在煤炭交易和煤炭利用中,煤灰含量是其重要指标之一。但目前煤矿和煤用户多采用实验室工业方法研究煤灰分含量,这一些方法大多过程缓慢,不能及时得到煤的煤灰含量,远远不能够满足煤炭交易和煤炭利用的需要。但是先进的煤灰快速分析仪器不仅价格昂贵且安装条件要求高,不符合煤矿以及煤用户的经济利益。因此一种快速简单有效的煤灰测量方法在煤炭交易及煤炭利用中就尤为重要。

  针对煤灰分析、煤炭交易和煤炭利用的现状,本文设计了一种基于低能γ射线散射法进行快速煤灰检测的便携式仪器。本文结合室外使用的真实的情况,从探测器

  的众多种类中选择正真适合NaI(Tl)为探测器以及适合的放射源 241m ,设计了基于单片

  机的便携式测灰仪电路板及便携式测灰仪整体结构并对对仪器的安全性做出评价。仪器安装好以后,研究γ射线强度与煤灰份含量的关系,研究煤的含水量对仪器测量精度的影响,研究煤中铁元素含量变化对测量仪器精度的影响,研究煤的破碎度、压实度对测量仪器精度的影响。最后通过对所有的试验结果分析,提出对仪器测量影响因素的解决办法以及使用注意事项。

  煤炭是世界上最丰富的化石资源, 目前约占世界一次能源消费的28%,在今后一段时间内,煤炭仍将在世界能源消费中占有很重要的地位。我国是世界上规模最大的煤炭生产国,年产量达21亿吨以上,煤炭是我国的主要能源和重要化工原料。因而,提高煤炭的利用效率对发展我国的国民经济意义重大,为提高煤的利用效率,必须严控煤产品的灰分。例如,焦炭中灰分的质量分数每增加1,,将导致炼铁时焦比增2,,2.5,,相应地高炉单产将降低2.5,(3),炉渣增加2.7,,2.9,。 由此可见,控制作为焦炭原料的精煤的灰分是很重要的。传统的灼烧化验煤灰法工序复杂、给出结果滞后时间长,不能适应对煤产品质量控制需要。所以,在煤炭生产、加工及使用中非常需要快速、准确的检测煤灰分的手段和设备[1]-[3]。

  煤炭是商品,所以存在煤炭交易。煤炭交易也是以煤灰含量为依据。对于大多用煤单位,煤炭交易一般都是当时完成,但目前用煤单位多采用实验室工业方法研究煤灰分含量,这一些方法大多过程缓慢,不能及时得到煤的煤灰含量, 因此远远不能够满足煤炭交易的需要。对于同汽车运煤交易的单位,煤炭供应紧张时,煤炭根本就来不及检测,接受一些不符合价值的煤炭,使企业经济利益蒙受损失。所以在煤炭交易中也非常需要快速、准确的检测煤灰分的手段和设备。

  随着技术的发展,各种各样先进的非动力核技术,应用核技术,开始应用于大煤量煤灰的实时检测和旁线检测。它具有对煤样不破坏、不接触、能自动连续运转,无需繁琐的制样过程,监测速度快,节省劳动强度等优点而被大范围的应用。现在很典型的方法有天然γ射线法、单源γ透射法、双能γ射线法、电子对生成法以及中子活化分析法等。这些技术及产品大都使用在一些煤炭和电力生产的全部过程检测控制。在我国的煤炭利用以及贸易过程中,往往需要现场快速得到煤的灰分,因此仪器的便携性十分重要。但是目前先进的灰分分析仪往往只能固定安装,如以中子γ辐射法和电子对生成湮没法为理论依照的灰分检测仪,其设备复杂,价格昂贵,放射源如中子的半衰期只有2.63年,中子很难屏蔽,对人的危害比较大,难以实现便携,对

  于双能γ射线法, 由于其也具有一定的辐射危害,也很难实现便携,对于单源γ透射法,它在测量煤灰时对煤粒度、被测煤层厚度变化等要求比较严格且通常用于在线检测,对于自然γ射线法, 由于其要求煤中必须存在自然放射性物质才能检测出煤中灰分,不具备通用性。它们各有各的优点和缺点,但都不满足需要经常移动仪器且能快速精准测量煤灰的煤炭利用及交易的场合。因此,研制一种便携式快速测灰仪具备极其重大意义。

  国外主要产煤国家从60年代就开始了用核方法测量煤炭灰分的研究与应用[4]。当时主要是以光电效应为基础的低能γ射线反散射方法。这种方法对低灰分煤有良好的测量精度。但对粒度有一定要求。需增加附属设备才可能正真的保证精度要求, 同时煤样流的流速、流量也不能太高。随着煤炭生产的快速的提升,到70年代后期至80年代初期, 澳大利亚学者推出了双能γ射线穿透方法和电子对湮没辐射方法,适用于高速运动煤流灰分的测量,对高低灰分煤均能给出满意的测量精度。最近由美国G amma Metric公司和澳大利亚MCI公司相继推出的一种检测灰分的新方法,瞬发γ射线中子活化分析法,简称P GNNA技术。它其实就是放射性灰分监测技术的一种扩展技术[5]

  我国在这个技术领域起步较晚。 70年代初期,我国才开始研究这项技术,并研

  制出基于低能单源γ射线透射法的煤灰快速测量产品,选用低能的镅 241m 、钋

  239u 或锎 258f 作为放射源的。低能γ射线测灰灵敏度较高,易于屏蔽防护,且结构

  较简单,但单源低能γ射线透射法对于受测煤样的质量厚度变化影响不能修正,因此一般只限用于粒度小、均匀性好且被测煤层厚度变化不大的在线检测或者粒度较大、均匀性较差但被测煤层厚度能保持一致的旁线检测。这种透射法在应用核技术检测灰分的最初阶段使用较广泛,但由于存在着上述的局限性,逐渐被代替了。在单源透射法实践的基础上双源透射法逐渐发展起来。其应用于带式输送机上时,受

  因为中能γ射线的衰减与原子序数高低无关,而与质量厚度有关。双源透射法较多

  应用于带式输送机上煤流的在线检测,收到很好的效果,特别是对于单一品种煤。最近东北师范大学等单位开始探索中子感发瞬生γ射线分析法(NIPGA)的快速煤质分析,这是检测煤质成分的一个新方向。其测量精度高,可以连续在线测量煤的全组分。但标定很难,屏蔽防护要求高,整机体积大,且现场安装地点的选择也较严格,并且所需投资较高,还难于被一些中小电站所接受。 [7] [8] [9] [10]。

  以上产品大都使用在一些煤炭和电力生产的全部过程检测控制。往往只能固定安装,并且设备复杂,价格昂贵,难以实现便携。但在我国的煤炭生产和贸易过程中,往往需要现场快速得到煤的灰分。

  一。快速测量煤灰分对工艺控制、成品质量、节约能耗、煤炭交易等具备极其重大的指导意义。但目前用煤单位多采用实验室工业方法研究煤灰分含量。在传统的煤灰工业分析化验中,灰分分析使用灼烧法。这种方法分析过程繁琐,分析时间比较久,一批煤样的分析周期为6-8h,往往是今天取样,明天提供煤质分析报告,不能及时得到煤的煤灰含量,因此远远不能够满足实际要。因此就需要一种快速分析煤灰的仪器,对于煤炭利用及贸易具备极其重大意义。

  应用核技术测煤灰作为一种新技术,正在逐渐被推广使用。但是,先进的应用核技术煤灰分析仪器大都价格昂贵,安装要求严格。一方面众多用煤单位从经济利益考虑而不愿在煤炭交易现场煤灰快速分析方面做过多的投资。另一方面煤炭交易及利用环境要求仪器适合便携,先进的核技术煤灰分析仪器基本都不能够实现便携。

  本课题的研究宗旨是研制一种基于低能伽马反射法的简单轻便的快速煤灰分析仪器, 以满足我国煤质现场快速煤灰测量的需求。

  γ射线是一种波长极短的电磁波, γ射线种过程,但最大的作用有三种:光电吸收效应、康普顿散射效应、形成电子对效应[11]。

  光子与原子相撞时,把全部能量交给一个轨道电子,使它脱离原子而运动,光子本身整个被吸收。光电效应实质是一定能量的γ量子与一个原子整体之间发生的相互作用。作用的结果是γ量子被原子吸收, 同时发射出一个一定动能的电子。该电子称为光电子。处于受激状态的原子退激,跃迁回基态时发射特征X射线示意地表示这一过程的情形。

  一个γ量子被自由电子散射的过程称为康普散射,也称为康普顿效应。实际上,康普顿散射主要发生在原子中结合松散的外层电子上。因为γ量子损失部分动能来克服电子的结合能,所以实际发生的康普顿散射是非弹性散射。仅仅因为这个结合能值比入射γ量子的能量小的多,作为第一级近似,可以把康普顿散射当作弹性过程来处理。康普顿散射γ量子的能量不同于γ量子的能量,即散射前后电磁波长发生明显的变化,所以康普顿散射是一种非相干散射过程。

  当γ光子的能量大于1.02MeV时,它和物质作用有另一新的现象。光子在原子核旁转化成一个电子和一个正电子,即形成一个正负电子对,而原来的光子整个不见了。 图2.3示意地表示这一过程的情形。

  根据γ射线与物质相互作用理论,物质对窄束γ射线的衰减与物质的质量厚度和质量衰减系数成指数关系[12]。

  低能γ射线测灰的基础原理, 当一束准直γ射线经过被测煤层时发生衰减作用,其衰减程度取决于煤样层的质量厚度, ρ ,和质量衰减系数L两个因素,并遵循下列指数方程衰减[12]。

  质量衰减系数,质量衰减系数的大小与γ射线的能量和煤中各元素的原子序数有关,煤中不同元素的质量衰减系数是各不相同的。

  煤炭组成与质量衰减系数的关系,煤炭组成极为复杂,它是由有机质和无机矿物质混合组成的一种化石燃料。简单说来,有机质主要是C、H、N、 S和O等元素组成的有机物,而矿物质主要是Si、Al、 Fe、 Ca、Mg、K和Na等元素组成的无机化合物。因此煤炭可粗略视为二元混合物,组成有机质的各元素基本为低原子序数,低z,,其等效原子序数[13]为6,而组成矿物质的各元素基本为高原子序数,高z,,其等效原子序数为12。煤经过完全充分的燃烧后留下来的固态残留物俗称煤灰,即高z元素的氧化物,这些氧化物残渣占灼烧前煤的质量分数叫做煤的灰分[14]。

  今假定高原子序数的元素占煤中的质量百分含量为CZ,则低原子序数的元素的质量百分含量为1-CZ。对某确定的低能γ射线,煤中高、低原子序数元素的质量百分含量分别乘以各自的质量衰减系数之和, 即

  对于低能γ射线来说, L受C的影响很小[14] , 因而煤对低能γ射线的质量衰减系数主要与煤中所含的高Z ,原子序数,元素的质量百分含量有关。在某一确定条件下, xρ可视为不变, I和I0可通过多,单,道仪实测,这样就可以求出煤对低能γ射线的质量衰减系数,然后得到煤中灰分。

  近年来,煤灰快速分析受到了国内外研究人员的广泛关注,早期通常用灼烧法、远红外法、热重法等[15] [16] [17] [18]。随着核应用技术的发展,慢慢发展出了基于非动力核技术的测灰方法。 目前很典型的分析方法有,天然γ射线法、单源γ透射法、双能γ射线法、 电子对生成法以及中子活化分析法等。

  近年来,人们发现,与煤共生的矿物质含少量的铀、钍和钾等元素。这些元素有天然的γ射线辐射。在特定地层中,这些元素在矿物质中有恒定含量。经过测量天然γ射线的辐射强度以及物质质量就能确定煤的灰分。英国、澳大利亚、波兰等先后开展了采用天然γ射线进行测灰技术的研究,并已达到工业应用[9] [19]。基本的产品有英国的NGCQM、澳大利亚的COALSCAN1500以及波兰的RODOS型等。图2.4所示为天然γ射线法测灰仪。但是,天然γ射线测灰仪有一定的局限性,适用于矿物质中含放射性物质较高的煤灰测量,测量精度约为2%。

  单源透射法通常多选用低能的镅 241m 、钋 239u 或锎 258f 作为放射源的。当γ射线穿过物质时的减弱强度随物质的原子序数增大而增大。此外低能γ射线华 中 科技大 学硕士 学位论文

  还与煤单位面积重量有关。用对γ射线非常灵敏的闪烁探测器可以测量穿过煤炭后的射线强度,这样利用穿透煤层后射线的减弱强度即可测算出各元素含量值。但是这种方法其测量精度受煤炭中高原子序数的成灰矿物(主要是铁)含量波动和煤的堆积密度的影响很大。此方法一般只限用于粒度小、均匀性好且被测煤层厚度变化不大的在线检测。下图为单源透射法测灰仪示意图。

  双能γ射线快速分析仪一般都会采用镅( 241m )作为低能放射源,铯( 137s )作为高能放射源。低能γ射线穿过物质时的减弱强度随物质的原子序数增大而增大。此外低能γ射线吸收率还与煤单位面积重量有关。高能γ射线吸收率只与煤单位面积重量有关。用对γ射线非常灵敏的闪烁探测器可以测量穿过煤炭后的射线种能量的射线即可测算出各元素含量值[15] [20] [21]。 由于低能γ射线的反散射和透射对高原子序数元素尤为敏感,所以,基于以上方法研制的同位素测灰仪,其测量精度受煤炭中高原子序数的成灰矿物(主要是铁)含量波动的影响很大。这也就制约了测量精度的提高。特别是在测量高灰煤的情况下,误差较大。测低灰煤时,精度可达0.5%,高灰煤时,精度一般在1,(3)。 目前双能分析仪已在国内使用。如上海石洞口电厂使用的LB420分析仪。它所配备的闪烁探测器采用漂移和衰减的自动补偿以保证经常使用的稳定性。西北电力集团燃料公司研制的TN-2000型分析仪也是采用双能透射法进行煤质测量[22] ,下图为其测量流程图。

  中子活化分析法的原理是利用热中子激发被测煤样中各元素的原子核,测定这些激发态的原子核跃迁时发出的γ射线能谱,即可得到各元素的含量。热中子可以激发被测煤样中各元素的原子核,使其处于不稳定的高能激发态。测定这些激发态原子核跃迁到稳定的基态或较稳定的低能态时发出的γ射线能谱,就可得到各元素的含量

  [23]。图2.7为中子活化快速分析仪框图。该法技术复杂,投资大,且不易标定。但功能强,测量精度较高,其精度几乎不受测灰范围影响。国内曾对此有过研究,但尚没有成熟的产品。国外中子活化分析仪的基本的产品为美国Gamma Metrics公司的Model 3612C型分析仪和澳大利亚Scantech公司的COALSCAN 9000型分析仪。

  电子对生成法的原理是当入射γ射线电子伏时,照射到煤中原子内可产生正负电子对。通过NaI探测器测量正电子湮灭产生的γ射线强度和康普顿效应产生的γ射线强度就可得知灰分含量[15]。 图2.8所示为电子对生成型测灰仪的简图。

  单源透射法通常多选用低能的镅 241m 、钋 239u 或锎 258f 作为放射源的,低能γ射线测灰法灵敏度较高,易于屏蔽防护,且结构较简单,但单源低能γ射线透射法对于受测煤样的质量厚度变化影响不能修正, 因此一般只限用于粒度小、均匀性好且被测煤层厚度变化不大的在线检测或者粒度较大,均匀性较差但被测煤层厚度能保持一致的旁线检测。这种透射法在应用核技术检测灰分的最初阶段使用较广泛,但由于存在着上述的局限性,现在逐渐被双源透射法代替了。

  双能透射法是在单源透射法实践的基础上发展起来的。后者应用于带式输送机上时,受皮带上的质量厚度变化影响大,故采用中能γ射线华 中 科技大 学硕士 学位论文

  予修正, 因中能γ射线的衰减与原子序数高低无关,而与质量厚度有关[24] [25] [26]。双源透射法目前较多应用于带式输送机上煤流的在线检测,收到很好的效果,特别是对于单一品种煤。

  单源反散射法所用放射源通常有低能如镅、钋、锎等和中能如钴、镭等两种。反散射法要求被测物料厚度大于γ射线饱和厚度,堆密度要保持与标定仪器时相一致,被测煤层面要均一平整等才可以获得较好的结果。在同样放射源能量强度下精度比透射法低,为了更好的提高测定精密度、通常选用较大的源强,较长的时间。因此,它较适用于旁线检测,应当指出,利用γ射线Kev的放射源如时,不象双源透射法那样需要另设一个放射源以消除质量厚度的影响,但屏蔽防护要求高,整机体积大,且现场安装地点的选择也较严格。

  天然γ射线辐射法,最近几年来有所发展,可用于带式输送机上的在线检测,据报导效果好。它的最大优点是,不用任何放射源, 因此也就没有屏蔽防护的技术措施要求,避免了环境污染和可能引发,对人身的不安全事故。但由于天然放射性物质含量很低, γ射线很弱, 因此就需要灵敏度很高的探测线进行仔细的检测。应用天然性γ射线射源检测煤中灰分时要有两个前提,一是产煤地区的岩层中的放射性强度要基本稳定,二是要有特殊的屏蔽措施以阻绝宇宙太空来的γ射线的影响,否则不易测准。

  电子对湮没辐射方法是由澳大利亚学者提出的,适用于高速运动煤流灰分的测量,对高低灰分煤均能给出满意的测量精度。但结构较为复杂,价格昂贵,屏蔽要求严格等。

  瞬发γ射线中子活化分析法最近由美国Gamma Metric公司和澳大利来MCI公司相继推出的一种检测煤质成分的新方向,简称P GNNA技术。它其实就是放射性射性灰分监测技术的一种扩展技术,其测量精度高,可以连续在线华 中 科技大 学硕士 学位论文

  但屏蔽防护要求高,整机体积大,且现场安装地点的选择也较严格,并且所需投资较高还难于被一些中小电站所接受[27] [28] [29] [30]。

  以上灰份测量的技术和产品大都使用在一些煤炭和电力生产的全部过程检测控制。在我国的煤炭生产和贸易过程中,往往需要现场快速得到煤的灰份,这样做才能够现场决定煤质的状况, 因此仪器的便携性十分重要。但是目前国内外大量的灰分分析仪往往只能固定安装,如以中子γ辐射法和电子对生成湮没法为理论依照的灰分检测仪,其设备复杂,价格昂贵,放射源如中子的半衰期只有2.63年,中子很难屏蔽,对人的危害比较大,难以实现便携,对于双能γ射线法,由于其也具有一定的辐射危害,也很难实现便携,而低能γ射线散射法,其结构相对比较简单,价格实惠公道,易于防护,且重量轻能轻松实现便携。本文就是基于低能γ射线散射法便携式快速测灰仪的研制。