，这两种物质所发射出来的特征X射线容易被空气吸取。同理，特征X射线的穿透能力很差，仅有几十微米，所以只可以测量到表面[14]。为保障测量精度和可靠性，需要采用专业的制样系统，对煤炭进行处理，变为粒度小于0.2 mm的颗粒。另外，在对特征X射线进行荧光分析时，流程过于繁琐复杂，而且花费成本较高，这些外在因素对于技术的应用有着一定的限制作用[15]。

2.5 激光诱导击穿光谱分析

该技术的检测原理就是通过高能脉冲激光来对煤炭表面进行照射，在一定范围内温度逐渐提高，导致煤炭内生成等离子体，其内部元素发出光亮，对光谱进行测量，能够得出各类元素在煤炭灰中的具体含量。但是在实际工作中，存在许多问题：

1) 和煤炭自身的挥发分存在联系。

2) 利用高能激光照射煤炭表面，能够形成火花，带来一定的风险隐患。

3) 该测量技术作用范围较小，而且煤炭取样比例很低，不具有代表性[16]。

2.6 对比分析

表1为5种煤炭灰分在线检测技术的对比分析。

表1 五种煤炭灰分在线检测技术对比分析

3 结 语

对于煤炭行业而言，应用煤炭灰分在线检测技术，不管是在自动装车配煤，还是在煤炭生产过程监控中都有着非常明显的作用。基于现代化检测技术，准确获取到煤炭灰分中不同元素的含量，从而提高煤炭生产的合格率，推动煤炭行业的健康发展。通过本文对五种煤炭灰分在线监测技术的对比分析，得知不同检测技术的各自优势特点。发展至今，天然γ射线测量法和双能量γ射线透射技术在多个领域得到广泛应用，并取得了不小的成果。