基于天然放射性方法的在线灰分仪.pdf

1基于天然放射性方法的在线灰分仪基于天然放射性方法的在线灰分仪 葛学海，张立功，白云飞 摘要摘要：灰分是评价煤炭质量的一项重要指标，实现灰分在线检测对于煤炭的加工与利用十分必要。目前，在我国市场上所使用的在线灰分仪多是基于双能量射线透射方法，但是这种双能量法在线灰分仪在实际使用过程中仍然存在一些不足，例如，需要使用两种能量的放射源，不环保、管理成本高且受煤中高原子序数组成变化的影响较大，高灰分检测不准确等等。而利用煤碳自身发射的天然射线实现煤灰分在线测量的天然放射性方法有效地解决了双能量法的不足。NGAM-2008 是一款基于天然放射性方法的在线灰分仪，它不使用放射源，灰分检测实时性高，可同时提供煤质与煤量信息，并预留有水分仪接口，能够构成一个完整的、自动化的煤质煤量检测系统。NGAM-2008 填补了国内使用天然放射性方法在线灰分检测设备的空白，具有极高使用前景和推广价值。关键词关键词：在线灰分仪；天然放射性法；NGAM-2008；煤炭是我国的主要的能源原料和重要的化工原料，合理开采煤炭资源，提高煤炭利用效率对我国经济发展和环境保护有着重大意义。灰分是评价煤炭质量的一项重要指标，也是合理应用煤炭的重要依据。煤灰分是煤在一定温度下充分、完全灼烧后，氧化物残渣所占的质量分数（即重量百分比）。煤灰分与煤的发热量密切相关，为提高煤的利用效率，必须严格控制煤产品的灰分。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加 2%2.5%，相应地高炉单产将降低 2.5%3%，炉渣增加2.7%2.9%1。由此可见，控制作为焦炭原料的精煤的灰分十分重要。但是，传统的灼烧化验法测量灰分需要采样、缩分、称量、灼烧等一系列工艺流程，工序复杂、效率低、得出结果的时间长，滞后于实际生产，不能适应煤产品质量自动化控制的需要，且会存在人为因素的影响，所以对煤资源的充分利用十分不利。因此，煤炭的加工和利用企业非常需要在线检测灰分的技术和设备，能够快速、准确地得到煤灰分含量，实现煤炭高效、自动化的生产与使用。煤灰分在线检测的主要技术是辐射测量技术，例如：中子活化法、射线反散射法、双能量 射线透射法及天然放射性法等2。目前采用双能量 射线透射技术的在线灰分检测设备在市场中推广的较为广泛，商品化程度较高。1.双能量法在线灰分测量原理双能量法在线灰分测量原理 自上世纪 90 年代以来，我国的工矿企业普遍使用基于双能量 射线透射法的在线煤灰分仪。双能量 射线在线灰分仪使用两种射线能量不同的放射源：60keV 低等能量的241Am 源和 662keV中等能量的137Cs 源。双能量 射线在线灰分仪利用低、中两种能量 射线束透射被测煤层，低能 射线透射煤层后，其强度的衰减与煤灰分和煤层厚度有关，而中能 射线透射煤层后，其强度的衰减仅与煤层质量厚度(单位面积上煤的质量)有关，通过测量两种能量 射线的衰减，可以计算出煤灰分和煤层的质量厚度。因此，用中、低能 射线透射同一煤层，并测量二者强度的衰减，便可以直接测量输送煤带上煤的灰分，实现在线测量3。虽然双能量 射线在线灰分仪在煤炭行业应用较为广泛，但是由于双能量法测量原理的限制，其在使用过程中仍然有以下的几点不足：由于使用放射源，需要经过环保、公安、卫生等部门的备案、审批办证才能安装使用，手续繁琐，耗时且费用高。在使用过程中需要专人对放射源管理，设置警示标志，做好防盗防丢失保护，否则会有环保安全隐患。2 放射源射出的 射线为锥形束，只能扫描到传送带上 35cm 宽的煤带，并不能测量全横断面的灰分，测量结果以点带面，有很大的局限性。采用透射原理，要求输送机上的煤流厚度被限制在 30g/cm2以内，否则煤层太厚，射线无法穿透。受到煤中高原子序数组成变化的影响（如钙、铁、硫含量的变化），测量高灰分煤种误差较大。需要动态标定，取样繁琐，标定周期长，工作量大。利用天然放射性技术实现在线检测灰分可以有效的改善双能量法的不足。2.天然放射性法在线灰分测量原理天然放射性法在线灰分测量原理 从上世纪 80 年代开始，国外就已经开始研究借助天然放射性进行在线灰分检测。研究认为，放射性核素在自然界中普遍存在，岩石和土壤中都有一定量的天然放射性元素(如铀、钍和钾等)。煤碳也不例外，并且燃煤中的矿物质(灰分)比有机质(挥发分)含有更多的放射性元素。这些放射性元素可以认为是一些微小的放射源，当它们发射的天然 射线与周围物质(如煤中的矿物质和有机质)相互作用时，天然 射线的能量就向低能方向聚集，从而形成“低能峰”，这种“低能峰”的谱线形状和峰面积与煤的成分构成有关，亦即与煤中具有的不同有效原子序数的元素分布状态有关。利用这一信息，可对煤碳灰分含量进行快速监测。将天然放射性信息与皮带单位长度上的煤重信号(皮带称的输出信号)相结合，可使燃煤在线灰分监测的置信度进一步提高4。使用天然放射性法实现燃煤灰分在线监测的主要优点如下：不使用放射源，不必需要有关部门的审批、备案。无放射泄漏的安全隐患，不需专人管理。实现了对输送带的全横断面测量，灰分测量值可信度高。非测量参数(如燃煤水分，煤层厚度、密度和含铁量等)的变化，对灰分的测量结果没有影响。可实现静态标定，过程简单，快速。虽然煤炭中天然放射性射线的含量很低，但近年来随着核电子学与探测技术的不断发展，利用测量煤中的天然放射性评估煤炭灰分已经可行。国外研究人员在伊朗北部的 Ghaem-Shahr煤矿利用（n-）法、（-）法和天然 射线放射性法进行对比实验，结果表明，与实验室化验值相比，三种方法的标准偏差分别为 1.44%，5.68%及 1.71%。天然 射线放射性法的测量精度仅次于（n-）法，但大大优于（-）法5。3.NGAM-2008 天然射线灰分仪天然射线灰分仪 NGAM-2008 天然射线灰分仪（以下简称 NGAM-2008）是利用天然放射性方法研制的高性能、综合性煤炭在线检测产品，拥有自主专利技术，填补了我国天然射线法在线灰分检测设备的空白。NGAM-2008 的的系统构成系统构成 NGAM-2008 实现在线灰分测量，它由高性能 射线探测器、环境射线屏蔽体、能谱分析仪表及一台高精度在线负荷称重装置等组成，如下图所示：3 图 1 NGAMNGAM-20082008 的的系统系统构成构成 1)射线探测器 NGAM-2008 的 射线探测器的探测元件由闪烁晶体、光电倍增管、高压电源模块及相关电子元件组成，探测元件先将入射的 射线转换为光信号，再将光信号转换为可供测量的电信号，供能谱分析仪使用。射线探测器的探测元件由铅衬包裹，并置于坚固的钢材料外壳中，能在-20+55的环境温度下工作，不受湿度影响。射线探测器安装于上、下皮带的中间，由双导轨支架贴于上皮带下侧，以更有效地检测皮带上煤流的射线信号，具体尺寸参数取决于使用现场的空间。2)屏蔽体 环境辐射屏蔽体安装在皮带运输机的机架上，其主要目的是减少 NGAM-2008 的 射线探测器对本底环境辐射的响应。环境辐射屏蔽体是一个由多块钢外壳铅板组成的钢结构体，具体尺寸取决于现场安装条件，可适应于不同宽度的皮带输送机。3)在线负荷称重装置 依据天然伽放射性测量煤灰分法的原理，在线负荷称重装置是必要的组成部分。NGAM-2008 使用 KFCK-GJ 高精度型称重装置，采用高强度矩形管，刚性好、自重小、不变形、稳定性好，由单元组件结构组成，现场安装方便、快捷，无运动磨损部件，维护量小，精度为0.5%。负荷称重装置向 NGAM-2008 的分析仪表提供一路基于物料流量的 420mA 信号。4)能谱分析仪 能谱分析仪是 NGAM-2008 的核心部件，是一款嵌入式应用的微型计算机，实现了对能谱信号分析处理、运算及显示等功能。该部分的硬件由电源整流输出单元、信号调制解调单元、数据运算处理单元、人机交互单元及通讯单元等部分组成。能谱分析仪置于钢结构防尘箱中以适用于粉尘、震动的环境中。5)远端监控系统 通过通讯总线与分析仪表相连可构成远端监控系统。远端监控系统以工控机为硬件基础，配以核数据分析软件系统，可实现远程读取参数、实时分析、设置参数、实时记录、生成数据曲线、查询历史报表、输出电子表格以及打印数据报表等功能，对用户的生产管理十分方便，提高了管理自动化水平。6)预留接口 NGAM-2008 预留有一路水分仪接口，可接入安装在同一输送机上，水分仪输出的信号。用户将 NGAM-2008 与 KFCK2012 微波水分仪结合使用，能同时得到煤流的灰分、产量、水分及热值等信息，构成一个完整的煤质、煤量检测系统，对控制、生产、销售的帮助极大，效果明显，4效益可观。NGAM-2008 的技术指标的技术指标 1)灰分测量精度（标准偏差）：灰分15%：优于 0.5%；15%灰分30%：优于 1%；灰分30%：优于 1.5%；2)产量计量精度：0.5%；3)测量稳定性：同一煤种连续工作 24 小时变异系数小于 0.5%；4)单次测量时间：51000s；5)灰分输出：一路 420mA；6)物料流量输入：一路 420mA；7)通讯接口：一路 RS485 或一路以太网；8)平均无故障工作时间（MTBF）大于 50000 小时。NGAM-2008 的主要功能的主要功能 1)精确在线测量煤质灰分，可给出 10 秒、1 分钟，10 分钟，小时灰分；2)精确在线测量煤流累积量；3)预留水分仪接口，与水分仪结合，准确测量煤流水分；4)依据灰分、水分数据，校准发热量测量结果，得到更准确的燃煤发热量数据；5)提供完善的报表信息，给出 10 秒、1 分钟，10 分钟，小时灰分报表统计，可供查询；给出班产量、日产量报表统计、可供查询；6)具有网络功能，可实现网络数据共享；7)预置 8 种煤质的特征谱线参数。NGAM-2008 与双能量法灰分仪的比较与双能量法灰分仪的比较 表 1 N NG GA AM M-2 200008 8 与与双能量双能量法法灰分仪灰分仪的的比较比较 序号序号 比较项目比较项目 NGAM-2008 双能量法灰分仪双能量法灰分仪 1 安全性 无放射源，对人身健康无影响。有放射源，操作不当会对人体产生健康危害。2 放射源审批许可办证 无放射源，不需审批、办证。需要审批办证，手续繁琐，费用高。3 管理运行成本 对设备做日常普通维护，按照常规设备管理，成本较低。除去日常维护外，需要针对放射源特别管理，经常接受政府环保部门的检查，管理运行成本较高。4 产量功能 无源灰分仪设备带有精确负荷检测装置，可提供准确的产量信息，直接用于产量管理。只能提供放射源照射区域内皮带上局部煤流的产量信息，仅具有参考价值，无实际用途。5 检测范围及灰分代表性 对皮带输送机上的煤层进行全覆盖检测，检测结果代表全横断面灰分。放射源发射窄束射线，只对所照射到的很小区域的煤流检测，测得灰分数据有很大的局限性。6 灰分测量范围 原则上可测量的灰分无上限，灰分越高测量精度越高。只能测量一定范围内的灰分值，高灰分测量误差加大。57 实时性 实时性强，最快可提供 10 秒钟有效灰分。测量缓慢，最短可提供 1 分钟灰分。8 标定工作量少 静态标定，现场标定工作量只是双能量法灰分仪标定工作量的 40%。动态取样、化验、比对，标定过程繁琐，周期长，工作量大。9 最大煤层面密度 无上限。精 煤30g/cm2，高 灰 分 煤20g/cm2。10 钙铁成分波动 不受影响。很大影响。4.结论结论 开封市测控技术有限公司研制的 NGAM-2008 天然射线灰分仪可适用于煤炭销售过程中对煤质、煤量的评价，煤炭生产过程中对生产效益的绩效考核，选煤工艺中的闭环控制，配煤系统中的自动控制等场合以及火电厂、水泥厂、焦化厂等对煤质指标有要求，需要高精度、高可靠性煤质、煤量在线监测的重要应用场合。NGAM-2008 借助天然放射性原理对煤流灰分进行在线检测，非接触、无放射源、实时性高，与双能量法灰分仪相比优点突出，可明显降低用户的生产管理成本，提高用户的经济效益，达到满意的使用效果。因此，NGAM-2008 在煤炭灰分在线检测领域具有极高的使用价值及推广前景