葛學(xué)海，白云飛，陳 鵬，張立功，陳 榮

(開封市測(cè)控技術(shù)有限公司，河南 開封 475000)

根據(jù)煤炭工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃，2015年我國(guó)原煤入選率要在65%以上[1]，2020年原煤入選率要在80%以上[2]。2015年的運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，該年度的原煤實(shí)際入選率為65.90%[3]，發(fā)展目標(biāo)已實(shí)現(xiàn)。煤炭灰分是評(píng)價(jià)其經(jīng)濟(jì)價(jià)值的基本指標(biāo)之一，而洗選加工是煤炭降灰的主要手段。在當(dāng)前煤炭市場(chǎng)低迷與經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)的情況下，降本增效成為選煤企業(yè)提升經(jīng)濟(jì)效益的根本途徑，而入選原煤的質(zhì)量對(duì)降本增效有著重要影響，因此對(duì)入廠原煤灰分的檢測(cè)就顯得十分重要。

由于傳統(tǒng)人工檢測(cè)方法勞動(dòng)強(qiáng)度大，檢測(cè)數(shù)據(jù)具有滯后性，且檢測(cè)結(jié)果受人為因素影響大，已不能適應(yīng)當(dāng)前煤質(zhì)檢測(cè)的需要。為了減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高檢測(cè)效率，減少結(jié)算糾紛，選煤企業(yè)迫切需要探索新的檢測(cè)方案，從而實(shí)現(xiàn)入廠原煤煤質(zhì)檢測(cè)的自動(dòng)化、連續(xù)化以及客觀、準(zhǔn)確檢測(cè)。

1 有源煤灰分儀的不足

目前，煤炭測(cè)灰使用較多的在線灰分檢測(cè)設(shè)備是基于雙放射源透射技術(shù)的有源灰分儀。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用效果來看，有源煤灰分儀在檢測(cè)原煤灰分時(shí)的應(yīng)用效果不理想，主要存在四方面的問題：

(1)該灰分儀采用雙放射源，低能量放射源為241Am，能量為60 keV；中能量放射源為137Cs，能量為660 keV。根據(jù)GB/T 13366—2009《工業(yè)儀表用銫137γ輻射源》[4]規(guī)定：工業(yè)儀表用銫137γ輻射源的安全使用期限不超過10年，受環(huán)保、安全因素的制約，因而有源煤灰分儀的使用與維護(hù)很不方便。此外，由于放射源存在一定放射性，用戶對(duì)其安全性存在顧慮。

(2)該灰分儀的放射源發(fā)出的γ射線為錐形束(圖1)，僅能掃視膠帶中央3～5 cm的煤帶，如果被測(cè)煤流的灰分、粒度等在膠帶橫斷面方向上存在系統(tǒng)性差異，檢測(cè)結(jié)果就不能真實(shí)地反映入選原煤的實(shí)際情況。尤其是粒度較大的矸石，往往散落在膠帶兩側(cè)的邊緣區(qū)域，從而導(dǎo)致原煤灰分分布不均勻，灰分儀無法實(shí)現(xiàn)全斷面檢測(cè)，致使檢測(cè)結(jié)果的代表性差。

圖1 有源煤灰分儀的探測(cè)區(qū)域

(3)有源煤灰分儀要求被測(cè)煤流的最大質(zhì)量厚度為 20 g/cm2，而入選原煤具有流量大、煤層厚、粒度大、分布不勻的特點(diǎn)。入選原煤煤流太厚，導(dǎo)致低能射線無法穿透，檢測(cè)靈敏度急劇下降；否則，只有通過加大低能放射源的活度來提高射線的穿透能力，但安全風(fēng)險(xiǎn)和投資成本均會(huì)隨之增加。

(4)有源煤灰分儀的放射源發(fā)出的γ射線不但能夠透射煤層，而且可以透射傳送帶。大型選煤廠的入廠原煤膠帶內(nèi)通常含有鋼絲芯，而低能放射源241Am對(duì)鋼絲十分敏感，因此鋼絲對(duì)低能γ射線的吸收必定影響檢測(cè)結(jié)果[5-6]。

綜上所述，有源煤灰分儀在準(zhǔn)確檢測(cè)入選原煤灰分時(shí)存在很大的局限性，其更適用于小流量、細(xì)粒度、低灰分、灰分分布均勻煤炭的檢測(cè)，如精煤產(chǎn)品灰分的檢測(cè)。相比之下，利用煤炭自身的天然放射性實(shí)現(xiàn)其灰分在線檢測(cè)的天然射線灰分儀則無需專門布置放射源，不僅使用與維護(hù)方便，且能夠?qū)崿F(xiàn)煤流全斷面檢測(cè)，可以有效彌補(bǔ)有源煤灰分儀的不足。

2 NGAM-2008天然射線灰分儀

2.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

NGAM-2008天然射線灰分儀主要由γ射線探測(cè)器、環(huán)境輻射屏蔽體、射線能譜分析儀表、煤流負(fù)荷稱重裝置、主機(jī)、通訊模塊及灰分解析軟件等單元組成(圖2)。由于放射性核素在自然界普遍存在，巖石和土壤中都有一定量的天然放射性核素(如U系、Th系、40K等)，煤炭也不例外，因此對(duì)于一定質(zhì)量的煤炭而言，其天然放射性強(qiáng)度與灰分呈正相關(guān)性，故通過檢測(cè)由煤炭的天然放射性引起的γ計(jì)數(shù)率，即能確定煤炭灰分。NGAM-2008天然射線灰分儀就是利用高效率、高靈敏度的γ射線探測(cè)器探測(cè)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)拿毫靼l(fā)出的微弱γ粒子，并結(jié)合稱重裝置，實(shí)現(xiàn)煤炭灰分的在線檢測(cè)。

圖2 NGAM-2008天然射線灰分儀結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural make-up of NGAM-2008 natural gamma-ray ash monitor

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

(1)該灰分儀可利用煤炭的天然放射性實(shí)現(xiàn)灰分的在線檢測(cè)，無需專門布置放射源，符合安全、綠色、環(huán)保的理念；此外，沒有安全使用期限，使用壽命長(zhǎng)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，使用與維護(hù)方便。

(2)探測(cè)器的核心關(guān)鍵元件采用進(jìn)口元件，超大尺寸的探測(cè)晶體由特殊工藝制成，其探測(cè)效率遠(yuǎn)高于普通探測(cè)器。探測(cè)器緊貼上膠帶的下側(cè)布置，并采用特殊機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)全斷面檢測(cè)，即使膠帶上原煤灰分分布不均，對(duì)檢測(cè)結(jié)果也無影響，從而使檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性大大提高。 NGAM-2008天然射線灰分儀的探測(cè)區(qū)域如圖3所示。

(3)對(duì)同一煤種而言，膠帶上煤流射出的γ粒子數(shù)量與其灰分、煤流量呈正相關(guān)性，即煤炭灰分越高、煤層越厚，越有利于檢測(cè)。一般情況下，入選原煤具有流量大、灰分高等特點(diǎn)，而這有利于天然射線灰分儀的準(zhǔn)確檢測(cè)。

(4)膠帶上煤流射出的γ射線數(shù)量較少，但單個(gè)γ粒子的能量較大，如40K核素射出的γ粒子的能量可達(dá)1 460 keV，且其對(duì)鐵、鈣等金屬不敏感，可以輕松透過鋼絲芯到達(dá)探測(cè)器，故天然射線灰分儀更適合檢測(cè)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)拿禾炕曳帧?/p>

圖3 NGAM-2008天然射線灰分儀的探測(cè)區(qū)域

(5)由于煤流射出的γ射線微弱，為了屏蔽外界射線對(duì)探測(cè)器造成的干擾，該灰分儀配備有射線屏蔽體，屏蔽體采用特制合金材料制成，可有效屏蔽99%以上的外界γ射線，從而保證測(cè)量的準(zhǔn)確性[7-10]。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 選煤廠概況

蘆嶺選煤廠為淮北礦業(yè)集團(tuán)第三大選煤廠，是一座生產(chǎn)能力為3.0 Mt/a的礦井型煉焦煤選煤廠，入選原煤來自蘆嶺煤礦。目前，蘆嶺煤礦與蘆嶺選煤廠分置管理，實(shí)行單獨(dú)核算。為了提高原煤灰分的檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性，減少結(jié)算糾紛，蘆嶺選煤廠于2014年11月在入廠原煤帶式輸送機(jī)上安裝了一臺(tái)NGAM-2008天然射線灰分儀，輸送機(jī)的膠帶內(nèi)含有鋼絲芯，膠帶寬度為1.2 m，運(yùn)行速度為2.5 m/s，原煤流量為800 t/h。

3.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

由于結(jié)算應(yīng)用的需要，蘆嶺選煤廠和開封市測(cè)控技術(shù)有限公司共同委托國(guó)家煤炭質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(西安)作為第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)，對(duì)灰分儀的動(dòng)態(tài)精度進(jìn)行了測(cè)試。2015年1月30日—2月17日，該檢驗(yàn)中心依據(jù)煤炭行業(yè)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況制定了測(cè)試方案，對(duì)NGAM-2008天然射線灰分儀進(jìn)行了測(cè)試。

NGAM-2008天然射線灰分儀的檢測(cè)值與人工取樣的化驗(yàn)值數(shù)據(jù)見表1。

表1 煤樣灰分的檢測(cè)值與化驗(yàn)值

根據(jù)GB/T 19952—2005《煤炭在線分析儀的操作測(cè)量性能評(píng)價(jià)方法》的規(guī)定，結(jié)合表1數(shù)據(jù)，對(duì)灰分儀動(dòng)態(tài)精度進(jìn)行了分析。

(1)離群值檢驗(yàn)。在20組數(shù)據(jù)中找出檢測(cè)值與化驗(yàn)值之差最大的組別，通過觀察，發(fā)現(xiàn)第1組的二者之差最大，dmax=-6.9。據(jù)此可計(jì)算統(tǒng)計(jì)量C：

由C值表查得臨界值C0.01,20=0.480。由于C

(2)灰分儀精度計(jì)算。按照《GB/T 19952—2005煤炭在線分析儀的操作測(cè)量性能評(píng)價(jià)方法》中“ 9.2.4.1.4分析儀動(dòng)態(tài)精密度計(jì)算”的方法和步驟，該灰分儀的精度為2.1%。

(3)性能保證值檢驗(yàn)。NGAM-2008天然射線灰分儀的制造廠家對(duì)灰分儀測(cè)量精密度的保證值為2.5%，按照GB/T 19952—2005《煤炭在線分析儀的操作測(cè)量性能評(píng)價(jià)方法》中“ 9.2.4.1.5性能保證值檢驗(yàn)”的方法和步驟，該灰分儀的動(dòng)態(tài)精度能夠達(dá)到制造商的保證值。

3.3 鑒定結(jié)果

國(guó)家煤炭質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(西安)的測(cè)試結(jié)果說明：該灰分儀的動(dòng)態(tài)測(cè)量精度滿足制造商的保證值，為此，該制造商將EJ/T 1078-1998《γ輻射煤灰分測(cè)量?jī)x》的要求定為其保證值[11-13]，詳見表2。

表2 NGAM-2008天然射線灰分儀的測(cè)量精密度

4 結(jié)語

NGAM-2008天然射線灰分儀自2014年11月在蘆嶺選煤廠投入運(yùn)行以來，一直運(yùn)行良好，對(duì)于灰分在35%～45%之間的高灰原煤，檢測(cè)精度始終保持在2%以內(nèi)，完全滿足原煤結(jié)算要求，得到了結(jié)算雙方的認(rèn)可，使結(jié)算糾紛大大減少。由于該灰分儀測(cè)量精度高，維護(hù)工作量少，還使煤樣采制化和監(jiān)管人員得到精簡(jiǎn)，相應(yīng)人工費(fèi)用得到降低，這對(duì)于企業(yè)降低生產(chǎn)成本十分有利。

鑒于NGAM-2008天然射線灰分儀應(yīng)用效果良好，目前該灰分儀已在淮北礦業(yè)集團(tuán)下屬的淮北選煤廠、臨渙選煤廠、朱仙莊選煤廠、桃園選煤廠等得到了進(jìn)一步的推廣與應(yīng)用，不僅實(shí)現(xiàn)了原煤煤質(zhì)的自動(dòng)化與連續(xù)化檢測(cè)，且提高了檢測(cè)效率和檢測(cè)精度。

[1] 國(guó)家發(fā)展改革委. 煤炭工業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃[EB/OL].( 2012-4-10)[2016-04-21]. http://www.fjmj.gov.cn/html/Mtbd/20120410083313.html.

[2] 中國(guó)礦業(yè)報(bào). 2015年中國(guó)煤炭工業(yè)運(yùn)行情況[EB/OL].( 2016-02-25) [2016-04-21]. http://www. cbminfo. com / BM I /zx /_465673 / 3238067 / index. html.

[3] 國(guó)家能源局，環(huán)境保護(hù)部，工業(yè)和信息化部 .關(guān)于促進(jìn)煤炭安全綠色開發(fā)和清潔高效利用的意見：國(guó)能煤炭【2014】571號(hào)[EB/OL].( 2014-12-26) [2016-04-21]. http://zfxxgk.nea.gov.cn/auto85/201501/t20150112_1880.htm.

[4] 中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司.工業(yè)儀表用銫137γ輻射源：GB/T 13366-2009 [S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[5] 張志康，卓韻裳，林 謙，等.γ輻射煤灰分儀[M]. 北京：原子能出版社，1999．

[6] 衣宏昌，梁漫春，林 謙.在線煤灰分檢測(cè)技術(shù)在中國(guó)的應(yīng)用[J].煤炭加工與綜合利用，2006(5)：39-42.

[7] 吳曙笛. 火電廠燃煤灰分在線連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的天然放射性方法 [J].西北電力技術(shù)，2002 (4)：34-37.

[8] 葛學(xué)海，白云飛，陳 鵬，等. NGAM-2008天然射線灰分儀在東灘選煤廠的應(yīng)用[J]．選煤技術(shù)，2014(4)：69-72.

[9] 彭 勇，張江云，柏仁宣.NGAM-2008天然射線灰分儀在原煤煤質(zhì)檢測(cè)中的研究應(yīng)用[J].煤質(zhì)技術(shù)，2014 ( S1) ：57-59.

[10] 汲長(zhǎng)松. 核輻射探測(cè)器及其實(shí)驗(yàn)技術(shù)手冊(cè)(第2版)[M].北京：原子能出版社，2010．

[11] 中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì).煤炭在線分析儀測(cè)量性能評(píng)價(jià)方法：GB/T 19952-2005[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[12] 全國(guó)核儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). γ輻射煤灰分儀：EJ/T 1078-998[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.

[13] 楊華玉.γ射線在線灰分分析儀的操作測(cè)量性能評(píng)價(jià)方法 [J].煤質(zhì)技術(shù)，2007(3)：31-32.