付超 楊小平 張晨曦 牛杰

摘 要：煤炭灰分是煤炭的重要基礎(chǔ)指標(biāo)。隨著選煤技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)測(cè)試方法不能滿足生產(chǎn)的需要，這就給煤炭灰分檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和相應(yīng)設(shè)備的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。本文主要介紹了近年來國內(nèi)外主流的煤炭灰分檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)展，以及相關(guān)設(shè)備的工作原理和在煤企的推廣應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：煤炭灰分；原子輻射技術(shù)；在線檢測(cè)

中圖分類號(hào)： TQ533.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2017）03-187-2

0 引言

煤炭作為我國能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，其主導(dǎo)地位不會(huì)發(fā)生大的改變。煤炭灰分指的是煤在一定條件下經(jīng)過充分燃燒后，其中的礦物質(zhì)分解、化合后生成的殘留物。煤炭的灰分含量不光是常規(guī)工業(yè)分析指標(biāo)，而且還是相關(guān)機(jī)構(gòu)、煤企等進(jìn)行煤質(zhì)評(píng)價(jià)，加工利用，貿(mào)易計(jì)價(jià)等的基礎(chǔ)指標(biāo)。國標(biāo)中對(duì)煤炭灰分含量測(cè)定規(guī)定的方法主要有快速灰化法和緩慢灰化法。

隨著選煤技術(shù)自動(dòng)化程度的提高，之前多作為例常分析方法的快速灰化法存在檢測(cè)數(shù)據(jù)滯后、工序繁雜、管理成本高、工人工作環(huán)境差和勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，無法很好地滿足指導(dǎo)生產(chǎn)的要求。

基于此，國內(nèi)外先后有大量學(xué)者專家從事了煤炭灰分檢測(cè)技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)生產(chǎn)的灰分檢測(cè)設(shè)備在應(yīng)用中都取得了很好的效果。

1 主流灰分檢測(cè)設(shè)備簡介

從上世紀(jì)末開始，隨著民用核技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，基于原子輻射技術(shù)的在線測(cè)灰設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，這種設(shè)備由于現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高、維護(hù)成本低以及性價(jià)比高等特點(diǎn)，現(xiàn)已在市場(chǎng)上占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。本文將對(duì)這類灰分檢測(cè)設(shè)備做重點(diǎn)介紹。基于原子輻射技術(shù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的測(cè)灰儀根據(jù)是否有放射源可以分為有源測(cè)灰儀和無源測(cè)灰儀。

1.1 有源測(cè)灰儀

基于原子輻射技術(shù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的有源測(cè)灰儀根據(jù)基本原理可以分為以下幾種：低能γ射線反散射測(cè)灰儀、高能γ射線湮沒輻射測(cè)灰儀、雙能γ射線透射測(cè)灰儀、中子瞬發(fā)γ射線分析儀等。

1.1.1 低能γ射線反散射測(cè)灰儀

低能γ射線（能量小于100keV），與煤炭相互作用時(shí)主要表現(xiàn)出光電效應(yīng)以及康普頓散射效應(yīng)。當(dāng)煤的灰分含量比較低時(shí)，此時(shí)其等效原子序數(shù)也較小，則產(chǎn)生的光電效應(yīng)也比較弱，即透過煤粒的全能光子就比較多，而同時(shí)，發(fā)生康普頓散射的γ射線會(huì)比較強(qiáng)；相反，而當(dāng)煤的灰分含量比較高時(shí)，即其等效原子序數(shù)也較大時(shí)，則產(chǎn)生的光電效應(yīng)也會(huì)比較強(qiáng)，透過煤粒的全能光子相對(duì)比較少，而同時(shí)發(fā)生康普頓散射的γ射線會(huì)也較弱。所以，基于以上結(jié)論則可以通過探測(cè)透射光子和散射光子的數(shù)量就可以測(cè)量煤炭的灰分含量。

從20世紀(jì)60年代起，我國的學(xué)者專家就開始研究開發(fā)基于低能γ射線技術(shù)的灰分儀，并于1976年順利完成我國第一臺(tái)低能γ射線測(cè)灰儀的鑒定。后來煤科院唐山分院研制的ZTHY型在線測(cè)灰儀取得了較好的應(yīng)用效果，并且受到國內(nèi)多家煤企的青睞。

2007年，中核工業(yè)第五研究設(shè)計(jì)院成功設(shè)計(jì)開發(fā)了一種便攜式低能γ光子背散射煤炭灰分測(cè)量儀，這種設(shè)備以其特有的便攜、高效等特點(diǎn)在特定場(chǎng)景應(yīng)用非常成功。

2014年，湖南大學(xué)設(shè)計(jì)開發(fā)的快速γ射線煤炭灰分儀，以其快速精確等特點(diǎn)成功應(yīng)用于多家火力發(fā)電廠。

國外比較有代表性的產(chǎn)品主要有英國的RFCQM測(cè)灰儀、波蘭的G-3型測(cè)灰儀以及國內(nèi)外都非常著名的澳大利亞COALSCAN系列中的COALSCAN1500型測(cè)灰儀等。

1.1.2 高能γ射線湮沒輻射測(cè)灰儀

煤中所含物質(zhì)的原子核與高能γ射線（能量大于1.022MeV）相互作用，都會(huì)有發(fā)生正負(fù)電子對(duì)湮沒反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生能量為 511keV的γ射線。研究表明，煤中的灰分含量越高，則與高能γ射線發(fā)生電子對(duì)湮沒反應(yīng)所產(chǎn)生的能量為511keV的γ射線也越強(qiáng)。基于這個(gè)結(jié)論，便可以通過探測(cè)能量為511keV的γ射線強(qiáng)度，進(jìn)而來確定待測(cè)煤炭的灰分含量。

高能γ射線湮沒輻射測(cè)灰儀具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、檢測(cè)效率高、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢(shì)，并且測(cè)量不易受到高原子序數(shù)的影響。但是由于采用高能放射源，并且測(cè)量過程中需要探測(cè)511keV的γ射線，因此屏蔽要求高，安全性能差。所以這種設(shè)備并沒有大規(guī)模的推廣使用。

1.1.3 雙能γ射線透射式測(cè)灰儀

雙能γ射線透射式測(cè)灰儀是基于單能（低能）γ射線透射式測(cè)灰儀，經(jīng)過改良發(fā)展而來。低能γ射線透射過某種物質(zhì)后，該物質(zhì)對(duì)低能γ射線的吸收量隨其原子序數(shù)的增大而增大，所以灰分對(duì)γ射線的吸收量就比精煤要大，基于此設(shè)計(jì)生產(chǎn)了單能γ射線透射式測(cè)灰儀。雖然與反散射式測(cè)灰法比起來有所進(jìn)步，但這種設(shè)備對(duì)待測(cè)煤流有兩點(diǎn)要求：煤流粒度均勻和質(zhì)量厚度恒定。

為此在低能γ放射源的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)中能γ放射源，而中能γ放射源透射過煤層后煤流對(duì)它的吸收量恰好只與煤流的質(zhì)量厚度有關(guān)。

因此實(shí)際應(yīng)用中，讓中、低能γ射線搭配使用，同時(shí)透射同一煤流，然后再測(cè)量兩種γ射線強(qiáng)度的衰減情況，這樣便可以不再考慮煤流厚度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，更加準(zhǔn)確地測(cè)得待測(cè)煤流的灰分含量，這就是雙能γ射線透射式測(cè)灰儀的工作原理。

這種設(shè)備在國內(nèi)外有廣泛的應(yīng)用，在市場(chǎng)上占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。國內(nèi)有代表性的產(chǎn)品主要有清華大學(xué)設(shè)計(jì)開發(fā)的ZZ-89系列測(cè)灰儀、北京市煤炭礦用機(jī)電設(shè)備技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的SCL-2000型灰分儀以及西北電力集團(tuán)燃料公司研制的TN-2000型分析儀等。國外這類產(chǎn)品有德國的LB420型測(cè)灰儀，以及澳大利亞的COALSCAN系列產(chǎn)品（主要有2100型、2500型、2800型和3500型等）。這兩種產(chǎn)品均代表了世界先進(jìn)水平，在國內(nèi)外的使用都獲得的巨大成功。雙能γ射線透射式測(cè)灰儀的缺點(diǎn)是首先對(duì)煤流的粒度有一定的要求，另外如果煤中高原子序數(shù)元素組成含量高對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大。

1.1.4 中子瞬發(fā)γ射線分析儀

研究表明，中子γ射線與待測(cè)煤樣中目標(biāo)元素的靶核相互作用，會(huì)發(fā)生中子俘獲反應(yīng)和非彈性散射反應(yīng)，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生特征γ射線。煤中的不同元素對(duì)應(yīng)的特征γ射線的能量和峰面積也不同。中子瞬發(fā)γ射線分析儀就是利用這一理論設(shè)計(jì)生產(chǎn)的。這種設(shè)備不光能獲得煤炭的灰分含量，同時(shí)還可以獲取其他重要的煤炭工業(yè)指標(biāo)，在石化、建材和農(nóng)業(yè)等方面也有廣泛的應(yīng)用。但由于分析過程復(fù)雜，設(shè)備成本較高，并且需要頻繁更換放射源，所以在選煤行業(yè)沒有得到大范圍推廣。

1.2 無源測(cè)灰儀

無源測(cè)灰儀主要指天然γ射線測(cè)灰儀。這種設(shè)備通過使用高靈敏度的γ射線探測(cè)器來檢測(cè)煤中天然放射性元素，進(jìn)而確定其灰分含量。由于煤炭也是一種礦物質(zhì)，含有一定量的鈾、釷和鉀等具有天然放射性的元素，并且煤中的無機(jī)礦物質(zhì)（灰分主要成分）所包含的天然放射性元素要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有機(jī)質(zhì)（揮發(fā)分主要成分）含有的天然放射性元素。基于以上結(jié)論，通過使用高靈敏度的γ射線探測(cè)裝置便可以對(duì)煤炭灰分含量進(jìn)行快速檢測(cè)。

這種類型的測(cè)灰儀由于其不需要使用專門的放射源，避免了放射源管理與維護(hù)，另外更具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)、安裝簡單等優(yōu)勢(shì)，在國內(nèi)外均得到了較好的發(fā)展。國內(nèi)應(yīng)用比較好的產(chǎn)品是開封市測(cè)控技術(shù)有限公司的研發(fā)的NGAM-2008型天然射線灰分儀。國外比較有代表性的產(chǎn)品有英國的NGCQM型測(cè)灰儀和波蘭的RODOS型測(cè)灰儀。

這種類型的設(shè)備存在的主要缺點(diǎn)就是：

首先，需要做好射線屏蔽工作以及配置高精度的探頭。

其次，這種設(shè)備測(cè)試的準(zhǔn)確度與待測(cè)煤樣中放射性元素分布情況密切相關(guān)。

最后，與雙能γ射線透射式測(cè)灰儀相比，這種設(shè)備測(cè)量精確度與準(zhǔn)確度明顯不高。

2 其他測(cè)灰儀

除過上面提到的原子輻射類灰分檢測(cè)設(shè)備之外，還有近幾年發(fā)展較快的基于圖像識(shí)別技術(shù)的測(cè)灰儀，其工作原理是首先使用采用工業(yè)攝像機(jī)搭建的圖像采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集皮帶上的煤粒圖像，然后在計(jì)算機(jī)中使用一定的圖像處理算法獲得能夠區(qū)分無機(jī)礦物質(zhì)（灰分主要成分）和精煤的特征參數(shù)，最后通過建立模型實(shí)現(xiàn)煤炭灰分的實(shí)時(shí)在線測(cè)量[5]。這種設(shè)備具有無放射性、可實(shí)現(xiàn)灰分在線監(jiān)測(cè)、檢測(cè)速度快、管理使用方便等特點(diǎn)，發(fā)展前景廣闊，但目前仍處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，還沒有出現(xiàn)可以推廣使用的產(chǎn)品。

3 結(jié)語

隨著“中國制造2025”的提出，煤炭企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)

勢(shì)在必行。其中全面實(shí)現(xiàn)煤炭灰分的在線監(jiān)測(cè)就是重要一環(huán)。

本文主要介紹了基于原子輻射技術(shù)的煤炭灰分檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，并從放射性檢測(cè)和無源灰分檢測(cè)兩個(gè)方面介

紹了兩大類設(shè)備的基本原理及對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的國內(nèi)外使用情況。最后還介紹了基于圖像識(shí)別技術(shù)的在線測(cè)灰儀，使讀者能夠?qū)Ξ?dāng)前煤炭灰分檢測(cè)技術(shù)發(fā)展有一個(gè)比較全面的了解。

參 考 文 獻(xiàn)

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