煤炭灰分在线检测技术对比分析

煤炭灰分在线检测技术对比分析

李小飞 钟声

新疆维吾尔自治区产品质量监督检验研究院 乌鲁木齐 830011

摘要：在冶金等行业中，煤炭灰是一种无法燃烧的杂质，而灰分大小是一项比较重要的衡量指标。洗煤厂的日常工作就是根据相关要求，来生产出满足某些行业要求灰分的煤炭。如果生产出来的煤炭灰分与预期要求略高，表示这批煤炭不符合标准，需要重新进行洗煤。如果生产出来的煤炭灰分低于用户要求，那么成百上千吨的煤炭不断累积，会大大增加洗煤成本。因此，合理把控煤炭灰分有着巨大的现实意义。

关键词：煤炭灰分；在线检测；技术对比

引言

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.双能量γ射线透射技术

双能量γ射线灰分测量主要是将低能γ射线和中能γ射线结合后实现煤炭灰分在线测量。低能γ射线减弱情况与煤中高Z元素含量有关，主要用来测定煤中高Z元素的质量分数；中能γ射线对不同元素的质量衰减系数差别很小，它的减弱吸收只与被透射煤的质量厚度有关。利用中能γ射线的这一特性，可对煤料的厚度进行校正。双能量γ射线灰分测量采用透射方案，恰好可以实现射线准直，从而满足指数衰减规律的使用条件。这是其受物料密度、粒度、厚度变化影响小的物理基础，从而使其实际应用精度好于大多数灰分在线检测设备。该检测技术的优点如下：（1）直接对输煤胶带上的散煤实现在线测量，不需要分流、采样、破碎、制样等附加设备；（2）没有垂直偏析现象；（3）能测量较大的粒度（小于300mm）；（4）受水分影响较小；（5）有较大的灰分测量动态范围；（6）有较大的煤流厚度测量动态范围（精煤最大质量厚度30g/cm2，原煤最大质量厚度20g/cm2）；（7）辐射安全性好，具有较高的性能价格比，是目前应用最广泛、最成熟的技术。

该技术的缺点：（1）受煤中高原子序数元素特别是铁含量的影响较大，对混煤测量误差较大；（2）煤流厚度超过上述最大测量范围时，射线会大大衰减，设备无法正常工作；（3）使用放射源，办理采购、验收、退役等手续复杂，周期长。

2.天然γ射线测量法

天然γ射线测量法是通过测量煤自身发出的γ粒子数量来确定煤的灰分。由于煤中矿物质含有钾－40、铀－238、钍－232的天然γ放射性元素，通过测量由煤自身的放射性物质引起的γ计数率来反映煤中矿物质含量，从而确定煤的灰分。其公式为：Ad=AK+BU+CTh+D式中。A、B、C、D为常数，根据煤种进行标定；K、U、Th分别为钾－40、铀－238、钍－232的γ射线强度。英国、澳大利亚、伊朗等国的科研部门或公司从20世纪80年代开始研究该方法。该方法的优点：不用放射源。该方法的缺点如下：（1）天然γ放射性元素含量与Al、Si、Ca、Fe等元素含量没有必然关联，二者在特定矿点中的相关性决定了这种方案的可行性，因此有的地方可以利用此方法测量，有的地方不能测量，并且不适合测量混煤。（2）γ计数率测量非常困难，且受环境影响大。煤炭的放射性比土壤、水泥等物质低，尤其是低灰分煤，其放射性只有百万分之几，因此容易受环境影响。

3.X射线荧光分析

利用X射线荧光分析技术快速测量煤炭灰分的原理是：利用初始入射的X射线照射煤样，可以激发出煤中各种元素的特征X射线，测量这些特征X射线，理论上就可以分析出煤中各种元素的含量。这种技术对高原子序数的元素敏感，因为元素的原子序数越高，被激发的效率就越高，从而产生的特征X射线数量就越多。而煤灰中的主要成分Si、Al原子序数较低，特征X射线的激发效率较低，产生的特征X射线较少，这对测量不利。另一方面，元素的原子序数越低，其特征X射线的能量也越低，例如煤灰的主要成分Si、Al，其特征X射线能大部分被2cm厚的空气吸收，同样道理，特征X射线在煤中的穿透厚度极低(几十微米)，因此只能测量到煤表面成分。为使测量数据有代表性，需要专用制样系统，将煤预处理至很小的粒度（小于0.2mm）。X射线荧光分析系统复杂，价格高昂，这些限制了该技术在现场的实际应用。

4.激光诱导击穿光谱分析

此方法的原理是：利用高能脉冲激光（几个纳秒的时间宽度）照射煤表面，在微米数量级的范围内产生高温，引起该区域内煤形成等离子体，等离子体中的各种元素发光，测量该光谱，可以获得各元素的含量信息。目前国内外有很多单位研究利用该技术测量煤炭成分，但存在如下问题：（1）发射光谱的强度与形成等离子体温度有关，而等离子体温度不仅与激光功率稳定性有关，还与煤炭水分、煤表面反射特性等因素有关；（2）与煤炭的挥发分有关；（3）作用范围很小，采样占总体比例极低，代表性差；（4）需要专用制样系统，样品需要磨成粉，并压成需要的形状；（5）由于采用高能激光照射煤，会产生微小火花，存在一定危险隐患。

5.多能X射线吸收法

多能X射线吸收法测量煤炭灰分的基本原理是：通过被电场加速的电子轰击金属靶产生人工射线，人工射线中不同能量区间的射线与煤中各元素的作用截面不同，能量较低的射线对Si、Al、Ca、Fe等元素变化均敏感，能量居中的射线对Ca、Fe等元素变化更敏感，能量较高的射线对密度变化敏感，对元素含量变化不敏感；利用探测器测量经煤衰减后的射线能谱，可分析出3种能量区间的射线强度变化，利用射线的衰减规律建立方程组并求解，获得各种组分的含量，进而计算出灰分。此方法受煤中元素成分比例变化的影响小，可以适应混煤、重介选煤等情况下的煤质检测，与X射线荧光分析和激光诱导击穿光谱分析比较，此方法的采样量比较大，测量结果更可信。

该技术的优点：一是不使用放射源；二是测量准确性高，不受煤灰中高原子序数元素(Fe)比例变化的影响；三是维护工作量低，应用成本低。

该技术的缺点：一是对煤流几何条件要求高，为了保证测量精度，要求被测煤粒度小于13mm，胶带上煤流厚度大于3cm，宽度大于10cm。二是需要分流、采样、破碎、制样等附加设备，系统较为复杂，成本较高。

结语

煤炭灰分在线检测技术在煤炭行业生产过程监控、自动装车配煤，燃煤电厂的智能化煤场、燃煤锅炉能效监控等方面发挥了重要作用，对提升煤炭生产加工与综合利用企业的智能化与自动化水平具有重要意义。对6种煤炭灰分在线检测技术的分析表明，每种检测技术都有其独特的优势，也因各自的缺点而影响其推广使用。在我国，双能量γ射线透射、天然γ射线测量法、多能X射线吸收法在工业应用上取得了较好的效果。各企业应根据现场生产实际，灵活地选择最合适的灰分在线检测技术。

参考文献

[1]鞠佳勇．基于虚拟仪器技术的测灰仪上位机软件开发[D]．北京：清华大学，2012．

[2]赵忠辉，方全国．煤质在线检测技术现状及发展趋势分析[J]．煤质技术，2017(4)：18-21．